一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法

摘要

一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法。首先测定基床表层级配碎石的渗透系数kg，确定线路所在地1年一遇条件下降雨强度与降雨历时的关系式I(t)；然后，根据无砟轨道结构尺寸和混凝土温度变化幅值，获得底座结构缝渗水裂隙宽度，在此基础上算得渗水裂隙降雨汇水流量和渗流通水量，确定离缝区域路基面等效降雨强度Ieff(t)和降雨强度比F(t)；最后，计算路基面离缝积水持续时间td和形成翻浆的积水持续时间阈值t0，并对比两者大小来实现基床翻浆现象的判定。该方法原理明确、操作简便，判别结果准确，能为不同气候地区无砟轨道铁路路基结构的设计和翻浆病害的预防、治理提供依据。

权利要求

1.一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法，其步骤依次是：A、基床表层级配碎石渗透系数的测定

根据常水头渗透试验，测得用于线路基床表层填筑的级配碎石在设计干密度下的渗透系数kg；

B、确定线路所在地区的降雨强度

查询水文气象资料，获得线路所在地区1年一遇条件下的降雨强度I和降雨历时t的关系式I(t)；

C、底座单元板渗水裂隙宽度的计算

根据无砟轨道单元板底座的长L1、宽B1，路肩与线间单侧的混凝土封闭层水平宽度均值B2，计算出路基面离缝区域的底座伸缩缝渗水裂隙J1的宽度b1，b1＝α1·ΔT·L1；同时，计算出侧缝渗水裂隙J2的宽度b2，b2＝0.5α1ΔT(B1+B2)；其中，α1为混凝土线膨胀系数，ΔT为1年中因气温改变引起的底座混凝土温度变化范围，其取值为15℃；

D、离缝区域路基面等效降雨强度的确定

D1、由下式得出伸缩缝渗水裂隙J1的降雨汇水流量与降雨历时t的关系式Qc,1(t)，由下式得出侧缝渗水裂隙J2的降雨汇水流量与降雨历时t的关系式Qc,2(t)Qc,2(t)＝0.125B1(4l2-B1)·I(t)式中：l2为侧缝渗水裂隙的长度，取值为2.5m；

D2、渗水裂隙渗流通水量的确定

算出伸缩缝裂渗水裂隙J1的竖向自由下渗雷诺数Re1， 其中g为重力加速度，g＝9.8m/s2；η为水的运动黏滞系数，η＝1.007×10-6m2/s；

再计算伸缩缝渗水裂隙J1的渗流通水量Qf,1：其中，l1为伸缩缝渗水裂隙的长度，且l1＝B1；

计算侧缝渗水裂隙J2的竖向自由下渗雷诺数Re2，再计算侧缝渗水裂隙J2的渗流通水量Qf,2：D3、离缝区域路基面等效降雨强度的确定

由下式得出路基面的等效降雨强度Ieff(t)：式中，min{·}取最小值运算，A为离缝区域路基面的面积，A＝l1×2l2；；

E、基床翻浆判别

E1、由下式得出路基面降雨强度比与降雨历时的关系式F(t)，算出F(t)>1的降雨历时t区间[t1,t2]，进而得出1年一遇的路基面离缝积水持续时间td，td＝t2-t1；

E2、基床翻浆判别：当1年一遇的路基面离缝积水持续时间td大于等于基床翻浆所需的离缝积水持续时间阈值t0时，判定基床翻浆发生；否则，判定基床翻浆不发生。

2.如权利要求1所述的一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法，其特征是：所述步骤E中的积水持续时间阈值t0，由下式确定：式中：Lq为列车全长，v为所在线路列车设计速度，tz为所在线路列车追踪时间，n为所在线路列车编组车辆数；Nmin为路基面离缝积水条件下出现基床翻浆所需的荷载作用次数，取值为400。

说明书

一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法。

背景技术

[0002] 无砟轨道基床翻浆是近年来多雨地区高速铁路路基出现的一种新的病害形式。其形成原因是：在线路运营期间，无砟轨道底座单元板的端部附近路基面受力集中，由此产生较大的不均匀沉降，造成路基面与底座单元板的底面脱离，形成离缝；同时，当混凝土受温度应力作用产生收缩变形，又会引起底座结构缝(即底座单元板之间的横向伸缩缝、底座单元板侧面与路基封闭层间的侧缝)内填充材料开裂；在降雨过程中雨水容易自伸缩缝和附近侧缝的裂隙进入路基面离缝处。若基床表层级配碎石的透水性与进入离缝的水流速度不匹配，将引起雨水局部聚积填充在路基面离缝处形成积水。列车通过时，列车的荷载作用使离缝处底座单元板与路基面发生相向运动，积水体积压缩，离缝处的细小颗粒与水以泥浆的形式被挤出路基，形成基床翻浆现象。基床翻浆使离缝体积增大，导致基床翻浆程度不断加剧。

[0003] 基床翻浆病害降低了路基对轨道结构的支承刚度，导致轨道结构的振动响应显著提高，个别严重部位甚至造成底座局部脱空和下沉，影响轨道结构的几何平顺性和长期稳定性。

[0004] 因此，急需单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法，为不同气候地区无砟轨道铁路路基结构的设计和翻浆病害的预防、治理提供依据。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法，该方法原理明确、操作简便，判别结果准确，能为不同气候地区无砟轨道铁路路基结构的设计和翻浆病害的预防、治理提供依据。

[0006] 本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法，其步骤依次是：

[0007] A、基床表层级配碎石渗透系数的测定

[0008] 根据常水头渗透试验，测得用于线路基床表层填筑的级配碎石在设计干密度下的渗透系数kg；

[0009] B、确定线路所在地区的降雨强度

[0010] 查询水文气象资料，获得线路所在地区1年一遇条件下的降雨强度I和降雨历时t的关系式I(t)；

[0011] C、底座单元板渗水裂隙宽度的计算

[0012] 根据无砟轨道单元板底座的长L1、宽B1，路肩与线间单侧的混凝土封闭层水平宽度均值B2，计算出路基面离缝区域的底座伸缩缝渗水裂隙J1的宽度b1，b1＝α1·ΔT·L1；同时，计算出侧缝渗水裂隙J2的宽度b2，b2＝0.5α1ΔT(B1+B2)；其中，α1为混凝土线膨胀系数，ΔT为1年中因气温改变引起的底座混凝土温度变化范围，其取值为15℃；

[0013] D、离缝区域路基面等效降雨强度的确定

[0014] D1、由下式得出伸缩缝渗水裂隙J1的降雨汇水流量与降雨历时t的关系式Qc,1(t)，[0015]

[0016] 由下式得出侧缝渗水裂隙J2的降雨汇水流量与降雨历时t的关系式Qc,2(t)[0017] Qc,2(t)＝0.125B1(4l2-B1)·I(t)

[0018] 式中：l2为侧缝渗水裂隙的长度，取值为2.5m；

[0019] D2、渗水裂隙渗流通水量的确定

[0020] 算出伸缩缝裂渗水裂隙J1的竖向自由下渗雷诺数Re1， 其中g为重力加速度，g＝9.8m/s2；η为水的运动黏滞系数，η＝1.007×10-6m2/s；

[0021] 再计算伸缩缝渗水裂隙J1的渗流通水量Qf,1：

[0022]

[0023] 计算侧缝渗水裂隙J2的竖向自由下渗雷诺数Re2，

[0024] 再计算侧缝渗水裂隙J2的渗流通水量Qf,2：

[0025]

[0026] D3、离缝区域路基面等效降雨强度的确定

[0027] 由下式得出路基面的等效降雨强度Ieff(t)：

[0028]

[0029] 式中，min{●}取最小值运算，A为离缝区域路基面的面积，A＝l1×2l2；；

[0030] E、基床翻浆判别

[0031] E1、由下式得出路基面降雨强度比与降雨历时的关系式F(t)，

[0032]

[0033] 算出F(t)>1的降雨历时t区间[t1,t2]，进而得出1年一遇的路基面离缝积水持续时间td，td＝t2-t1；

[0034] E2、基床翻浆判别：当1年一遇的路基面离缝积水持续时间td大于等于基床翻浆所需的离缝积水持续时间阈值t0时，判定基床翻浆发生；否则，判定基床翻浆不发生。

[0035] 进一步，本发明的积水持续时间阈值t0，由下式确定：

[0036]

[0037] 式中：Lq为列车全长，v为所在线路列车设计速度，tz为所在线路列车追踪时间，n为所在线路列车编组车辆数；Nmin为路基面离缝积水条件下出现基床翻浆所需的荷载作用次数，取值为400。

[0038] 本发明方法的原理参见附图1：轨道结构特征决定了单元板式无砟轨道底座端部范围路基面离缝普遍存在。考虑底座下路基土体的入渗特性主要受基床表层填料决定，在降雨过程中若进入路基面离缝区域O1O2O3O4的供水流量大于基床表层级配碎石的下渗量，离缝空间将产生积水。在线路运营期间，长时间的离缝积水会受到多次列车荷载作用，进而容易引发基床翻浆。因此，可根据离缝积水时间的长短对无砟轨道基床翻浆进行判定。

[0039] 根据Mein-Larson降雨入渗理论，在降雨过程中t时刻土体表面恰好积水所需的临界降雨强度Ic为

[0040]

[0041] 式中：k为土体的渗透系数；θs为土体的饱和含水率；θi为土体的初始含水率；Hi为湿润峰处基质吸力水头。

[0042] 对于广泛构筑无砟轨道基床表层的级配碎石填料而言，通常不考虑土体基质吸力水头Hi，路基面积水临界降雨强度Ic等于级配碎石的渗透系数kg。

[0043] 降雨过程中底座裂隙渗水流量与自身的降雨汇水以及渗透性相关联：

[0044] (1)裂隙降雨汇水流量

[0045] 混凝土受到温度应力作用会产生收缩，容易造成底座结构缝中填充材料裂隙沿整个结构缝长度方向出现。对无砟轨道底座混凝土温度进行现场测试发现，其年温度变化范围ΔT＝15℃，由此可根据底座尺寸和混凝土线膨胀系数计算裂隙宽度。

[0046] 设底座尺寸(长×宽)为L1×B1，则由图1可知，进入路基面离缝区域O1O2O3O4的雨水，只能来自于离缝区域内的底座横向伸缩缝填充材料裂隙(伸缩缝渗水裂隙J1)，以及与区域边界重叠的侧缝填充材料裂隙(侧缝渗水裂隙J2)，而与此区域以外的裂隙无关。其中，伸缩缝渗水裂隙J1的长度l1等于整个底座宽度B1，侧缝渗水裂隙J2长度在调查中发现通常为2.5m(即l2＝2.5m)。降落雨水主要在轨道板及其两侧底座表面流动，假定汇水面雨水仅向直线距离最近的底座边缘流动，则伸缩缝渗水裂隙J1的汇水区域是以底座伸缩缝为其中一条对角线的正方形O5O6O8O9，侧缝渗水裂隙J2汇水面积为O1O5O6O7。

[0047] 降雨期间忽略雨水在汇水面上的径流时间，某时刻t进入裂隙的汇水流量为汇水面积与该时刻的降雨强度I(t)的乘积，即：

[0048]

[0049] Qc，2(t)＝0.125B1(4l2-B1)·I(t)  (3)

[0050] 式中：Qc,1(t)为t时刻伸缩缝渗水裂隙J1的降雨汇水流量；Qc,2(t)为t时刻侧缝渗水裂隙J2的降雨汇水流量。

[0051] (2)裂隙渗流通水量

[0052] 水在裂隙中的渗流随流动形态表现出不同的运动特性，通常以雷诺数Re将裂隙中水的运动区分为层流和紊流。不同渗流运动状态的裂隙存在不同的过水能力即通水量Qf，在一定水力坡降J下裂隙的过水流量均不会超过相应的Qf，Qf的计算公式为：

[0053]

[0054] 式中：g为重力加速度，通常取9.8m/s2；η为水的运动黏滞系数，通常取1.007×10-6 2 3 2
m/s；l为裂隙的长度；b为裂隙宽度；Re为雷诺数，Re＝gb/6η。

[0055] 设轨道结构底座裂隙渗水流量为Qin，则某降雨历时t的Qin(t)取决于该时刻裂隙降雨汇水流量和通水量中的较小值。假定自底座伸缩缝渗水裂隙J1和侧缝渗水裂隙J2渗入的水量在离缝区域路基面均匀竖直下渗，定义裂隙渗水总流量与离缝区域路基面面积之比为路基面等效降雨强度Ieff，则t时刻的Ieff的表达式为：

[0056]

[0057] 式中：Qin1(t)和Qin2(t)分别为t时刻伸缩缝渗水裂隙J1和侧缝渗水裂隙J2的渗水流量；Qf,1和Qf,2分别为伸缩缝渗水裂隙J1和侧缝渗水裂隙J2的通水量；A为离缝区域路基面的面积，A＝2l2×l1。

[0058] 当Ieff大于相应的级配碎石饱和渗透系数kg，表明路基面供水条件超过填料的入渗能力，路基面离缝位置将会形成积水。因此，以1年一遇的常遇降雨条件下任意降雨历时t所对应的Ieff(t)与kg之比F(t)，作为该时刻路基面离缝积水的判据：

[0059]

[0060] 式中：F(t)为路基面降雨强度比，F(t)>1表面离缝产生积水。

[0061] 设F(t)>1的降雨历时区间为[t1,t2](其中0≤t1≤t2<+∞)，则路基面离缝的积水持续时间td为：

[0062] td＝t2-t1  (7)

[0063] 无砟轨道基床室内翻浆模拟试验发现，基床表层级配碎石形成翻浆的最小荷载作用次数Nmin＝400次。则在线路运营期间，路基面积水离缝位置过轴次数到达Nmin进而开始形成翻浆所需的时间，即积水持续时间阈值t0为：

[0064]

[0065] 式中：Lq为列车全长；v为列车速度；tz为列车追踪时间；n为列车编组车辆数。

[0066] 当td>t0时表明路基面在离缝积水状态下承受的列车荷载作用次数超过Nmin，将会引起无砟轨道基床翻浆；反之，表明路基面在离缝积水状态下承受的列车荷载作用次数小于Nmin，不会出现翻浆现象。

[0067] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0068] 根据无砟轨道结构底座裂隙渗水流量换算而来的路基面等效降雨强度，结合路基面积水临界雨强，并以路基面离缝积水时间作为依据所提出的翻浆判别方法，找出了不同地区不同降雨条件、不同级配碎石渗透系数与发生基床翻浆病害的关系，从而为特定降雨条件下的单元板式无砟轨道的抗翻浆设计提供可靠的判别依据。

[0069] 试用证明，本发明方法的判别结果，与现场线路翻浆状况一致。

[0070] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

[0071] 图1为本发明方法确定无砟轨道底座单元板结构缝降雨汇水面积的平面示意图。

[0072] 图2为本发明方法实施例中沪宁高铁路基面降雨强度比与降雨历时的关系曲线。

具体实施方式

[0073] 实施例

[0074] 本发明的一种具体实施方式是，一种单元板式无砟轨道铁路基床翻浆判别方法，其步骤依次是：

[0075] A、基床表层级配碎石渗透系数的测定

[0076] 根据常水头渗透试验，测得用于线路基床表层填筑的级配碎石在设计干密度下的渗透系数kg；

[0077] B、确定线路所在地区的降雨强度

[0078] 查询水文气象资料，获得线路所在地区1年一遇条件下的降雨强度I和降雨历时t的关系式I(t)；

[0079] C、底座单元板渗水裂隙宽度的计算

[0080] 根据无砟轨道单元板底座的长L1、宽B1，路肩与线间单侧的混凝土封闭层水平宽度均值B2，计算出路基面离缝区域的底座伸缩缝渗水裂隙J1的宽度b1，b1＝α1·ΔT·L1；同时，计算出侧缝渗水裂隙J2的宽度b2，b2＝0.5α1ΔT(B1+B2)；其中，α1为混凝土线膨胀系数，ΔT为1年中因气温改变引起的底座混凝土温度变化范围，其取值为15℃；

[0081] D、离缝区域路基面等效降雨强度的确定

[0082] D1、由下式得出伸缩缝渗水裂隙J1的降雨汇水流量与降雨历时t的关系式Qc,1(t)，[0083]

[0084] 由下式得出侧缝渗水裂隙J2的降雨汇水流量与降雨历时t的关系式Qc,2(t)[0085] Qc,2(t)＝0.125B1(4l2-B1)·I(t)

[0086] 式中：l2为侧缝渗水裂隙的长度，取值为2.5m；

[0087] D2、渗水裂隙渗流通水量的确定

[0088] 算出伸缩缝裂渗水裂隙J1的竖向自由下渗雷诺数Re1， 其中g为重力加速度，g＝9.8m/s2；η为水的运动黏滞系数，η＝1.007×10-6m2/s；

[0089] 再计算伸缩缝渗水裂隙J1的渗流通水量Qf,1：

[0090]

[0091] 计算侧缝渗水裂隙J2的竖向自由下渗雷诺数Re2，

[0092] 再计算侧缝渗水裂隙J2的渗流通水量Qf,2：

[0093]

[0094] D3、离缝区域路基面等效降雨强度的确定

[0095] 由下式得出路基面的等效降雨强度Ieff(t)：

[0096]

[0097] 式中，min{●}取最小值运算，A为离缝区域路基面的面积，A＝l1×2l2；；

[0098] E、基床翻浆判别

[0099] E1、由下式得出路基面降雨强度比与降雨历时的关系式F(t)，

[0100]

[0101] 算出F(t)>1的降雨历时t区间[t1,t2]，进而得出1年一遇的路基面离缝积水持续时间td，td＝t2-t1；

[0102] E2、基床翻浆判别：当1年一遇的路基面离缝积水持续时间td大于等于基床翻浆所需的离缝积水持续时间阈值t0时，判定基床翻浆发生；否则，判定基床翻浆不发生。

[0103] 本例的积水持续时间阈值t0，由下式确定：

[0104]

[0105] 式中：Lq为列车全长，v为所在线路列车设计速度，tz为所在线路列车追踪时间，n为所在线路列车编组车辆数；Nmin为路基面离缝积水条件下出现基床翻浆所需的荷载作用次数，取值为400。

[0106] 下面给出采用以上方法对沪宁高铁进行基床翻浆判定的过程与结果。

[0107] A、基床表层级配碎石渗透系数的测定

[0108] 采用常水头渗透试验，测得用于构筑沪宁高铁基床表层的级配碎石填料渗透系数kg＝7.02×10-4cm/s。

[0109] B、确定线路所在地区的降雨强度

[0110] 以上海地区统计得到的1年一遇的降雨强度I(单位：mm/min)和降雨历时t(单位：min)的关系式作为沪宁高铁沿线降雨强度，即：

[0111]

[0112] C、底座单元板渗水裂隙宽度

[0113] 沪宁高铁广泛铺设CRTS-Ⅰ型单元板式无砟轨道结构，可知底座尺寸L1＝20×103mm、宽度B1＝3000mm，路肩与线间单侧的混凝土封闭层水平宽度均值B2为2000mm，计算伸缩缝渗水裂隙J1的宽度b1＝3.0mm、侧缝渗水裂隙J2的宽度b2＝0.54mm。

[0114] D、离缝区域路基面等效降雨强度

[0115] 取l1＝B1＝3000mm、l2＝2500m，则伸缩缝渗水裂隙J1和侧缝渗水裂隙J2的降雨汇水流量与t的关系分别为：

[0116]

[0117]

[0118] 同时，伸缩缝渗水裂隙J1和侧缝渗水裂隙J2的渗流通水量分别Qf,1＝9.64×8 3 7 3
10mm/min、Qf,2＝1.92×10mm/min。分析可知，在t>0的整个降雨过程中，裂隙J1和J2的降雨汇水流量均小于各自的渗流通水量。故在A＝15×106mm2的离缝区域路基面上，其等效降雨强度为：

[0119]

[0120] E、基床翻浆判别

[0121] 结合Ieff(t)和kg，可得到任意降雨历时t下的路基面降雨强度比为：

[0122]

[0123] 则计算出F(t)>1的降雨历时区间为[0,112]，相应的路基面离缝积水持续时间td＝112min。沪宁高铁列车运营速度v＝300km/h，运营列车为8辆编组，列车全长201.4m，同一方向列车间追踪时间tz＝4min。因此，离缝积水时间阈值为：

[0124]

[0125] td为t0的2.4倍，表明在1年一遇的降雨条件下，沪宁高铁无砟轨道路基将会出现基床翻浆病害。判定结果与现场翻浆调查结果一致，说明本发明方法能够取得可靠的基床翻浆评价结果。

[0126] 在沪宁高铁沿线的降雨条件下，如需改变沪宁高铁无砟轨道路基的翻浆病害，应采用本发明的方法反算出不翻浆的级配碎石的临界渗透系数，采用渗透系数低于该临界渗透系数的表层级配碎石，即可使无砟轨道路基无翻浆病害或翻浆病害得到治理。