道床阻力测定方法.pdf

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1、1 9 9 9年 8月 北方交通大学学报 c | 一 道床阻力测 试方法 的新探 讨乙 z 高 亮 谷 爱军 ( 北方 交通 天 军 王 工 疆 军两 1 U 【lo 4 4 ) 摘要通 过对 道 床受 力变 形 机理 的分 析 ， 考虑 道 床 的流 变力 学 特性 对 道 床阻 力 的 正 确测 试 具 有 重要 的意 义 在大 量 的模 型 和实 际轨 道道 床 阻力 的 试 验 基 础 上 ， 给 出 了道 床 流 变力 学 特性 对 道 床 阻力 测试结 果 的影 响规律 ， 指 出了常 用 测试 方法 的 欠 缺 之 处 ， 井就 实 际 轨道 的道 床 阻 力 的 正 确 测 试

2、 方 法进行 了研 究 关 键 词道 床阻 力 分 类号U2 1 3 9 流 变力 学特 性测 试方 法 迢 Di s c u s s i o n o n t he Ne w Te s t i ng M e t ho d o f Ba l l a s t Re s i s t a n c e G a o Li a ng ( C oH e G r i t Eng i n e e r ing柚 d Ar c hi t e c t u r e Gu A un No r t he m J ia o t o n g UMv e r ty， B ing 1 0 00 4 4) Ab s t r a c t

3、 By a n a l y z i n g t h e me c h a n i s m o f b a l l a s t d e f o r ma t i o n ，t h e a u t h o r c o n s i d e r e d i t i s i mp o r t a n t t O c o n s i d e r t h e i n fl u e n c e o f r h e o l o g y c h a r a c t e r i s t i c wh e n t e s t i n g t h e b a l l a s t r e s i s t a n c e

4、On t h e ha ms o f t h e l a r g e a mo u n t o f mo d e l e a l e u l a t i o n s a n d t h e p r a e r i e a l t est i n g o f b a l l a s t r e s i s t a n c e ，t h e i n f l u e n c e o f b a l l a s t r h e o l o g y c h a r a c t e r i s t i c o n t h e t est i n g o f b a l l a s t r e s i s

5、t a n c e r e s u l t s we r e g i v e nTh e d e f i c i e n c y o f e x i s t i n g r e s i s t a n c e t e s t i n g me t h o d we r e po i n t e d o u t ，a n d t h e p r o p e r t e s t i n g me t h od o f b a l l a s t r e s i s t a n c e a r e d i s c u s s e d a l s o Ke y wo r d s b a l l a s

6、 t r e s i s t a n c e r h e o l o g y c h ara c t e r i s t i c t e s t i n g me t h o d 道床 阻力 是指 道床抵抗轨道框 架在道 床平面上 移 动时产 生的阻力依据道 床移动 的方 向 可分 为纵 向道 床阻力和横 向道 床阻力 道 床纵 向阻力是道床抵抗钢轨伸缩 、 防止线路 爬行 的重 要参数 横 向道床阻力 是保持轨道稳 定、 防止无缝线 路胀 轨跑道 的重要 因素 道 床阻力 的 大小 直接影 响到 无缝 线路理论研 究与计 算公式的正确性和计算结 果的精度 ， 尤其 是在列车提速 、 发 展跨

7、 区间无缝线 路的要求下 ， 道床阻力测试结 果的准确 性 尤为重要 因此 ， 研 究道 床 的受 力变 形机理 ， 正确测试道床 阻力值成为无缝线路正 常使 用和进一步发展 的重要 问题 1 道床流变 力学特性的引人 流变性是物体所 具有 的流 动和 变形 的力学性 质 ， 它介于弹性 、 塑性 之间， 又在一定程度上 本文收到 日期 1 9 9 8 1 2 0 8 高亮 男 1 9 6 8 年生 博士后e m a i Id x b c e n t e r n 】 e d u c 维普资讯 q 2 北方交通大学学报 第 2 3卷 表现有 弹塑性 的性质 具有 流变性 质 的物 体， 一般 受

8、到粘 性效 应的 影响 ， 其 力学性 质是 随时 间 而变化 的， 时 间效应较 显著 流 变性 与单纯 的弹 塑性 变形 存 在着本 质 的不 同， 采用经 典 力学理 论如 弹性理 论 、 塑性理论都 不能较好地解 释流变 问题 事实上 ， 很 多物体都具有流变变 形特征， 只是表 现的 明显程度不 同 1 1 道床受 力变形机理分 析 道 床作 为一种散体结构 ， 其 阻力是 由颗粒层 内间 隙结 构变 化， 层 间逐步错 动滑移 、 颗 粒 的 重 新排 列而产生 的 道 床的受力变形特性 是与众多的 因素相关 的， 如道 床肩 宽、 堆高 、 道碴种类 及尺寸 、 道床 的密 实度

9、 、 含 水量、 有 否翻浆 冒泥、 道床与轨 枕的 咬合 与密贴程度及 线路维修作业 状况等 对于正 在使用 的线路， 随着线路通过重量增 加及 列车速 度提 高 ， 道床 的颗粒 间破 碎程 度变大 、 含水量提高和侵入 的外部脏物逐渐积 累 致使道 床骨 架 间的空 隙被堵 塞 导 致道 床颗 粒 间吸附水对临近胶体粒子相对 滑移、 颗 粒与颗粒 间 咬合 与摩擦 、 颗 粒 间滑移量 与滑 移速 率 、 颗粒与轨枕 间的密贴咬合程度、 层 间错动阻力、 脏物成份引起 的胶着力等影响阻力大小的因 素 ， 在力学行 为上 呈现 出较 强的粘滞性 道床阻力与 位移关 系 中存在 的这一粘滞性

10、 正是道 床流 变力学特性 的重要表现 因此， 道床阻力除表现为大家所熟知的弹性 、 塑性外， 还表现有明显的 流变 力学特性 1 2 道床流变 力学特 性的研究现状 就 轨排道床 系统 而言 ， 国内外铁路工 作者在实际工作 中， 都在不 同程度 上发 现了道床阻力 与 位移的流变力学特性 如 道床 阻力在卸 载时所得到的阻力与位 移关 系 曲线 中， 位移中存在着 一 定 的弹性 滞后及残余变 形的累积 问题( 见图 1 ) ； 密实度会导 致遭 床阻力 出现一定的粘性 “ 软 化” 问题 ( 见 图 2 ) 等另外 ， 英国 DE RB Y铁路技 术 中心的实验研 究表 明_ 2 J ，

11、 道床粘性 阻 尼的 大 小和 形式对确定动静荷 载作用下轨道平面变 形具有重 要 意义 原苏联 发现 了遭床 流变 现象 的存在 ， 并对道床 的流 变进 行 了大量 的研 究工作 _ 3 J 国际铁 路研究 实验 所 ( OR E) 也曾报道 J ： 当对一 静止在轨道上 的车 轮施加 固定不变 的荷 载时， 轨道 的横 向位移将 随荷 载作用 时 间的增 加而增 加 ， 经过一 定时 间后 才开 始稳 定等等都说 明了道床流变 的存 在性 道 床的流变 力学特性 正 在得 到越来越 多的铁路 工作者的关注 但是， 就对此 问题 的研究而 言 ， 除原 苏联作 过一 定 的 研 究外 ，

12、其余 各国均缺 乏深 入 的探 讨 尤 其在道 床的流 变性对 道 床阻 力测定结 果 的 影响 问题 上， 尚无 系统 的研究 但是 ， 这正是 正确测定遭床阻力大小 的关键 阻 图 1 道 床阻 力 与残 余变 形 的关 系 圈 2 道 床 密实 度对 阻力 与位 移的 影响 2道床阻力流变力学特性的实验研究 为 了进一 步确定道床的流变力学特性 ， 以及道床 在考 虑流变 力学 特性 时阻力 与位 移的变 化过程及规律 ， 从而给 出正 确的道 床阻力的测试方法 ， 在模 型轨道 1 4 和实际轨 道上 就道 床 的 流变力 学特 陛分别进行了大量的试验 实验表明 ， 模 型轨道和 实际

13、轨道 具有相似 的流变力学现 维普资讯 第 4期 高亮 等： 道床 阻 力测 试方 法 的新 探讨 象和 规律 ， 具体表 现为 ： ( 1 ) 每级荷 载加上轨 道后， 位移并非一次到 位， 有一个 时 间滞后 问题 当加 载为 恒载 时 位 移是 随着时间的增长而变大 ， 但并非无限增大 ， 一 定时间后 渐趋 于稳定位 移值 ( 见 图 3 )而 且， 荷载越大 ， 位移趋于 稳定数值 的时间越长 ； 道床越脏 污， 在加载量 相 同时其位 移趋 于稳 定的 时 间也越 长 ( 2 ) 卸载时 ， 阻力 、 位 移曲线呈下 凹形状 ， 位移既非完全 恢复 、 亦非毫无恢复 同时， 卸 载

14、时， 也存 在位 移滞 后问题， 位 移恢 复到稳定值有一个 时 间过 程 ( 3 ) 加载速 率不 同， 道床位 移量及达 到稳定的时 间也 不同 ( 见图 4 ) 位穆 荷载 伊移 时 间 围 3 加 载为 恒载 时位 移 圉 4 不 同加 载速 率下 荷 载、 位 移 与时 间 的关 系 与 时 间的 关 系 ( 4 ) 密实道 床的“ 峰值软化” 现象是 存 在的， 结果 与 图 2相 近 通 过 实验还发 现 ， 随着 密实 度的增大 ， 道床 阻力的粘性 “ 软化” 点对 应的位移逐渐减小 同时还发现在 同一 加载情况 下， 密 实道 床的位移趋于稳 定值 的时间较松散道床趋于 稳

15、定值 所需的 时间要长 从 以上的实验结果可 以很清 楚地看 出， 道 床阻 力、 位 移与 时 间有 关 加载后 位 移有个 时间 滞后过程 ， 加载 的快慢 、 道床 的密实状 况等对道床 阻力的大 小有一 定的影 响 同时， 道 床卸载后 既有弹性 的恢 复量 ， 也有塑性 的残余变形 ， 而且还有一 定的与时 间相关的粘滞性位 移 因此 道 床是具有 流变 力学特性 的结构 ， 流变的存在 不仅 会影响道床阻力 的最后测试结 果， 也会 影响其 测试方式和测试过 程 而过去 在进 行道 床阻 力实验 时， 对 流变 力学特性 的 存在没 能引起 重视 因此有必要对 常用 的道 床阻力测

16、试方 法和结果的正确性作 一定的论 证 3 常用的道床阻力测试方法及测试结果 的评价 常用 的测试方 法分 为轨道框架测 定法和单根轨 枕测 定法 由于 现场实验 和运 营条 件的 限 制， 在我国多采用后者进行道床阻 力测 试 单根轨枕测 定法 是 在保 证道 床 不被 破坏 的前提 下， 把中 间扣件除掉 ， 使轨枕脱离钢轨 ， 再 用千 斤顶在轨枕 一侧 均 匀加力 ， 使轨枕 相对 钢轨 产生纵 向或横 向的移动 ( 见 图 5 ) ， 并在 加力的 同时读 出力( 由应变仪读 数换算 ) 和 位移值 ( 由百分 表读 出) ， 测定出道床阻 力与 位移的关 系 由此可知 ， 在测定道

17、床阻力时 采用 的是边加力边读数 的方 法进 行的， 即在加力的瞬 时人 为 读 出位移量， 视 瞬时的位移对应瞬 时阻 力值 实验 中只要 求 加力 时尽量不 造成 冲击 没有 注 意 加力的快慢、 加力的时间间隔及位移的滞后等问题 下面将从道床流变 力学 特性 的角度 ， 就常用测试 方 法的 实验结 果、 实验过程 、 和 实验设 备 来 对此方法的优劣进行评价 由于位移的滞后， 对 于同 一加 载值 下 ， 道床 阻力对 应 的 实际位 移 比现测 定所 得 的位 移要 大 ； 在相 同的位移 下， 实际道床阻 力值 较测 定的结果要 小( 见 图 6 ) 因此， 采用加 力的 同时测

18、 定 位 移的方法， 其结果是 不准确的， 这将 对无缝线路理论 的研究造成一定的隐患 维普资讯 北方交通大学学报 第 2 3卷 a ) 测横 向时 图 5 道 床阻 力 实验 图示 同时，由于道床 的流变性 ， 加载的 快慢 会 影 响道 床阻 力 的大小 ( 见图 4 ) ， 位移与加载过 程相 比是滞 后的 在加载到 同 一 荷载值 时， 加载速率较 快 时 的道 床位 移较 加载速 率 慢 时的 对应值 小 因此， 不考 虑 加载速 度的 影响 ， 其 所测得 的 阻力 与 位移关 系也是 不准确 的 另外 ， 尽管 该方 法 设备 简 单， 但 是 由于 道床 流变 性 的存 在，

19、该方法 所采用的一端 推 的方法 在密 实道床 阻力 发 生粘滞 “ 软化 ” 时， 很难控制加 载大 小 的变 化因此， 上 述 实验 设 备很 难用来测定道床 密实度与阻力 、 位移 的关 系 b ) 测纵 同时 阻力 常用方法的测定结 果 的 结 果 。 位 移 图 6常 用测 定方 法所 得的结 果 与真 实值 间 的差异 总之 ， 常用的道床阻 力测试方法及结果存 在着 一定的误 差和不足 需要 作一定的改进 4正确测定道床阻力的方法及改进措施 4 1 通过 控制 加载的过程来 测定一般道床阻 力的大小 鉴于常用方法 的实验 设备 较 为简单 ， 因此 当忽 略道床 密实 度影 响进

20、行 一般道 床阻力 的测 试时， 可以简单地采用 图 5的加 力方式通过控制加 载过程 来测 定 出较 真实 的道床 阻力与 位 移 关系 方法 如下 ： 由室 内轨道 的实验知 ， 由于某一荷载下轨枕移 动趋 于稳定位移的时 间有一定限度 ， 并非无 限长( 如图 3 )所 以， 在 位移基本稳 定时测出的道床位移就 比较接 近该 荷载 下长时间加载 的位 移 另外， 由于加力大 小与 达到稳定 位移的时间呈非线性递增 的关 系 因此， 可以采用预先标定 加力大小和达到基本稳定位 移( 如 位移改变量小于 0 O 1 mm mi ) 所需 时间的关系 ， 然后 再依 照这种标定结果作为控制条

21、件 进行 实验 建议采用 图 5的加 载方式 ， 采用分 级 加载， 每级加 载 的过 程可快些 ( 只要 不造成冲击 即可) ， 但是每级加 载 间隔 的时 间需依 照预 先标定 的力和 时 间 关系( 可以插值 ) 来控制 ， 在下 一级 加载前读出位移值 另外， 在每级加载时间间隔 内， 应依照应 变仪 的读数尽量控制 千斤顶 的加力大小 为定 值 通过 以上方法 ， 就可 以利用传统 的测试设 备 比 较容易地测定 出真实 的一般道 床的阻力 、 位移关系 4 2 采 用计算 机 自动采集数据 的方法测定密实道床的阻 力与位移关 系 道床的密实度对 阻力与位 移的影响也是道床 阻力测

22、试 的一个重 要 内容 由于 过去铁路 工 作人员认为密实道床 “ 峰值软化” 点的位 移过 大可以不考 虑 ， 而通 常采 用的实验 方法 又不再 适 用于该测试 ， 所以在我 国较少进行 这方 面的实验 但是， 由前面 的介绍可知， 密实道床 的力学特 性 与一般道床的力学性质 是有 一定的差 异， 而且随着道床密实度 的增 大 密 实道 床的峰值 软化 点对 应的位移也逐渐减小 、 所 以， 对 于铺 设较久 、 运营时 间较 长的繁忙 干线， 采用合适 的实验方 案测定出密实道床下的道床阻 力值 ， 具 有一定的现实意义 一 维普资讯 第 4期 高亮 等 ： 道 床 阻力 测试 方 法

23、的 新探 讨 9 5 鉴于传统的实验工 具很 难进 行此项实验 ， 因此应重新进行 实验方法的设计 ， 为了避免测定 不出最大的道床阻力值 及对 应的位移， 建议 采用计算机 自动记录位 移 、 加力 的大 小和时间来进 行 实验 ， 见 图 7 ( 以横 向道床 阻力 实验 为例， 纵 向道 床 阻力 实验可 同理进行 )图 7中是 采用缓 慢 的加载方式 、 通过 百分表 的读数来控制 加载量进行 实验 的 采 用这种 加载方 式， 可 以精 确地 给出任一时间下遭床 阻力与位移的对应关 系 因 此 通 过该 实验 ， 可 以较 容易地得 到道 床阻 力 峰值软化点、 峰值软化前后的道床阻

24、力与位移的精确情况 同时， 图 7也可 以用来测定一般道 床的阻力与 位移情 况 但 由于该 方法较 为复 杂， 因此对 于一般道床， 建议仍采用传统的实验方法为宜 圈 7 测定道床密实度对道床阻力影响的实验图示 因此 ， 针对 不同的道 床情 况， 采 用上 述的实验方法就可 以正确地测 定出道床阻力 与位 移的 关系 ， 为深入进行 无缝 线路理论研 究提供正 确的计算参数 5 结束语 总之， 只有正确的测定道床阻力 的大 小， 才能合理地分析 无缝 线路稳定 、 爬行 、 无缝道 岔的 受力情况等 问题 使 无缝 线路设计理论和 养护 维修 方法趋 于完善 ， 制定出更加合理 的养护维修

25、 标准 ， 并 为高 速、 重载铁路 的发展提供正确的理论指导 参考文献 高亮 无缝线路流变理论的研究： 学位论文 成都： 西南交通大学 1 9 9 3 【 美 科 尔主编轨道 力学 及轨遭 工程 北京 ； 中 国铁道 出版社 1 9 8 4 N v a k o v ic hV I Th e Rh l 曜y o f J o i a t l Tr ek Ra i 【 I n t e n t io n a 1 1 9 8 8 1 9 ( 1 1 ) ： 3 5 4 1 高亮 黄时寿 无缝线路模型轨道的流变特性实验 西南交通大学学报 1 9 9 6 ， 3 1 ( 1 ) ： 5 2 -5 7 ( 责任编辑王尚韵) 维普资讯