張智海，肖 宏，甘天成，閆公甫，遲義浩，石 柱

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，北京 100071；4.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司提前介入管理辦公室，北京 100038；5.北京市地鐵運(yùn)營有限公司 線路分公司，北京 100082)

有砟軌道作為鐵路最基本的結(jié)構(gòu)形式之一[1],具有高性價(jià)比、減振降噪、易于維修等突出優(yōu)勢,在世界各國廣泛應(yīng)用[2-3],特別是在長聯(lián)大跨橋梁、地質(zhì)斷裂帶、地震活動(dòng)帶、深厚軟土、巖溶空洞等復(fù)雜特殊區(qū)段,鋪設(shè)有砟軌道更是首選[4-6]。近年來,我國大力推進(jìn)西部鐵路建設(shè),在復(fù)雜特殊區(qū)段幾乎全部采用有砟軌道。這些新建鐵路在開通運(yùn)營前,均需采用大機(jī)搗固作業(yè)來調(diào)整線路幾何形位[7-8],以保障線路順利開通、平穩(wěn)運(yùn)營[9-10]。但現(xiàn)有的大機(jī)搗固作業(yè)工藝依賴于長期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)[11-12],導(dǎo)致?lián)v固作業(yè)過程中道砟顆粒破碎、搗固作業(yè)后線路幾何形位難以保持等一系列問題,嚴(yán)重影響新建鐵路的運(yùn)營品質(zhì)[6,13]。

事實(shí)上,大機(jī)搗固是通過振動(dòng)激擾方式來改變道砟顆粒的咬合狀態(tài)[14],從而提高線路的各方面性能。但既有研究大多停留在作業(yè)參數(shù)的選取方面[6,15],并未探究搗固作業(yè)激擾下軌枕和道床間的振動(dòng)傳遞規(guī)律及道床自身的吸振能力,對(duì)搗固作業(yè)機(jī)理缺乏認(rèn)識(shí)。因此,開展搗固作業(yè)過程中有砟軌道的振動(dòng)水平和傳遞機(jī)制研究,探明搗固穩(wěn)定裝置激擾下有砟軌道振動(dòng)的傳遞路徑及衰減規(guī)律具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

大機(jī)搗固作業(yè)對(duì)散體道床力學(xué)性能的影響研究,已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。為獲取合理的搗固作業(yè)參數(shù),許多學(xué)者通過利用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段開展了相關(guān)研究工作。Liu等[9]和王衛(wèi)東等[15]開展了雙枕搗固作業(yè)前后道床阻力現(xiàn)場試驗(yàn),探究了不同搗固次數(shù)對(duì)道床縱橫向阻力的影響,結(jié)果表明,隨著搗固次數(shù)的增加,道床的縱橫向阻力均逐漸減小。文獻(xiàn)[16-17]采用DEM-MBD耦合算法和虛擬單元模塊建立了異步搗固作業(yè)模型,從宏細(xì)觀角度分析了夾持力對(duì)有砟道床搗固作業(yè)質(zhì)量的影響,研究結(jié)果表明,當(dāng)起道量為30 mm,夾持力為7.8 kN時(shí),搗固作業(yè)效果最佳。高亮等[18]基于壓電效應(yīng)研發(fā)了搗鎬沖擊力測量傳感器,通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究了搗固頻率對(duì)搗鎬沖擊力及道床力學(xué)狀態(tài)的影響,結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)增大搗固頻率可減小搗鎬的沖擊力。搗固作業(yè)可以改善道床力學(xué)狀態(tài),但也伴隨著一些負(fù)面的影響[19]。Kumara 等[20]利用室內(nèi)縮尺試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了小型搗固機(jī)作業(yè)前后道床沉降測試,結(jié)果表明,搗固作業(yè)后道床的沉降量明顯增加。Mcdowell等[21]也得到了相似結(jié)論。Aingaran等[22]借助大型三軸儀,還原了現(xiàn)場搗固作業(yè)過程,指出搗固作業(yè)會(huì)改變道床主應(yīng)力方向,降低道床的承載能力。

由以上研究可知,目前國內(nèi)外學(xué)者主要探究了搗固穩(wěn)定作業(yè)參數(shù)與道床力學(xué)狀態(tài)間的內(nèi)在聯(lián)系,給出了搗固作業(yè)的合理參數(shù),但并未涉及搗固作業(yè)過程中有砟軌道的振動(dòng)水平分析,不能從本質(zhì)上揭示搗固裝置激擾下道床狀態(tài)的演變過程,無法準(zhǔn)確理解搗固穩(wěn)定作業(yè)的工作機(jī)制及作業(yè)過程中道床內(nèi)部的振動(dòng)傳遞規(guī)律和能量耗散特性。此外,已有搗固作業(yè)研究大多針對(duì)縮尺模型、單枕和雙枕搗固作業(yè),對(duì)三枕搗固作業(yè)過程中道床的振動(dòng)特性研究幾乎沒有涉及。

為彌補(bǔ)已有研究的不足,本文在新建鐵路線上開展DWL-48搗穩(wěn)車作業(yè)過程中有砟軌道的振動(dòng)特性現(xiàn)場試驗(yàn),利用小波變換分析和快速傅里葉變換方法,從時(shí)域和頻域角度細(xì)致分析三枕搗固作業(yè)過程中有砟軌道的振動(dòng)傳遞路徑、振動(dòng)水平及衰減規(guī)律,探究三枕搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)有砟軌道振動(dòng)特性及道床內(nèi)部能量耗散特性的影響,揭示不同作業(yè)條件下有砟軌道的振動(dòng)傳遞機(jī)制。該研究可為復(fù)雜作業(yè)條件下各種模式的三枕搗固作業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)方案的制定提供一定參考,也為搗固作業(yè)數(shù)值仿真模型的驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐。研究結(jié)果對(duì)于優(yōu)化現(xiàn)場三枕搗固作業(yè)次數(shù),提高搗固作業(yè)質(zhì)量具有重要作用。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)段概況

現(xiàn)場試驗(yàn)段長度為28 m,位于某車站附近。線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為新建I級(jí)鐵路,現(xiàn)場道床鋪設(shè)厚度為350 mm,砟肩寬度為500 mm,道床頂面寬度3 500 mm,道砟級(jí)配為新建鐵路一級(jí)碎石道砟粒徑級(jí)配。軌枕為新Ⅱ型混凝土枕,長度2 500 mm,中間截面高度175 mm,枕間距600 mm。試驗(yàn)段利用DWL-48搗固穩(wěn)定組合作業(yè)車開展線路幾何形位調(diào)整和道床性能改善等工作,作業(yè)速度為1 km/h。

1.2 測點(diǎn)布置

考慮到搗固作業(yè)異步夾持的特點(diǎn),現(xiàn)場試驗(yàn)主要針對(duì)軌枕和道床的垂向和橫向加速度進(jìn)行了測試,具體布置見圖1。由圖1可知,現(xiàn)場沿著軌道橫向設(shè)置了5個(gè)測試位置,每個(gè)位置有2個(gè)測點(diǎn),分別用于獲取該位置的垂向和橫向加速度數(shù)據(jù)。測試傳感器被放置在軌枕端部、軌枕底部、砟肩區(qū)域、道床中部邊坡區(qū)域及坡腳區(qū)域,位置編號(hào)分別為S1、B1、B2、B3、B4。在搗固作業(yè)夾持階段,相向的兩對(duì)搗鎬會(huì)充分?jǐn)D壓軌枕底部的道砟顆粒,極易損壞傳感器,因此現(xiàn)場測試時(shí)將B1測試位置沿線路橫向進(jìn)行平移,使其傳感器中心沿線路縱向與搗固裝置外鎬的最外側(cè)鎬掌中心線平齊,距離右側(cè)鋼軌中心線460 mm,以減小搗鎬的夾持作用力。

圖1 加速度傳感器布置(單位:mm)

為防止搗鎬在提升過程觸碰測試區(qū)域中間軌枕端部,導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真,測試過程中還設(shè)置了2個(gè)備用測試位置S2和S3。該測試位置可以及時(shí)進(jìn)行測試數(shù)據(jù)校準(zhǔn),以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

為方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,將各位置的測點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào),垂向振動(dòng)用字母V表示,橫向振動(dòng)用字母L表示。S1位置的2個(gè)測點(diǎn)分別表示為VS1和LS1;B1位置的2個(gè)測點(diǎn)分別表示為VB1和LB1;B2位置的2個(gè)測點(diǎn)分別表示為VB2和LB2;B3位置的2個(gè)測點(diǎn)分別表示為VB3和LB3;B4位置的2個(gè)測點(diǎn)分別表示為VB4和LB4。

1.3 傳感器安裝及采集儀器設(shè)置

考慮到搗固作業(yè)沖擊振動(dòng)下普通單向加速度傳感器在散體道床中容易發(fā)生傾斜,且無法同時(shí)測量垂、橫兩個(gè)方向的振動(dòng)加速度,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自主設(shè)計(jì)了雙軸加速度傳感器固定裝置。該裝置是通過黏接方式將長度20 mm的輕質(zhì)中空正方體鋁塊固定在壁厚2 mm、長度60 mm的正方體不銹鋼盒子角落處,從而解決了道床垂、橫向加速度無法固定和同時(shí)測量的問題。根據(jù)埋入道床的位置精心選擇2個(gè)單向加速度傳感器,然后將其沿垂向和橫向進(jìn)行黏接,待其黏接牢固后將振動(dòng)信號(hào)傳輸線依次連接固定。由于試驗(yàn)段測試時(shí)間較長,需進(jìn)行傳感器固定裝置外表面防水處理,采用黑色防水膠帶封裝了不繡鋼盒子,最終研制成功了道床雙軸加速度計(jì)。道床雙軸加速度計(jì)使用的單向傳感器類型為LC0105、LC0108,量程分別為20g、10g,靈敏度分別為250、500 mv/g。

埋設(shè)道床雙軸加速度計(jì)之前,需將指定埋設(shè)位置處的原有道砟部分取出,再將傳感器擺放到指定位置,最后將取出的道砟回填至原有位置并壓實(shí)至接近原有密實(shí)狀態(tài)。為方便數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,將埋置在道床內(nèi)部的4個(gè)雙軸加速度計(jì)按照測試位置依次編號(hào)為B1、B2、B3和B4。需要說明的是,B1道床雙軸加速度傳感器垂、橫向均采用20g的單向加速度計(jì),其余位置的雙軸加速度計(jì)均采用10g的單向加速度計(jì)。

為測量三枕搗固作業(yè)過程中軌枕的垂、橫向振動(dòng)特性,在距離右側(cè)鋼軌中心線250 mm的位置粘貼了角鋼,用于固定垂、橫向加速度傳感器。角鋼式雙軸加速度傳感器均使用LC0103 T型單向加速度傳感器,量程為100g,靈敏度為50 mv/g。此外,搗固作業(yè)前的起道作業(yè)會(huì)使振動(dòng)信號(hào)傳輸線位置發(fā)生改變,存在傳輸線被搗鎬碰斷的風(fēng)險(xiǎn)。為解決該問題,現(xiàn)場在軌枕端部粘貼了角鋼來固定振動(dòng)信號(hào)傳輸線的同時(shí),在道床邊坡區(qū)域?qū)鬏斁€進(jìn)行了二次固定,以確保測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸記錄。值得注意的是,兩處固定位置間應(yīng)富余60 mm的自由線,以防止起道作業(yè)扯斷振動(dòng)信號(hào)傳輸線。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用INV3018CT型高精度數(shù)據(jù)采集儀。現(xiàn)場測試過程中,將采集設(shè)備的采樣頻率設(shè)置為5 000 Hz,以保證準(zhǔn)確記錄搗固作業(yè)過程中3根軌枕長度范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)。

1.4 測試內(nèi)容及方法

現(xiàn)場新建鐵路共進(jìn)行5次獨(dú)立的搗固作業(yè),每次搗固作業(yè)都需要獲取軌枕和道床的垂、橫向振動(dòng)數(shù)據(jù)。為準(zhǔn)確獲取搗固作業(yè)過程中軌枕和道床的振動(dòng)特性,每次搗固作業(yè)后都預(yù)留1 h檢查傳感器和調(diào)試數(shù)據(jù)采集儀。三枕搗固作業(yè)關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)見表1。為減小其他因素干擾,保證測試數(shù)據(jù)精確可靠,現(xiàn)場測試時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格保證每次搗固作業(yè)起道量為定值34 mm,搗固時(shí)間為2.1 s,且搗鎬夾持力和搗固深度在5次作業(yè)過程中均保持不變。

表1 三枕搗固作業(yè)關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)

2 搗固作業(yè)過程中有砟軌道的振動(dòng)水平

搗鎬的沖擊振動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致軌枕和道床產(chǎn)生劇烈的振動(dòng),迫使道砟顆粒發(fā)生空間平移和旋轉(zhuǎn),改變道床的力學(xué)性能。為探明搗固作業(yè)過程中軌枕和道床振動(dòng)水平的影響機(jī)制,利用小波分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法,分析第一次搗固作業(yè)過程中有砟軌道的振動(dòng)傳遞路徑及衰減特性。

2.1 振動(dòng)傳遞時(shí)域特征

完整的搗固作業(yè)包括起道、搗入、夾持、撤鎬階段,每個(gè)階段都伴隨著搗鎬的振動(dòng)沖擊作用,且隨著時(shí)間的增加使搗鎬的主作用力方向不斷變化,導(dǎo)致軌枕和道床的振動(dòng)更加復(fù)雜。為研究搗固作業(yè)過程中軌枕和道床的振動(dòng)傳遞特性,分別統(tǒng)計(jì)搗入、夾持、撤鎬階段不同測點(diǎn)位置的垂、橫向加速度峰值,見圖2。

圖2 搗固作業(yè)過程中不同測點(diǎn)位置的振動(dòng)響應(yīng)

由圖2(a)可知,撤鎬階段道床內(nèi)部VB2、VB3、VB4測點(diǎn)相對(duì)于VB1測點(diǎn)的垂向加速度峰值衰減率分別為78.30%、95.76%、97.82%,均高于搗入和夾持階段。搗固作業(yè)各個(gè)階段在VB2測點(diǎn)的垂向加速度峰值衰減率均大于60%,在VB4測點(diǎn)的垂向加速度峰值衰減率均大于95%。這表明搗固作業(yè)主要影響道床上部區(qū)域。

由圖2(b)可知,夾持階段VB1測點(diǎn)的橫向加速度峰值最大,這與圖2(a)的規(guī)律剛好相反。究其原因是由于搗固屬于非封閉式作業(yè),雖然搗鎬的主作用力是沿線路縱向,但在較大的搗鎬夾持力作用下枕下區(qū)域道砟會(huì)沿著線路橫向有向外運(yùn)動(dòng)的趨勢,導(dǎo)致道床橫向振動(dòng)水平加強(qiáng)。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),搗固作業(yè)各個(gè)階段在VB2測點(diǎn)的橫向加速度峰值衰減率均大于70%,在VB4測點(diǎn)的橫向加速度峰值衰減率均大于96%,這與圖2(a)的衰減規(guī)律基本一致。搗固作業(yè)過程中道床的橫向振動(dòng)衰減能力強(qiáng)于垂向,這與搗鎬與道砟之間的相互作用密切相關(guān)。此外,在夾持和撤鎬階段,軌枕加速度相對(duì)于VB1測點(diǎn)橫向加速度峰值均呈減小趨勢,衰減率分別為24.80%、9.87%,表明該階段道床振動(dòng)傳遞路徑是一種逆向傳遞方式,主要從搗固區(qū)域道床傳遞至軌枕如圖3所示。這種逆向傳遞方式和列車荷載作用下的正向傳遞有著很大差異,會(huì)導(dǎo)致道床和軌枕間的接觸狀態(tài)比初始狀態(tài)更差。除此之外,圖2(a)的搗入和撤鎬階段也呈現(xiàn)這種逆序傳遞方式,表明振動(dòng)逆向傳遞方式在搗固作業(yè)過程中普遍存在。這很可能是導(dǎo)致?lián)v固作業(yè)后道床的橫向阻力和剛度下降的主要原因。

圖3 橫斷面振動(dòng)傳遞路徑

均方根值可以直接反映材料和物體的振動(dòng)總能量,是一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo),被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)水平評(píng)價(jià)[23-24]。由于振動(dòng)加速度峰值離散性較大,無法反映軌枕和道床振動(dòng)的能量高低。為準(zhǔn)確探究搗固作業(yè)過程中軌枕和道床的振動(dòng)強(qiáng)度,選用振動(dòng)加速度的均方根值aRMS進(jìn)行分析,即

( 1 )

式中:a(t)為以時(shí)間為自變量的加速度函數(shù),g;T1為測量時(shí)間長度,s。

搗固作業(yè)過程中有砟軌道不同方向的aRMS及振動(dòng)能量衰減率,見圖4。

圖4 搗固作業(yè)過程中有砟軌道不同測點(diǎn)位置的aRMS及振動(dòng)能量衰減率

由圖4(a)可知,夾持階段各個(gè)測點(diǎn)的垂向aRMS最大,撤鎬階段次之,搗入階段最小,表明搗固作業(yè)過程中夾持階段搗鎬輸入給道床和軌枕的能量最多。究其原因,是由于隨著夾持角度的增加,搗鎬夾持力的垂直方向分量逐漸增大,導(dǎo)致傳輸給軌枕和道床的能量逐漸增多。

由圖4(b)可知,相較于VB1測點(diǎn),道床內(nèi)部的其余測點(diǎn)振動(dòng)能量衰減率隨著橫向距離的增大,呈增長趨勢。VB2測點(diǎn)的振動(dòng)能量衰減率均大于55%,VB3測點(diǎn)均大于89%,表明搗固作業(yè)垂向振動(dòng)能量主要集中在以作業(yè)區(qū)域?yàn)橹行牡牡来采喜繀^(qū)域(0～175 mm)。

由圖4(c)可知,軌枕橫向aRMS在撤鎬階段達(dá)到最大值,在夾持階段相比于LB1測點(diǎn)呈衰減趨勢。這是搗固作業(yè)過程中振動(dòng)的逆向傳遞路徑及搗鎬與道砟間的接觸狀態(tài)共同作用的結(jié)果。

由圖4(d)可知,相較于VB1測點(diǎn),VB2測點(diǎn)的振動(dòng)能量衰減率均大于66%,這表明搗鎬直接作用區(qū)域附近道床的橫向吸振能力明顯大于垂向。

綜上所述,搗固作業(yè)過程中道床內(nèi)部測點(diǎn)的振動(dòng)隨著距離的增加,均呈減小趨勢。搗鎬的振動(dòng)能量主要傳遞給搗鎬直接作用區(qū)域,而傳遞到道床坡腳位置的振動(dòng)能量小于10%,振動(dòng)加速度峰值衰減率大于95%,說明搗固作業(yè)對(duì)道床底部區(qū)域影響較小,不會(huì)對(duì)路基服役性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,在進(jìn)行搗固作業(yè)數(shù)值模擬過程中,如果模型計(jì)算量較大,可不考慮下部路基對(duì)搗固作業(yè)的影響。這同時(shí)也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[12-13]所建模型的合理性。

2.2 振動(dòng)傳遞的頻域特征

搗固作業(yè)伴隨著道砟顆粒的遷移和能量轉(zhuǎn)換,也存在著搗鎬定頻(35 Hz)激擾下道床不同頻段的振動(dòng)響應(yīng)。為研究搗固作業(yè)過程中有砟軌道的頻響特征,采用快速傅里葉變換計(jì)算搗固作業(yè)過程中不同測點(diǎn)位置垂向、橫向加速度功率譜密度,并將時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),見圖5和圖6。根據(jù)文獻(xiàn)[4],隨機(jī)數(shù)字信號(hào)可通過式( 2 )得到頻域特征。

圖5 搗固作業(yè)過程中不同測點(diǎn)垂向加速度功率譜密度分布特征

圖6 搗固作業(yè)過程中不同測點(diǎn)橫向加速度功率譜密度分布特征

( 2 )

式中:PSD(f)為頻率f處的功率譜密度;FXT(f)為信號(hào)XT在頻率f處的快速傅里葉變換(FFT)輸出;T為輸入信號(hào)的時(shí)間。

由圖5(a)可知,搗入階段不同測點(diǎn)位置垂向加速度的PSD在29～231 Hz范圍內(nèi)有較多的峰值,波形起伏較大。該階段軌枕主要響應(yīng)頻率為175 Hz,道床內(nèi)部VB1、VB2測點(diǎn)的主要響應(yīng)頻率分別為86、95 Hz,其余兩測點(diǎn)的主要響應(yīng)頻率均為107.8 Hz。由圖5(b)可知,夾持階段不同測點(diǎn)的垂向加速度的PSD在25～140 Hz范圍內(nèi)有較多的峰值,周期性變化明顯,響應(yīng)頻率相對(duì)于搗入階段更加集中。該階段軌枕主要響應(yīng)頻率為68.7 Hz,約為搗鎬固定振頻(35 Hz)的2倍。究其原因是由于夾持階段相向的兩對(duì)搗鎬會(huì)產(chǎn)生振幅相同、頻率相同的振動(dòng)波,且隨著夾持角度的增加,振動(dòng)波沿垂直方向的能量逐漸增多,導(dǎo)致部分頻段振動(dòng)加強(qiáng)。

由圖5(c)可知,撤鎬階段不同測點(diǎn)位置垂向加速度的PSD在21～193 Hz范圍內(nèi)有較多的峰值,且軌枕測點(diǎn)的PSD明顯高于道床測點(diǎn)。但值得注意的是,軌枕和道床主要響應(yīng)頻率與夾持階段基本保持一致。究其原因,是由于在夾持和撤鎬階段搗鎬的振頻均為35 Hz,定頻激擾下兩個(gè)階段軌道部件響應(yīng)頻率的相似性較高。

由圖6(a)可知,搗入階段不同測點(diǎn)位置橫向加速度的PSD在23～230 Hz范圍內(nèi)有較多的峰值,其中軌枕橫向振動(dòng)主要響應(yīng)頻率為106 Hz,道床內(nèi)部VB1、VB2測點(diǎn)的主要響應(yīng)頻率分別為34.3、56.2 Hz,其余兩測點(diǎn)的主要響應(yīng)頻率分別為57.8、107.8 Hz。這表明搗入階段軌枕和道床的振動(dòng)響應(yīng)在垂向和橫向存在顯著差異,橫向振動(dòng)的頻率響應(yīng)更加豐富。由圖6(b)可知,夾持階段不同測點(diǎn)位置垂向加速度的PSD在26～210 Hz范圍內(nèi)有較多的峰值,周期性特征非常明顯,且道床LB1測點(diǎn)的振動(dòng)能量明顯高于其他測點(diǎn)。這說明夾持階段搗鎬橫向振動(dòng)能量主要傳遞給了道床LB1測點(diǎn)。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),該階段軌枕和道床LB1測點(diǎn)主要響應(yīng)頻率為103.1 Hz,約為搗鎬固定振頻(35 Hz)的3倍。這表明軌枕和道床LB1測點(diǎn)在橫向具有很好的振動(dòng)同步性,有利于改善軌枕和道床間的接觸狀態(tài)。

由圖6(c)可知,撤鎬階段不同測點(diǎn)位置垂向加速度的PSD在28～178 Hz范圍內(nèi)有較多的峰值,周期性變化明顯,且軌枕和道床的主要響應(yīng)頻段與夾持階段相同,呈現(xiàn)出道床LB1測點(diǎn)的振動(dòng)能量高于其他測點(diǎn)的現(xiàn)象。這與圖5(c)的結(jié)果存在較大差異,究其原因是由于搗鎬振動(dòng)方向始終沿著線路縱向,在撤鎬階段由于道砟顆粒垂向運(yùn)動(dòng)受到軌枕約束,因此道砟沿著橫向運(yùn)動(dòng)趨勢更加明顯,使搗固作業(yè)過程中局部應(yīng)力集中快速消散,從而導(dǎo)致道床LB1測點(diǎn)的振動(dòng)能量較大。

為更加準(zhǔn)確獲取搗固作業(yè)過程中軌枕和道床的頻響特征隨時(shí)間的演變規(guī)律,采用小波分析實(shí)現(xiàn)了垂、橫向加速度時(shí)頻信號(hào)的變換,見圖7和圖8。

圖7 搗固作業(yè)過程中測試區(qū)域內(nèi)垂向振動(dòng)的時(shí)頻分布特征

圖8 搗固作業(yè)過程中測試區(qū)域內(nèi)橫向振動(dòng)的時(shí)頻分布特征

由圖7可知,搗固作業(yè)過程中夾持和撤鎬階段道床內(nèi)部各個(gè)測點(diǎn)的垂向振動(dòng)能量最大,而軌枕的最大能量區(qū)段位于夾持階段,這兩者存在顯著差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),軌枕的主要響應(yīng)頻段在70 Hz附近,道床的主要響應(yīng)頻段在35 Hz附近。這表明非穩(wěn)態(tài)搗固作業(yè)會(huì)使有砟軌道部件呈現(xiàn)不同的頻率響應(yīng)特征,軌枕的響應(yīng)頻段范圍約為道床的2倍。這是搗固作業(yè)過程中相向運(yùn)動(dòng)的搗鎬沖擊波在空間疊加產(chǎn)生的現(xiàn)象。

由圖8可知,與搗固作業(yè)垂向振動(dòng)特征不同,軌枕的橫向振動(dòng)最大能量區(qū)段位于撤鎬階段,而道床內(nèi)部測點(diǎn)位于夾持和撤鎬階段,這表明搗固作業(yè)過程中軌枕對(duì)不同方向振動(dòng)的敏感程度存在差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),軌枕的主要響應(yīng)頻段在105 Hz附近,道床的主要響應(yīng)頻段在35、70、105 Hz附近。這表明搗固作業(yè)過程中搗鎬的橫向振動(dòng)分量會(huì)激發(fā)道床內(nèi)部更加豐富的振動(dòng)響應(yīng)。

3 搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)有砟軌道振動(dòng)傳遞和衰減特性的影響

為改善線路幾何形位,現(xiàn)場通常進(jìn)行多次連續(xù)搗固作業(yè),迫使道床的密實(shí)程度發(fā)生顯著變化,影響軌枕和道床的振動(dòng)傳遞機(jī)制。以下分別從不同搗固次數(shù)影響下軌枕和道床的垂向和橫向振動(dòng)特征演變規(guī)律方面進(jìn)行了分析。

3.1 垂向振動(dòng)演變

不同搗固次數(shù)影響下有砟軌道不同測點(diǎn)位置垂向加速度峰值見表2。搗固次數(shù)影響下不同位置垂向加速度峰值相對(duì)于道床內(nèi)部VB1測點(diǎn)的衰減率見圖9。

表2 搗固次數(shù)影響下不同測點(diǎn)位置垂向加速度峰值 g

圖9 搗固次數(shù)影響下不同測點(diǎn)位置垂向加速度峰值相對(duì)于VB1測點(diǎn)的衰減率

由表2可知,隨著搗固作業(yè)次數(shù)的增加,VS1和VB1測點(diǎn)的垂向加速度峰值呈先減小后增大的趨勢,且在第三次搗固作業(yè)過程中達(dá)到垂向振動(dòng)強(qiáng)度最小值,表明第三次搗固作業(yè)過程中枕下?lián)v固區(qū)域內(nèi)道砟顆粒破碎的概率最小。由圖9可知,搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)道床內(nèi)部VB3和VB4測點(diǎn)的垂向振動(dòng)衰減率影響較小,而對(duì)軌枕VS1和VB2測點(diǎn)的垂向振動(dòng)衰減率影響更加顯著。為進(jìn)一步從頻域角度分析搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)有砟軌道垂向分頻振動(dòng)特性的影響,利用式( 3 )計(jì)算不同搗固條件下各個(gè)測點(diǎn)的垂向振動(dòng)加速度級(jí)VAL,并采用式( 4 )和式( 5 )得到了垂向振動(dòng)從VB1測點(diǎn)傳遞至VB2測點(diǎn)的損失值TL,見圖10。

圖10 搗固次數(shù)影響下不同測點(diǎn)位置垂向振動(dòng)加速度級(jí)和傳遞損失的變化規(guī)律

( 3 )

( 4 )

TL=VALi-VALj

( 5 )

式中:a為振動(dòng)加速度有效值,m/s2;a0為基準(zhǔn)加速度,取值為10-6m/s2;ai(f)、aj(f)為第i、j個(gè)測點(diǎn)中心頻率為f時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)。

由圖10(a)～圖10(e)可知,不同搗固次數(shù)激擾下各個(gè)測點(diǎn)的垂向分頻振動(dòng)加速度級(jí)曲線走勢基本一致,但最大能量對(duì)應(yīng)的中心頻率有較大差異。軌枕VS1測點(diǎn)和道床VB1、VB3測點(diǎn)的最大能量中心頻率分別為31.5、63 Hz,VB2測點(diǎn)為31.5 Hz,而VB4測點(diǎn)為100 Hz。由圖10(f)可知,第三次搗固作業(yè)過程中道床的垂向振動(dòng)傳遞損失曲線起伏較大。尤其對(duì)8 Hz的垂直振動(dòng)分量有很好的吸收作用。當(dāng)中心頻率為100～125 Hz時(shí),搗固作業(yè)次數(shù)影響下道床的垂向振動(dòng)傳遞損失曲線出現(xiàn)低谷。這表明道床在該頻段的吸振能力較弱。第三次搗固作業(yè)的垂向振動(dòng)傳遞損失出現(xiàn)最大值23.60 dB,表明第三次搗固作業(yè)過程中道床的垂向吸振能力最強(qiáng),道床狀態(tài)最好。

3.2 橫向振動(dòng)演變

搗固作業(yè)次數(shù)影響下不同測點(diǎn)位置的橫向加速度峰值見表3。搗固次數(shù)影響下不同位置橫向加速度幅值相對(duì)于LB1測點(diǎn)的振動(dòng)衰減率見圖11。由表3可知,隨著搗固作業(yè)次數(shù)的增加,道床內(nèi)部測點(diǎn)橫向加速度峰值均呈先減小后增大的趨勢,而軌枕橫向加速度峰值與搗固作業(yè)次數(shù)幾乎無關(guān)。對(duì)比表2和表3可以發(fā)現(xiàn),道床B1位置橫向加速度峰值明顯大于垂向加速度峰值。這表明搗固作業(yè)傳遞給橫向的能量最多,道砟顆粒橫向擠壓破壞的概率大于垂向。

表3 搗固次數(shù)影響下不同測點(diǎn)位置橫向加速度峰值 g

圖11 搗固次數(shù)影響下不同位置橫向加速度幅值相對(duì)于LB1測點(diǎn)的振動(dòng)衰減率

由圖11可知,搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)軌枕LS1測點(diǎn)橫向振動(dòng)衰減率的影響較大,衰減曲線起伏明顯。需要注意的是搗固作業(yè)次數(shù)不會(huì)大幅改變道床內(nèi)部測點(diǎn)的橫向振動(dòng)衰減率。究其原因,是由于搗固作業(yè)過程中,搗鎬傳遞給道砟的作用力主要沿著線路縱向,而傳遞給線路橫向的力較小。為進(jìn)一步探究搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)有砟軌道橫向振動(dòng)傳遞及分頻吸振能力的影響,利用式( 3 )～式( 5 )計(jì)算橫向振動(dòng)加速度級(jí)及傳遞損失,見圖12。

圖12 搗固次數(shù)影響下不同位置橫向振動(dòng)加速度級(jí)和傳遞損失的變化規(guī)律

由圖12(a)～圖12(e)可知,軌枕LS1測點(diǎn)和道床LB4測點(diǎn)的最大能量中心頻率分別為100、125 Hz,而其余測點(diǎn)的最大能量中心頻率為31.5、63 Hz。由圖12(f)可知,當(dāng)中心頻率小于63 Hz時(shí),第三次搗固作業(yè)過程中道床的垂向振動(dòng)傳遞損失在各個(gè)頻段均為最大值。尤其對(duì)10、31.5 Hz的橫向振動(dòng)分量有很好的吸收作用。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),第一次搗固和第二次搗固作業(yè)過程中道床的橫向振動(dòng)傳遞損失均大于第三次搗固,但最大差值小于2.7 dB,表明第三次搗固作業(yè)對(duì)于改善道床橫向吸振能力,具有重要作用。

綜上所述,搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)于改善道床的吸振能力有很大幫助,尤其第三次搗固作業(yè)對(duì)道床的吸振能力提升幅度最大,同時(shí)該過程中道砟顆粒破碎概率最小。因此,建議現(xiàn)場在不改變起道量、搗固作業(yè)時(shí)間及其他搗固作業(yè)參數(shù)的條件下進(jìn)行多次搗固作業(yè)時(shí),連續(xù)搗固次數(shù)不宜超過三次。

4 結(jié)論

本文通過穩(wěn)定作業(yè)現(xiàn)場大型原位試驗(yàn),探究了搗固作業(yè)過程中軌枕和道床的時(shí)頻響應(yīng)特征,對(duì)比分析了不同搗固作業(yè)次數(shù)影響下有砟軌道的振動(dòng)強(qiáng)度及吸振能力,主要得出以下結(jié)論:

1)搗固作業(yè)過程中道床的橫向振動(dòng)衰減能力強(qiáng)于垂向,搗鎬直接作用區(qū)域附近道床的橫向吸振能力也明顯大于垂向。振動(dòng)逆向傳遞在搗固作業(yè)過程中普遍存在,是影響道床和軌枕間的接觸狀態(tài)的主要因素。搗固作業(yè)對(duì)道床底部區(qū)域影響較小,不會(huì)對(duì)路基服役性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,在進(jìn)行搗固作業(yè)數(shù)值模擬過程中,如果模型計(jì)算量較大,可不考慮下部路基對(duì)搗固作業(yè)的影響。

2)夾持階段不同測點(diǎn)位置垂向加速度的PSD在25～140 Hz范圍內(nèi)有較多的峰值,周期性變化明顯,響應(yīng)頻率相對(duì)于搗入階段更加集中。該階段軌枕主要響應(yīng)頻率為68.7 Hz,約為搗鎬固定振頻(35 Hz)的2倍。這是該階段同幅同頻的兩對(duì)相向搗鎬在作業(yè)過程中振動(dòng)疊加而導(dǎo)致的結(jié)果。

3)軌枕的橫向振動(dòng)最大能量區(qū)段位于撤鎬階段,主要響應(yīng)頻段在105 Hz附近,而道床內(nèi)部測點(diǎn)位于夾持和撤鎬階段,主要響應(yīng)頻段在35、70、105 Hz附近。這說明搗固作業(yè)過程中軌枕對(duì)不同方向振動(dòng)的敏感程度存在顯著差異,搗鎬的橫向振動(dòng)分量會(huì)激發(fā)道床內(nèi)部更加豐富的振動(dòng)響應(yīng)。

4)在不改變單次搗固時(shí)間及其他作業(yè)參數(shù)的條件下,搗固作業(yè)次數(shù)對(duì)道床吸振能力有較大影響。特別是第三次搗固作業(yè)過程中道床的吸振能力提升幅度最大,道床振動(dòng)水平較低,道砟顆粒破碎概率最小。因此,建議新建鐵路現(xiàn)場在不改變搗固作業(yè)時(shí)間和其他搗固作業(yè)參數(shù)的條件下進(jìn)行多次搗固作業(yè)時(shí),連續(xù)搗固次數(shù)不宜超過三次。