重載鐵路路基動荷載特征

賈晉中

(朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧 062350)

路基是鐵路線路工程的重要組成部分，是承受軌道結(jié)構(gòu)重量和列車荷載的基礎，也是線路工程中最薄弱和不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)之一。鐵路路基不僅要滿足靜態(tài)平順和穩(wěn)定，而且還要滿足動態(tài)條件下的平順和穩(wěn)定。路基動力響應包括路基動變形、動應力及加速度等，其大小與分布關(guān)系到路基強度、疲勞特性、累積變形及其動力穩(wěn)定性，并直接影響鐵路路基設計、使用和養(yǎng)護維修。

目前我國鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設計理論基本是從動力角度展開研究和設計的，基床結(jié)構(gòu)設計理論、方法和關(guān)鍵參數(shù)均需要實車測試驗證，因此實車測試和分析對驗證、優(yōu)化和完善鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設計具有重要意義。重載條件下的路基動荷載及其特征是我國重載鐵路路基基床設計和評估的關(guān)鍵參數(shù)。由于重載鐵路建設及重載鐵路路基基床病害整治的需要，研究重載鐵路路基動荷載特征顯得尤為重要。

本文結(jié)合朔黃鐵路北大?！仫L區(qū)間的動態(tài)測試試驗，對重載條件下的路基動荷載進行了分析。測試總共涉及8個工點，鋼軌為75 kg/m，Ⅲ型軌枕，現(xiàn)場道砟和底砟總厚度基本＞50 cm，測試的工點路基填料主要為低液限粉土。試驗列車編組車輛主要有運營車輛和試驗車輛。運營車輛主要為C64K，C70A和C80;試驗車輛包括 C64K，C70A，C80，C96，KM96B 和KM96。

表1 各車型參數(shù)

1 路基動荷載

1.1 路基動荷載計算

在以往的路基設計中，根據(jù)線路的不同條件，列車通過時路基動荷載的幅值由下式計算

式中:σ為路基動荷載，kPa;P為靜軸重，kN;α為動力沖擊系數(shù)，又稱速度影響系數(shù)，普通線路取0.005，無縫線路取0.004，高速鐵路取0.003;v為行車速度，超過300 km/h時，按300 km/h計。

若列車速度為80 km/h，則軸重從25 t提高至27 t和30 t，路基動荷載幅值從86 kPa增至93 kPa和103 kPa，增幅分別為8%和12%。

1.2 路基動荷載測試

圖1為試驗列車編組通過時路基動荷載時程曲線。

統(tǒng)計不同軸重等級下的路基荷載最大值。各斷面的傳感器因埋設深度不同，根據(jù)應力傳遞特點，將其統(tǒng)一到距離軌枕底部50 cm的深度。27 t和30 t軸重時，路基最大動荷載測試值達到119 kPa和123 kPa，均大于通常的計算值。

圖1 試驗編組列車通過時路基動荷載時程曲線

2 動荷載統(tǒng)計分析

為準確獲得軸重與路基動荷載的關(guān)系，按試驗期間試驗列車軸重進行分類，統(tǒng)計所有試驗工點不同軸重作用下的路基動應力，圖2為本次試驗測試工點1中不同測點的測試結(jié)果。

圖2 測試工點1路基動荷載與軸重測試結(jié)果

由圖2可以看出，在相同的軸重條件下不同測點的路基動荷載在一定的范圍內(nèi)波動，但總體上路基動荷載隨著軸重的增大而增加，基本呈線性分布。利用各次試驗列車的實際軸重將動荷載歸一化處理，即將動荷載(kPa)除以列車軸重(kN)，得到的參數(shù)稱為荷載軸重系數(shù)(kPa/kN)。本次測試的8個工點的荷載軸重系數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果見圖3。

圖3 荷載軸重系數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果

從圖3可以得出，荷載軸重系數(shù)均值為0.20 kPa/kN，最大值為0.51 kPa/kN。從既有線提速和客貨共線等路基動荷載的研究中得出路基動荷載平均值約為軸重的0.2，最大值約為平均值的2倍。本次試驗測試的結(jié)果與前期的研究結(jié)論基本一致。

從圖3還可以看出，路基動荷載測試結(jié)果基本呈正態(tài)分布，根據(jù)統(tǒng)計的平均荷載軸重系數(shù)和最大荷載軸重系數(shù)，可以推算25，27和30 t軸重條件下路基動荷載平均值應分別在49，53和59 kPa左右，最大值可達到125，135和150 kPa。27 t和30 t條件下路基動荷載分別比25 t軸重下增大8%和20%左右。

3 動荷載分布特征

統(tǒng)計路基橫斷面方向鋼軌軌枕、軌枕頭和軌枕中心下方動應力的平均值，以鋼軌軌枕下方動應力為基準值進行歸一化處理，得到相對應的動應力比值。測試結(jié)果表明，與鋼軌對應的軌枕正下方動應力最大，軌枕頭處次之，約為鋼軌枕下動應力的0.8倍，軌枕中心處動應力比較小，約為鋼軌枕下動應力的0.5～0.6倍。動應力比值橫斷面方向呈“馬鞍形”分布，如圖4所示，與普通列車的分布差別不大[3]。

圖4 動應力比值橫斷面分布

在多軸作用下，路基動荷載形態(tài)與軸距、鄰軸距具有顯著的相關(guān)性。普通列車的軸距與重載列車基本相當，但鄰軸距明顯大于重載列車，其中以KM96B的鄰軸距最小。列車軸距和鄰軸距對路基動荷載的形態(tài)影響如圖5所示，可見車輛鄰軸距的幾何尺寸對路基動荷載的形態(tài)影響很大。

圖5 不同車輛編組路基動荷載與鄰軸距關(guān)系

圖6為不同車型作用下的路基動荷載時程曲線。普通列車和重載列車同一個轉(zhuǎn)向架兩軸各自對應的荷載沿縱向相互疊加融合，疊加效果明顯。C64K和C70A等普通列車的動荷載曲線相似，因為鄰軸距比較大，在兩個車廂連接處的路基動荷載比較小，與轉(zhuǎn)向架下路基動荷載的最大值差別較大，相鄰轉(zhuǎn)向架之間的疊加不明顯，可以認為是兩次荷載作用。C80，C96和KM96B等重載列車，因為鄰軸距小，相鄰轉(zhuǎn)向架的四軸之間相互融合，使兩個車廂連接處的路基動荷載與轉(zhuǎn)向架下方的路基動荷載幾乎一致，甚至更大，縱向剖面基本上呈“矩形波”形態(tài)分布，為一次荷載作用。

圖6 不同車型作用下路基動荷載時程曲線

4 結(jié)論

通過路基動荷載的測試和分析，獲得的重載鐵路路基動荷載特征如下:

1)重載列車路基動荷載測試結(jié)果統(tǒng)計分析表明，路基動荷載與軸重基本呈線性關(guān)系，30 t軸重測試平均值為59 kPa，最大值達到123 kPa。路基動荷載軸重系數(shù)平均值0.20 kPa/kN，最大值0.51 kPa/kN。軸重從25 t提高至30 t，路基動荷載增大約20%。

2)重載列車作用下沿路基橫斷面方向，與鋼軌對應的軌枕正下方動應力最大，軌枕頭處次之，約為鋼軌枕下動應力的0.8倍，軌枕中心處動應力比較小，約為鋼軌枕下動應力的0.5～0.6倍，動應力比值橫斷面方向呈“馬鞍形”分布。

3)動荷載測試結(jié)果表明，一個轉(zhuǎn)向架兩軸各自對應的荷載沿縱向相互疊加融合;普通列車鄰軸距較大，相鄰轉(zhuǎn)向架之間的疊加不明顯;重載列車鄰軸距小，相鄰轉(zhuǎn)向架的四軸之間相互融合，路基動荷載縱向剖面基本上呈“矩形波”形態(tài)分布。重載鐵路路基動荷載的影響分析須考慮前后車廂相鄰轉(zhuǎn)向架的疊加影響。重載鐵路路基基床動應力分析應充分考慮軸距和鄰軸距的影響。

[1]朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，中國鐵道科學研究院.軸重30 t以上煤炭運輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制——重載線路基礎設施強化措施研發(fā)階段研究報告[R].肅寧:朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，2013.

[2]中國鐵道科學研究院.30 t軸重重載鐵路路基關(guān)鍵技術(shù)研究[R].北京:中國鐵道科學研究院，2012.

[3]中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設計方法及參數(shù)的研究[R].北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，2008.

[4]周神根.高速鐵路路基設計技術(shù)條件研究——高速鐵路線橋隧設計參數(shù)選擇的研究報告之六[R].北京:鐵道部科學研究院，1995.