CN109916751A - 一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置与试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置与试验方法，以通过对长期列车荷载作用下大坡道有砟道床系统稳定性进行原比例疲劳试验，使试验结果更加符合工程实际，有效验证理论设计方法的正确性，继而实现初步参数的优化设计。试验装置包括：混凝土基座，安装于疲劳试验加载池内，疲劳试验加载池的后侧设置将混凝土基座顶面调节至试验坡度的升降装置；原比例有砟道床系统，构建于混凝土基座顶面上，由有砟道床、轨枕、钢轨和扣件系统；加载横梁，固定安装在钢轨上，与轨枕相平行且其顶面为水平面；加载系统，作用于加载横梁顶面上，对原比例有砟道床系统施加循环荷载；轨枕位移测量装置，包括测量支架、位移传感器，测量支架固定安装在疲劳试验加载池的前端，其上等距间隔设置用于测量最下侧轨枕位移量的位移传感器；道床阻力测试组件，用于测试道床纵向阻力或道床横向阻力。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通，特别涉及一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置与试验方法。
背景技术
我国修建的铁路大都沿线地形平坦，无突出的搞成控制问题，因此，目前中国既有的铁路基本没有采用大坡度。除了博林铁路(最大坡度42.5‰)，其余铁路最大坡度均小于40‰。因此，目前暂无对大坡道有砟道床结构长期稳定性的研究的先例，也尚未进行相应的试验研究。但随着一些山区旅游铁路的筹建(如都江堰至四姑娘山、川主寺至九寨沟旅游观光等重点项目)，铁路线路不可避免地会经过许多坡度超过40‰的大坡道地段，在国外已有过坡度250‰甚至480‰的有砟轨道铺设案例，所以有必要分析大坡道有砟道床结构在复杂艰险山区条件下的长期稳定性。
在公告号CN106874649A的发明专利说明书中公开了一种均质边坡稳定性强度折减法失稳判据方法，通过有限差分数值分析方法判别边坡临界滑动面。而在公告号CN108595878 A的发明专利说明书训公开了一种边坡失稳机制判定方法，即基于强度折减法与边坡渐进破坏理论分析得到边坡的失稳机制。
上述两种方法均属理论设计方法，而且均属于连续介质力学理论，并不符合真实道床的散粒体特征，也非试验方法，它们是否适用于大坡道有砟道床稳定性设计，尚需试验或实践验证，只能分析瞬时荷载作用下有砟道床稳定性问题。而实际情况中有砟道床具有散粒体特征，理论结果难以模拟真实大坡道有砟道床的长期稳定性，且目前暂无相关规范去验证大坡道铁路有砟道床理论设计方法的可靠性。因此，亟需一种大坡道铁路有砟道床长期稳定性的现场试验装置与方法，继而优化设计其稳定性参数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置，以通过对长期列车荷载作用下大坡道有砟道床系统稳定性进行原比例疲劳试验，使试验结果更加符合工程实际，有效验证理论设计方法的正确性，继而实现初步参数的优化设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置，其特征是包括：混凝土基座，安装于疲劳试验加载池内，疲劳试验加载池的后侧设置将混凝土基座顶面调节至试验坡度的升降装置；原比例有砟道床系统，构建于混凝土基座顶面上，由有砟道床、轨枕、钢轨和扣件系统；加载横梁，固定安装在钢轨上，与轨枕相平行且其顶面为水平面；加载系统，作用于加载横梁顶面上，对原比例有砟道床系统施加循环荷载；轨枕位移测量装置，包括测量支架、位移传感器，测量支架固定安装在疲劳试验加载池的前端，其上等距间隔设置用于测量最下侧轨枕位移量的位移传感器；道床阻力测试组件，用于测试道床纵向阻力或道床横向阻力。
本发明所要解决的另一技术问题是提供采用上述一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的试验方法，该方法包括如下步骤：
①通过升降装置将混凝土基座顶面调节至试验坡度，在混凝土基座顶面上构建原比例有砟道床系统；
②单根轨枕道床纵、横向阻力测试，其以一末安装扣件系统的轨枕为测试轨枕，通过道床纵向阻力测试组件和分级加载获得道床纵向阻力值，通过道床横向阻力测试组件和分级加载获得道床横向阻力值；
③安装测试轨枕的扣件系统，在钢轨上安装固定加载横梁；
④疲劳加载，由加载系统通过加载横梁对原比例有砟道床系统施加循环荷载，加载值为实际荷载，每加载一定次数，记录位移传感器测量值，若轨排结构保持稳定，则进行下一组疲劳加载，测得各组疲劳加载情况下最下侧轨枕的位移量；
⑤疲劳试验后单根轨枕道床纵、横向阻力测试，拆除测试轨枕扣件系统，通过道床纵向阻力测试组件和分级加载获得道床纵向阻力值，通过道床横向阻力测试组件和分级加载获得道床横向阻力值；
⑥分析大坡道铁路有砟道床的长期稳定性。
本发明的有益效果是，通过对长期列车荷载作用下大坡道有砟道床系统稳定性进行原比例疲劳试验，使试验结果更加符合工程实际，可有效验证理论设计方法的正确性，继而实现初步参数的优化设计。
附图说明
本说明书包括如下五幅附图：
图1是本发明一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的结构示意图；
图2是本发明一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的立体图；
图3是本发明一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的俯视图；
图4是本发明一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置中道床纵向阻力测试组件的设置方式示意图；
图5是本发明一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置中道床横向阻力测试组件的设置方式示意图。
图中示出构件和对应的标记：疲劳试验加载池10、混凝土基座11、升降装置12、有砟道床21、轨枕22、钢轨23、扣件系统24、加载横梁30、测量支架31、位移传感器32、千斤顶33、第二位移传感器33、反力架34。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1、图2和图3，本发明的一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置包括：混凝土基座11，安装于疲劳试验加载池10内，疲劳试验加载池10的后侧设置将混凝土基座11顶面调节至试验坡度的升降装置12；原比例有砟道床系统，构建于混凝土基座11顶面上，由有砟道床21、轨枕22、钢轨23和扣件系统24；加载横梁30，固定安装在钢轨23上，与轨枕22相平行且其顶面为水平面；加载系统，作用于加载横梁30顶面上，对原比例有砟道床系统施加循环荷载；轨枕位移测量装置，包括测量支架31、位移传感器32，测量支架31固定安装在疲劳试验加载池10的前端，其上等距间隔设置用于测量最下侧轨枕22位移量的位移传感器32；道床阻力测试组件，用于测试道床纵向阻力或道床横向阻力。
参照图4，所述阻力测试组件包括由千斤顶33和两个第二位移传感器33组成的道床纵向阻力测试组件，以一末安装扣件系统24的轨枕22为测试轨枕，以相邻轨枕22为千斤顶33的反力座，千斤顶33前端分级加载于测试轨枕的纵向中点上。两个第二位移传感器33对称安装于测试轨枕的纵向两侧。参照图5，所述阻力测试组件包括由千斤顶33、第二位移传感器33和反力架34组成的道床横向阻力测试组件，以一末安装扣件系统24的轨枕22为测试轨枕，测试轨枕上固定安装可拆除反力架34，千斤顶33设置于反力架34与同侧钢轨23之间，千斤顶33前端分级加载于钢轨23上；第二位移传感器33安装于测试轨枕的另一侧纵向端面上。测试轨枕一般选择位于轨排中间轨枕。
参照图2，为避免加载横梁30发生位移，所述加载横梁30宜与两侧钢轨23焊接，加载系统作用于加载横梁30纵向中点的顶面上。所述加载系统为最大激振力为500kN、分辨率为500N的疲劳加载试验机。
参照图2至图4，本发明一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的试验方法，包括如下步骤：
①通过升降装置12将混凝土基座11顶面调节至试验坡度，在混凝土基座11顶面上构建原比例有砟道床系统；
②单根轨枕道床纵、横向阻力测试，其以一末安装扣件系统24的轨枕22为测试轨枕，通过道床纵向阻力测试组件和分级加载获得道床纵向阻力值，通过道床横向阻力测试组件和分级加载获得道床横向阻力值；
③安装测试轨枕的扣件系统24，在钢轨23上安装固定加载横梁30；
④疲劳加载，由加载系统通过加载横梁30对原比例有砟道床系统施加循环荷载，加载值为实际荷载，每加载一定次数，记录位移传感器32测量值，若轨排结构保持稳定，则进行下一组疲劳加载，测得各组疲劳加载情况下最下侧轨枕22的位移量；
⑤疲劳试验后单根轨枕道床纵、横向阻力测试，拆除测试轨枕扣件系统24，通过道床纵向阻力测试组件和分级加载获得道床纵向阻力值，通过道床横向阻力测试组件和分级加载获得道床横向阻力值；
⑥分析大坡道铁路有砟道床的长期稳定性。
参照图4，所述步骤②、步骤⑤中，首先安装道床纵向阻力测试组件，对测试轨枕进行分级加载，测得每级加载时测试轨枕的纵向位移量，对测量数据进行拟合得到轨枕纵向阻力拟合曲线，道床纵向阻力值取轨枕纵向位移量为2mm时对应的荷载。参照图5，在拆除道床纵向阻力测试组件后再安装道床横向阻力测试组件，对测试轨枕进行分级加载，测得每级加载时测试轨枕的横向位移量，对测量数据进行拟合得到轨枕横向阻力拟合曲线，道床横向阻力值取轨枕横向位移量为2mm时对应的荷载。
所述步骤④中，加载次数为500万次，加载值取列车一个转向架的总轴重。
本发明根据相关设计规范还提出了大坡道铁路有砟道床长期稳定性的评介准则，即所述步骤⑥中，如步骤④测得各组疲劳加载情况下最下侧轨枕22的位移量均小于2mm，且步骤②单根轨枕道床纵、横向阻力测试、步骤⑤疲劳试验后单根轨枕道床纵、横向阻力测试所获得的道床纵向阻力值、道床横向阻力值的变化小于15％，则该有砟道床在长期荷载作用下稳定性良好。
实施例：
坡度为30％的米轨铁路有砟道床长期稳定性试验，按如下步骤进行：
①通过升降装置12将混凝土基座11顶面调节至试验坡度(30％)，在混凝土基座11顶面上构建原比例有砟道床系统。
疲劳试验加载池10长4.8m，宽4.1m。按要求铺设轨道结构，其中，钢轨23采用50轨，轨距为1000mm。扣件系统24采用弹条I型扣件。轨枕22采用长度为2m的混凝土枕，轨枕间距为600mm，轨枕22的数量为6根。有砟道床21底面宽度为3.9m，枕下道床厚度为300mm，道床边坡为1:1.75，采用一级道砟填筑。
②单根轨枕道床纵、横向阻力测试。
对测试轨枕的道床纵向阻力值、道床横向阻力值进行测试，试验测得其道床纵向阻力值为14.2kN/枕，道床横向阻力值为12.3kN/枕。
③安装测试轨枕的扣件系统24，在钢轨23上安装固定加载横梁30。
④疲劳加载，由于列车转向架间距较大，本试验钢轨长度仅能容纳一个转向架。因此，疲劳加载值取一个转向架的总轴重，为24t。根据列车轴重情况，利用计算机控制疲劳试验机对轨道系统施加240kN～280kN的周期荷载，加载频率为(5±1)Hz。每组试验(一组加载次数定为为100万次)完成后读取并记录坡底处位移传感器32的位移读数，若轨排结构稳定，则进行下一组疲劳加载，直至总疲劳次数达到500万次。本试验5组疲劳加载试验后读取的最下侧轨枕22的位移量分别为0.33mm、0.59mm、0.82mm、1.02mm和1.21mm。
⑤疲劳试验后单根轨枕道床纵、横向阻力测试。
疲劳加载试验完成后，再次对测试轨枕的道床纵向阻力值、道床横向阻力值进行测试，试验测得其道床纵向阻力值为13.3kN/枕，道床横向阻力值11.9kN枕。
⑥大坡道铁路有砟道床长期稳定性分析
500万次疲劳加载试验完成后，轨枕与实验前相比产生了1.21mm，小于2mm，此时，需要比较道床阻力来评价有砟道床的稳定性。对比实验前后单根轨枕的道床纵阻力值、道床横向阻力值，发现循环加载500万次之后，道床纵阻力值、道床横向阻力值分别变化了6.3％和2.5％，均小于15％，因此，本试验所采用的有砟道床在长期荷载作用下的稳定性良好。
以上所述只是用图解说明本发明一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置与试验方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。
Claims (9)
1.一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置，其特征是包括：混凝土基座(11)，安装于疲劳试验加载池(10)内，疲劳试验加载池(10)的后侧设置将混凝土基座(11)顶面调节至试验坡度的升降装置(12)；原比例有砟道床系统，构建于混凝土基座(11)顶面上，由有砟道床(21)、轨枕(22)、钢轨(23)和扣件系统(24)；加载横梁(30)，固定安装在钢轨(23)上，与轨枕(22)相平行且其顶面为水平面；加载系统，作用于加载横梁(30)顶面上，对原比例有砟道床系统施加循环荷载；轨枕位移测量装置，包括测量支架(31)、位移传感器(32)，测量支架(31)固定安装在疲劳试验加载池(10)的前端，其上等距间隔设置用于测量最下侧轨枕(22)位移量的位移传感器(32)；道床阻力测试组件，用于测试道床纵向阻力或道床横向阻力。
2.如权利要求1所述的一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置，其特征是：所述阻力测试组件包括由千斤顶(33)和两个第二位移传感器(33)组成的道床纵向阻力测试组件，以一末安装扣件系统(24)的轨枕(22)为测试轨枕，以相邻轨枕(22)为千斤顶(33)的反力座，千斤顶(33)前端分级加载于测试轨枕的纵向中点上；两个第二位移传感器(33)对称安装于测试轨枕的纵向两侧。
3.如权利要求1所述的一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置，其特征是：所述阻力测试组件包括由千斤顶(33)、第二位移传感器(33)和反力架(34)组成的道床横向阻力测试组件，以一末安装扣件系统(24)的轨枕(22)为测试轨枕，测试轨枕上固定安装可拆除反力架(34)，千斤顶(33)设置于反力架(34)与同侧钢轨(23)之间，千斤顶(33)前端分级加载于钢轨(23)上；第二位移传感器(33)安装于测试轨枕的另一侧纵向端面上。
4.如权利要求1所述的一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置，其特征是：所述加载横梁(30)与两侧钢轨(23)焊接，加载系统作用于加载横梁(30)纵向中点的顶面上。
5.如权利要求1所述的一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置，其特征是：所述加载系统为最大激振力为500kN、分辨率为500N的疲劳加载试验机。
6.采用如权利要求1至5任意一项所述一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的试验方法，包括如下步骤：
①通过升降装置(12)将混凝土基座(11)顶面调节至试验坡度，在混凝土基座(11)顶面上构建原比例有砟道床系统；
②单根轨枕道床纵、横向阻力测试，其以一末安装扣件系统(24)的轨枕(22)为测试轨枕，通过道床纵向阻力测试组件和分级加载获得道床纵向阻力值，通过道床横向阻力测试组件和分级加载获得道床横向阻力值；
③安装测试轨枕的扣件系统(24)，在钢轨(23)上安装固定加载横梁(30)；
④疲劳加载，由加载系统通过加载横梁(30)对原比例有砟道床系统施加循环荷载，加载值为实际荷载，每加载一定次数，记录位移传感器(32)测量值，若轨排结构保持稳定，则进行下一组疲劳加载，测得各组疲劳加载情况下最下侧轨枕(22)的位移量；
⑤疲劳试验后单根轨枕道床纵、横向阻力测试，拆除测试轨枕扣件系统(24)，通过道床纵向阻力测试组件和分级加载获得道床纵向阻力值，通过道床横向阻力测试组件和分级加载获得道床横向阻力值；
⑥分析大坡道铁路有砟道床的长期稳定性。
7.如权利要求6所述一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的试验方法，其特征是：所述步骤②、步骤⑤中，首先安装道床纵向阻力测试组件，对测试轨枕进行分级加载，测得每级加载时测试轨枕的纵向位移量，对测量数据进行拟合得到轨枕纵向阻力拟合曲线，道床纵向阻力值取轨枕纵向位移量为2mm时对应的荷载；拆除道床纵向阻力测试组件后再安装道床横向阻力测试组件，对测试轨枕进行分级加载，测得每级加载时测试轨枕的横向位移量，对测量数据进行拟合得到轨枕横向阻力拟合曲线，道床横向阻力值取轨枕横向位移量为2mm时对应的荷载。
8.如权利要求6所述一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的试验方法，其特征是：所述步骤④中，加载次数为500万次，加载值取列车一个转向架的总轴重。
9.如权利要求6所述一种大坡道有砟道床长期稳定性试验装置的试验方法，其特征是：所述步骤⑥中，如步骤④测得各组疲劳加载情况下最下侧轨枕(22)的位移量均小于2mm，且步骤②单根轨枕道床纵、横向阻力测试、步骤⑤疲劳试验后单根轨枕道床纵、横向阻力测试所获得的道床纵向阻力值、道床横向阻力值的变化小于15％，则该有砟道床在长期荷载作用下稳定性良好。
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