馬春生

(中國(guó)鐵路總公司，北京　100044)

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高速鐵路有砟道床質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化方法研究

馬春生

(中國(guó)鐵路總公司，北京100044)

摘要：有砟軌道是我國(guó)高速鐵路所采用的最主要的軌道結(jié)構(gòu)形式之一，有砟道床的質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)是新建線路及鐵路工務(wù)部門(mén)在日常養(yǎng)護(hù)維修工作中關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中道床縱向阻力、橫向阻力及枕下支承剛度3項(xiàng)道床質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行研究，通過(guò)一次線性回歸對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。并基于Pearson相關(guān)性數(shù)學(xué)模型，提出各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性的量化分析方法。最后基于分析結(jié)果，對(duì)有砟道床質(zhì)量狀態(tài)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)中道床阻力的測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果表明：道床縱、橫向阻力之間呈現(xiàn)了較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，而道床阻力與支承剛度間的相關(guān)性并不明顯。因此，建議相關(guān)規(guī)范在確定高速鐵路有砟道床質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，考慮采用道床橫向阻力一項(xiàng)指標(biāo)代替道床縱、橫向阻力兩項(xiàng)指標(biāo)，以優(yōu)化有砟道床評(píng)價(jià)體系。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；有砟道床；橫向阻力；縱向阻力；支承剛度；相關(guān)關(guān)系；測(cè)試設(shè)備；測(cè)試方法

有砟軌道作為我國(guó)最主要的軌道結(jié)構(gòu)形式之一，其良好的服役狀態(tài)是保證軌面的高平順性從而為列車(chē)提供穩(wěn)定走行界面的關(guān)鍵。因而，如何評(píng)價(jià)并確保有砟道床處于良好的服役狀態(tài)是鐵路工務(wù)部門(mén)在日常養(yǎng)護(hù)維修工作中關(guān)注的重點(diǎn)。

目前評(píng)價(jià)線路整體狀態(tài)的指標(biāo)主要包括反映道床密實(shí)程度的指標(biāo)，如道床密實(shí)度、孔隙比；反映道床彈性的指標(biāo)，如道床變形模量、軌枕垂向支承剛度；反映線路阻力的指標(biāo)，如軌枕橫向阻力、縱向阻力等[1]，以上評(píng)價(jià)指標(biāo)均由道床狀態(tài)所決定。我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)選取了道床密度、縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度作為新建有砟道床質(zhì)量的靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。研究發(fā)現(xiàn)，各個(gè)道床評(píng)價(jià)指標(biāo)之間并不相互獨(dú)立，而是具有一定的相關(guān)性，例如通常道床密實(shí)度越大，孔隙比越小，道床剛度越大，線路縱橫向阻力越大。

此外，不同的道床評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)試方法以及測(cè)試的便宜程度也有所不同，例如道床密度采用常用的排水法測(cè)試，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、存在誤差且對(duì)道床狀態(tài)具有一定的破壞，難以適應(yīng)高速鐵路天窗時(shí)間短、行車(chē)密度大的特點(diǎn)。相對(duì)而言，道床的縱、橫向阻力的測(cè)試則較為快速、準(zhǔn)確且對(duì)道床擾動(dòng)較少。同時(shí)，隨著無(wú)縫線路技術(shù)的發(fā)展，道床縱、橫向阻力對(duì)于保障道床幾何形位的作用更為突出。因此，擬針對(duì)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)中規(guī)定的道床縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度3項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)展研究，分析道床評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性。

在已有研究中，楊全亮[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)定了Ⅲ型混凝土枕道床橫向阻力。Zakeri[4]測(cè)試了不同道床斷面參數(shù)對(duì)有砟道床阻力的影響規(guī)律。Koc等[5-6]研究了搗固維修作業(yè)對(duì)道床橫向阻力的影響。馬戰(zhàn)國(guó)[7]研究了不同施工階段不同下部基礎(chǔ)條件下道床橫向阻力的差異。Pen[8]采用試驗(yàn)手段研究了不同道床斷面對(duì)軌枕橫向阻力在枕底、枕側(cè)和砟肩部分的分擔(dān)比例差異。高亮[9]基于道床流變特性，提出了橫向阻力測(cè)定方法的改進(jìn)措施。王斌[10]通過(guò)試驗(yàn)手段研究了固化道床對(duì)增強(qiáng)道床阻力的作用。馮青松[11]采用數(shù)值分析手段研究了清篩作業(yè)對(duì)道床阻力的影響，Zand[12]研究了不同行車(chē)條件下道床阻力的變化規(guī)律。在理論研究方面，北京交通大學(xué)的高亮、徐旸[13-17]等針對(duì)道砟顆粒的級(jí)配及道床臟污的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步分析了不同道床斷面形式對(duì)道床阻力的影響規(guī)律。

已有的研究主要存在以下兩方面的不足，一是僅針對(duì)單項(xiàng)道床阻力的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究，但對(duì)于道床評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性缺乏系統(tǒng)性的研究，難以實(shí)現(xiàn)道床質(zhì)量狀態(tài)的科學(xué)、全面評(píng)估，無(wú)法科學(xué)地指導(dǎo)道床的養(yǎng)護(hù)維修。二是由于傳統(tǒng)的測(cè)試方法難以滿足高速鐵路道床質(zhì)量測(cè)試低擾動(dòng)、高精度、高效率的測(cè)試要求，相應(yīng)的測(cè)試方法及手段還有待進(jìn)一步優(yōu)化。本文將針對(duì)這兩項(xiàng)不足之處開(kāi)展研究工作，具體內(nèi)容如下。

1有砟道床質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性分析

1.1有砟道床質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

為研究道床縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性，分別選取橋梁和路基兩種下部基礎(chǔ)的有砟線路進(jìn)行研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行了測(cè)試，在測(cè)試時(shí)為避免相鄰軌枕的影響，采用了“隔三測(cè)一”的方式。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1～圖3所示。

圖1　道床縱向阻力測(cè)試

圖2　道床橫向阻力測(cè)試

圖3　枕下支承剛度測(cè)試

1.2有砟道床質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3項(xiàng)道床質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1　道床評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

本文對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸分析，得到的相關(guān)性結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4　路基上道床縱、橫向阻力相關(guān)關(guān)系

圖5　橋梁上道床縱、橫向阻力相關(guān)關(guān)系

圖6　路基上道床橫向阻力與支承剛度相關(guān)關(guān)系

圖7　橋梁上道床橫向阻力與支承剛度相關(guān)關(guān)系

圖8　路基上道床縱向阻力與支承剛度相關(guān)關(guān)系

圖9　橋梁上道床縱向阻力與支承剛度相關(guān)關(guān)系

1.3有砟道床質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)計(jì)算

為量化道床縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度兩兩間的相關(guān)性，采用Pearson相關(guān)理論，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)道床的縱向阻力、橫向阻力、枕下支承剛度3項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析，Pearson相關(guān)性計(jì)算公式如下

(1)

Sx、Sy表達(dá)式如下

(2)

(3)

rxy取值在-1與+1之間，若rxy>0，表明兩組數(shù)據(jù)樣本是正相關(guān)；若rxy<0，表明兩個(gè)變量是負(fù)相關(guān)。

3種評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表2所示。

表2　3種評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合相關(guān)系數(shù)匯總

由表2的分析結(jié)果可知，道床縱、橫向阻力之間的相關(guān)性較強(qiáng)，其值在下部基礎(chǔ)為橋梁及路基時(shí)均可達(dá)到0.9以上，說(shuō)明當(dāng)?shù)来矙M向阻力與縱向阻力具有正相關(guān)關(guān)系。而道床縱向阻力與道床支承剛度、道床橫向阻力與道床支承剛度間的相關(guān)性均較小，這說(shuō)明無(wú)法通過(guò)道床阻力測(cè)試結(jié)果推算道床剛度的量值。相對(duì)而言，道床橫向阻力與道床剛度相關(guān)性更好，因此建議相關(guān)規(guī)范在確定高速鐵路道床質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，考慮采用道床橫向阻力一項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)代替道床縱向阻力、橫向阻力兩項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，以優(yōu)化道床評(píng)價(jià)體系。

2道床橫向阻力的測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法優(yōu)化

2.1道床橫向阻力的測(cè)試設(shè)備優(yōu)化

為準(zhǔn)確快速地測(cè)試道床的橫向阻力，針對(duì)道床阻力的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的道床橫向阻力測(cè)試設(shè)備如圖10所示。

圖10　道床橫向阻力測(cè)試設(shè)備

2.2道床橫向阻力的測(cè)試方法優(yōu)化

在測(cè)試過(guò)程中，使用千斤頂施加橫向推力，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量力的大小，位移計(jì)測(cè)量軌枕位移，并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。使用自研的檢測(cè)設(shè)備測(cè)試道床橫向阻力具體步驟如下。

(1)卸下測(cè)試軌枕扣件上的螺母和彈條，抽出扣件橡膠墊板，使軌枕和鋼軌完全脫離，之后將加力架放置在鋼軌外側(cè)的測(cè)試軌枕上，扣件螺紋道釘螺栓穿過(guò)加力架圓孔。

(2)將千斤頂橫臥在加力架內(nèi)，保證頂住加力架后壁，頂鐵緊靠鋼軌放置，然后在頂鐵和千斤頂之間放置壓力傳感器。

(3)將連接裝置套在另一側(cè)鋼軌外側(cè)的螺紋道釘上，并采用扳手緊固，使位移計(jì)指針?biāo)肝恢锰幱诖怪睜顟B(tài)。

(4)將位移計(jì)固定支架放置在鋼軌上；將位移計(jì)安裝到固定支架上，并使位移計(jì)頂住連接裝置突起部位。

(5)將壓力傳感器和位移計(jì)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)采集儀上，并將數(shù)據(jù)采集儀連接至筆記本電腦。

(6)開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并調(diào)試測(cè)試儀器，校正相關(guān)參數(shù)。

(7)使用千斤頂沿線路橫向緩慢加載，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

道床橫向阻力測(cè)試設(shè)備基本原理如圖11所示。

圖11　道床橫向阻力測(cè)試原理流程

本設(shè)備相比于已有設(shè)備的突出優(yōu)點(diǎn)主要包括如下幾個(gè)方面：(1)測(cè)試結(jié)果可通過(guò)電腦實(shí)時(shí)顯示，結(jié)果直觀可見(jiàn)；(2)無(wú)需人工記錄、分析數(shù)據(jù)，避免了操作誤差，提高了測(cè)試精度；(3)單根軌枕測(cè)試時(shí)間可控制在2 min以內(nèi)，極大提高了作業(yè)效率。

3結(jié)論

本文基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中道床縱向阻力、橫向阻力及枕下支承剛度3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行了研究。通過(guò)一次線性回歸對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，并基于Pearson相關(guān)系數(shù)構(gòu)造方法對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行了量化分析，建立了有砟道床評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性的分析體系。最后基于分析結(jié)果，提出了高速鐵路有砟道床關(guān)鍵性評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法的優(yōu)化方案，并對(duì)行業(yè)規(guī)范提出了建議。得到以下主要結(jié)論：

(1)道床縱、橫向阻力之間的相關(guān)性較強(qiáng)，其值在下部基礎(chǔ)為橋梁及路基時(shí)均可達(dá)到0.9以上，且回歸結(jié)果的決定系數(shù)可達(dá)到0.8以上，說(shuō)明兩者呈可靠的正相關(guān)關(guān)系。

(2)通過(guò)對(duì)比道床縱、橫向阻力與支承剛度間的相關(guān)性分析結(jié)果可知兩者相關(guān)性較小，其最大決定系數(shù)僅為0.53，說(shuō)明無(wú)法通過(guò)道床阻力測(cè)試值推算道床剛度的量值。且相對(duì)而言，下部基礎(chǔ)為橋梁時(shí)，道床阻力與支撐剛度之間具有較好的相關(guān)性。這主要是由于橋梁下部基礎(chǔ)相比于柔性路基基礎(chǔ)，其在道床剛度測(cè)試時(shí)所引起的下部基礎(chǔ)應(yīng)變較小所導(dǎo)致的。

(3)建議相關(guān)規(guī)范在確定高速鐵路道床質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，考慮采用道床橫向阻力一項(xiàng)指標(biāo)代替道床縱向阻力、橫向阻力兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以優(yōu)化道床評(píng)價(jià)體系。

(4)從阻力及剛度的總體測(cè)試量值來(lái)看，下部基礎(chǔ)為橋梁相比于下部基礎(chǔ)為路基的有砟軌道更易達(dá)到穩(wěn)定，這主要和下部基礎(chǔ)的剛度有關(guān)。

(5)本文所提出的道床橫向阻力測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法具有低擾動(dòng)、高精度、高效率的特點(diǎn)，建議在道床質(zhì)量評(píng)估時(shí)采用。

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Research on Evaluation Index Optimization Method of High-speed Railway Ballasted Bed

MA Chun-sheng

(China Railway Corporation， Beijing 100044， China)

Abstract：Ballasted track is one of the most important type of track structures used in Chinese high-speed railway. Evaluation of ballasted bed quality is the focus during the construction of new railway lines and the daily maintenance of railway maintenance departments. In this paper， the correlation relationship of ballasted bed lateral resistance， longitudinal resistance and supporting stiffness in current norms are studied through field test， and then the experimental results are analyzed with linear regression. A quantitative method for analyzing the correlation of each evaluation index is proposed based on Pearson correlation mathematical model. Finally， testing equipment and testing method for critical ballasted bed quality evaluation are optimized based on analysis results. The results show that the correlation relationship between ballasted bed resistance and supporting stiffness is not obvious， but that between lateral resistance and longitudinal resistance is very positive. Therefore， this paper suggests using the single index of lateral resistance instead of both lateral resistance and longitudinal resistance to evaluate high-speed railway ballasted bed quality when setting relevant norms， with which the quality evaluation system of ballasted bed is optimized．

Key words：High-speed railway; Ballasted bed; Lateral resistance; Longitudinal resistance; Supporting stiffness; Correlation relationship; Testing equipment; Testing method

文章編號(hào)：1004-2954(2016)05-0020-05

收稿日期：2016-01-19； 修回日期：2016-01-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(U1234211)

作者簡(jiǎn)介：馬春生(1969—)，男，高級(jí)工程師，E-mail：tdb_mcs@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.005