高速铁路有砟道床质量评价指标优化方法研究

马春生

(中国铁路总公司，北京　100044)



高速铁路有砟道床质量评价指标优化方法研究

马春生

(中国铁路总公司，北京100044)

摘要：有砟轨道是我国高速铁路所采用的最主要的轨道结构形式之一，有砟道床的质量状态评价是新建线路及铁路工务部门在日常养护维修工作中关注的重点。通过现场试验，对现行规范中道床纵向阻力、横向阻力及枕下支承刚度3项道床质量状态评价指标的相关性进行研究，通过一次线性回归对实测结果进行分析。并基于Pearson相关性数学模型，提出各项评价指标相关性的量化分析方法。最后基于分析结果，对有砟道床质量状态关键评价指标中道床阻力的测试设备及测试方法进行优化。研究结果表明：道床纵、横向阻力之间呈现了较强的正相关关系，而道床阻力与支承刚度间的相关性并不明显。因此，建议相关规范在确定高速铁路有砟道床质量评价标准时，考虑采用道床横向阻力一项指标代替道床纵、横向阻力两项指标，以优化有砟道床评价体系。

关键词：高速铁路；有砟道床；横向阻力；纵向阻力；支承刚度；相关关系；测试设备；测试方法

有砟轨道作为我国最主要的轨道结构形式之一，其良好的服役状态是保证轨面的高平顺性从而为列车提供稳定走行界面的关键。因而，如何评价并确保有砟道床处于良好的服役状态是铁路工务部门在日常养护维修工作中关注的重点。

目前评价线路整体状态的指标主要包括反映道床密实程度的指标，如道床密实度、孔隙比；反映道床弹性的指标，如道床变形模量、轨枕垂向支承刚度；反映线路阻力的指标，如轨枕横向阻力、纵向阻力等[1]，以上评价指标均由道床状态所决定。我国行业标准《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)选取了道床密度、纵向阻力、横向阻力、枕下支承刚度作为新建有砟道床质量的静态评价指标[2]。研究发现，各个道床评价指标之间并不相互独立，而是具有一定的相关性，例如通常道床密实度越大，孔隙比越小，道床刚度越大，线路纵横向阻力越大。

此外，不同的道床评价指标的测试方法以及测试的便宜程度也有所不同，例如道床密度采用常用的排水法测试，不仅费时费力、存在误差且对道床状态具有一定的破坏，难以适应高速铁路天窗时间短、行车密度大的特点。相对而言，道床的纵、横向阻力的测试则较为快速、准确且对道床扰动较少。同时，随着无缝线路技术的发展，道床纵、横向阻力对于保障道床几何形位的作用更为突出。因此，拟针对《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)中规定的道床纵向阻力、横向阻力、枕下支承刚度3项指标开展研究，分析道床评价指标间的相关性。

在已有研究中，杨全亮[3]通过现场试验，测定了Ⅲ型混凝土枕道床横向阻力。Zakeri[4]测试了不同道床断面参数对有砟道床阻力的影响规律。Koc等[5-6]研究了捣固维修作业对道床横向阻力的影响。马战国[7]研究了不同施工阶段不同下部基础条件下道床横向阻力的差异。Pen[8]采用试验手段研究了不同道床断面对轨枕横向阻力在枕底、枕侧和砟肩部分的分担比例差异。高亮[9]基于道床流变特性，提出了横向阻力测定方法的改进措施。王斌[10]通过试验手段研究了固化道床对增强道床阻力的作用。冯青松[11]采用数值分析手段研究了清筛作业对道床阻力的影响，Zand[12]研究了不同行车条件下道床阻力的变化规律。在理论研究方面，北京交通大学的高亮、徐旸[13-17]等针对道砟颗粒的级配及道床脏污的评估指标进行了研究，并进一步分析了不同道床断面形式对道床阻力的影响规律。

已有的研究主要存在以下两方面的不足，一是仅针对单项道床阻力的评价指标进行了研究，但对于道床评价指标间的相关性缺乏系统性的研究，难以实现道床质量状态的科学、全面评估，无法科学地指导道床的养护维修。二是由于传统的测试方法难以满足高速铁路道床质量测试低扰动、高精度、高效率的测试要求，相应的测试方法及手段还有待进一步优化。本文将针对这两项不足之处开展研究工作，具体内容如下。

1有砟道床质量状态评价指标的相关性分析

1.1有砟道床质量状态评价指标现场测试方案

为研究道床纵向阻力、横向阻力、枕下支承刚度3项评价指标之间的相关性，分别选取桥梁和路基两种下部基础的有砟线路进行研究，并通过现场试验对3项指标分别进行了测试，在测试时为避免相邻轨枕的影响，采用了“隔三测一”的方式。测试现场如图1～图3所示。

图1　道床纵向阻力测试

图2　道床横向阻力测试

图3　枕下支承刚度测试

1.2有砟道床质量状态评价指标实测数据分析

3项道床质量状态评价指标的实测结果如表1所示。

表1　道床评价指标现场测试数据汇总

本文对测试数据进行了线性回归分析，得到的相关性结果如图4～图9所示。

图4　路基上道床纵、横向阻力相关关系

图5　桥梁上道床纵、横向阻力相关关系

图6　路基上道床横向阻力与支承刚度相关关系

图7　桥梁上道床横向阻力与支承刚度相关关系

图8　路基上道床纵向阻力与支承刚度相关关系

图9　桥梁上道床纵向阻力与支承刚度相关关系

1.3有砟道床质量状态评价指标相关系数计算

为量化道床纵向阻力、横向阻力、枕下支承刚度两两间的相关性，采用Pearson相关理论，基于现场实测数据对道床的纵向阻力、横向阻力、枕下支承刚度3项测试指标间的相关性进行分析，Pearson相关性计算公式如下

(1)

Sx、Sy表达式如下

(2)

(3)

rxy取值在-1与+1之间，若rxy>0，表明两组数据样本是正相关；若rxy<0，表明两个变量是负相关。

3种评价指标的综合相关系数分析结果如表2所示。

表2　3种评价指标综合相关系数汇总

由表2的分析结果可知，道床纵、横向阻力之间的相关性较强，其值在下部基础为桥梁及路基时均可达到0.9以上，说明当道床横向阻力与纵向阻力具有正相关关系。而道床纵向阻力与道床支承刚度、道床横向阻力与道床支承刚度间的相关性均较小，这说明无法通过道床阻力测试结果推算道床刚度的量值。相对而言，道床横向阻力与道床刚度相关性更好，因此建议相关规范在确定高速铁路道床质量评价标准时，考虑采用道床横向阻力一项评估指标代替道床纵向阻力、横向阻力两项评估指标，以优化道床评价体系。

2道床横向阻力的测试设备及测试方法优化

2.1道床横向阻力的测试设备优化

为准确快速地测试道床的横向阻力，针对道床阻力的测试设备进行了优化，优化后的道床横向阻力测试设备如图10所示。

图10　道床横向阻力测试设备

2.2道床横向阻力的测试方法优化

在测试过程中，使用千斤顶施加横向推力，通过压力传感器测量力的大小，位移计测量轨枕位移，并实时采集数据传输到计算机。使用自研的检测设备测试道床横向阻力具体步骤如下。

(1)卸下测试轨枕扣件上的螺母和弹条，抽出扣件橡胶垫板，使轨枕和钢轨完全脱离，之后将加力架放置在钢轨外侧的测试轨枕上，扣件螺纹道钉螺栓穿过加力架圆孔。

(2)将千斤顶横卧在加力架内，保证顶住加力架后壁，顶铁紧靠钢轨放置，然后在顶铁和千斤顶之间放置压力传感器。

(3)将连接装置套在另一侧钢轨外侧的螺纹道钉上，并采用扳手紧固，使位移计指针所指位置处于垂直状态。

(4)将位移计固定支架放置在钢轨上；将位移计安装到固定支架上，并使位移计顶住连接装置突起部位。

(5)将压力传感器和位移计通过数据线连接到数据采集仪上，并将数据采集仪连接至笔记本电脑。

(6)开启数据采集系统，并调试测试仪器，校正相关参数。

(7)使用千斤顶沿线路横向缓慢加载，实时采集并存储数据。

道床横向阻力测试设备基本原理如图11所示。

图11　道床横向阻力测试原理流程

本设备相比于已有设备的突出优点主要包括如下几个方面：(1)测试结果可通过电脑实时显示，结果直观可见；(2)无需人工记录、分析数据，避免了操作误差，提高了测试精度；(3)单根轨枕测试时间可控制在2 min以内，极大提高了作业效率。

3结论

本文基于现场试验实测数据，对现行标准中道床纵向阻力、横向阻力及枕下支承刚度3项评价指标的相关性进行了研究。通过一次线性回归对实测结果进行了分析，并基于Pearson相关系数构造方法对各项评价指标间的相关性进行了量化分析，建立了有砟道床评价指标相关性的分析体系。最后基于分析结果，提出了高速铁路有砟道床关键性评价指标测试设备及测试方法的优化方案，并对行业规范提出了建议。得到以下主要结论：

(1)道床纵、横向阻力之间的相关性较强，其值在下部基础为桥梁及路基时均可达到0.9以上，且回归结果的决定系数可达到0.8以上，说明两者呈可靠的正相关关系。

(2)通过对比道床纵、横向阻力与支承刚度间的相关性分析结果可知两者相关性较小，其最大决定系数仅为0.53，说明无法通过道床阻力测试值推算道床刚度的量值。且相对而言，下部基础为桥梁时，道床阻力与支撑刚度之间具有较好的相关性。这主要是由于桥梁下部基础相比于柔性路基基础，其在道床刚度测试时所引起的下部基础应变较小所导致的。

(3)建议相关规范在确定高速铁路道床质量评价标准时，考虑采用道床横向阻力一项指标代替道床纵向阻力、横向阻力两项评价指标，以优化道床评价体系。

(4)从阻力及刚度的总体测试量值来看，下部基础为桥梁相比于下部基础为路基的有砟轨道更易达到稳定，这主要和下部基础的刚度有关。

(5)本文所提出的道床横向阻力测试设备及测试方法具有低扰动、高精度、高效率的特点，建议在道床质量评估时采用。

参考文献：

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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

文章编号：1004-2954(2016)05-0020-05

收稿日期：2016-01-19； 修回日期：2016-01-29

基金项目：国家自然科学基金重大项目(U1234211)

作者简介：马春生(1969—)，男，高级工程师，E-mail：tdb_mcs@163.com。

中图分类号：U213.7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.005