重載鐵路路基狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)分析研究

唐永康

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重載鐵路路基狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)分析研究

唐永康

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州 062356)

為研究朔黃重載鐵路路基狀態(tài)演化規(guī)律，掌握擴(kuò)能改造后其路基服役狀態(tài)，根據(jù)朔黃線路調(diào)研情況，選取3個(gè)典型工點(diǎn)，布置路基含水率及沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，跟蹤測(cè)試路基含水率和沉降的變化規(guī)律，獲取一批重要的測(cè)試數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明：路基土體含水率及穩(wěn)定性受降雨影響顯著，路基土體類型和密實(shí)度都是決定雨水下滲的關(guān)鍵因素。沿線路縱向距橋臺(tái)越遠(yuǎn)，線路中心沉降量越大，沉降變化最為明顯的區(qū)域主要集中在距橋臺(tái)4~6 m范圍，并且隨著列車運(yùn)行噸位的增加，沉降量逐漸增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速率大致表現(xiàn)為逐漸減小并上下波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程。研究成果可為朔黃鐵路路基穩(wěn)定性評(píng)估研究及過(guò)渡段路基強(qiáng)化設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)和指導(dǎo)。

重載鐵路；路基狀態(tài)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；沉降；含水率；評(píng)價(jià)

重載鐵路中，路基長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)一般超過(guò)70%。路基是重載鐵路線路的重要基礎(chǔ)。路基施工完成后就直接暴露在自然環(huán)境中，受列車動(dòng)載、降雨和地下水位變化等因素影響[1?3]。路基的服役狀態(tài)隨著時(shí)間的延續(xù)會(huì)逐漸發(fā)生變化。近年來(lái)，朔黃鐵路進(jìn)行擴(kuò)能改造工程，提高列車軸重和擴(kuò)大列車編組，大規(guī)模開行萬(wàn)噸列車和兩萬(wàn)噸列車，朔黃鐵路路基出現(xiàn)橋涵過(guò)渡段下沉、區(qū)間路堤下沉、路塹下沉、路肩寬度不足、基床翻漿冒泥及道床板結(jié)、路堤邊坡防護(hù)失效、路塹邊坡失效或不穩(wěn)和排水不良等病害。為了掌握路基服役狀態(tài)和維修時(shí)機(jī)，開展既有重載鐵路路基實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)深入研究朔黃重載鐵路路基狀態(tài)演化規(guī)律，確保路基狀態(tài)健康穩(wěn)定和線路的安全，具有重要的理論研究和工程實(shí)用價(jià)值[4?6]。本文在朔黃線選取3個(gè)典型的工點(diǎn)，對(duì)路基開展降雨量、路基含水率和沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析，為實(shí)時(shí)了解和評(píng)判路基服役狀態(tài)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 工程概況

朔黃重載鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相聯(lián)，東至河北省黃驊市黃驊港口貨場(chǎng)，正線總長(zhǎng)為598 km，是我國(guó)東煤西運(yùn)的第二大通道[4]。該重載線路地處我國(guó)華北地區(qū)，全年氣溫為?20~40 ℃，降雨較小且集中。

2017年朔黃鐵路年運(yùn)量已突破3億噸。由于修建的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低，朔黃鐵路在建成運(yùn)營(yíng)后，陸續(xù)出現(xiàn)了不同程度的路基病害，經(jīng)過(guò)多年的養(yǎng)護(hù)維修與強(qiáng)化加固，路基狀態(tài)基本穩(wěn)定，但隨著萬(wàn)噸重載列車開行比例加大，以及運(yùn)量逐年增加，路基仍出現(xiàn)不少病害。本文根據(jù)朔黃線實(shí)地調(diào)研情況，選取了3個(gè)典型工點(diǎn)開展降雨量、路基含水率和沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各工點(diǎn)基本概況如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)工點(diǎn)概況

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

路基含水率是影響路基土物理力學(xué)性質(zhì)、路基服役狀態(tài)和沉降變形的關(guān)鍵因素，而且其變化與外界環(huán)境的變化息息相關(guān)，因而監(jiān)測(cè)含水率可以了解路基狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[9]。路基沉降是評(píng)估路基服役狀態(tài)的重要指標(biāo)，是路基在列車長(zhǎng)期荷載作用下的力學(xué)性能的最終體現(xiàn)。路基沉降過(guò)大，會(huì)引起上部軌道結(jié)構(gòu)幾何變位，致使軌道結(jié)構(gòu)磨損，行車限速等問題[10?12]。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)路基含水率及沉降這2個(gè)關(guān)鍵變量，選取3個(gè)典型工點(diǎn)布置含水率和路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取路基含水率和沉降隨降雨及列車通行噸位的變化規(guī)律。

2.1 含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

路基含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用以下2種監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2.1.1 EC-5土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備

該設(shè)備由EC-5土壤水分傳感器及EM50數(shù)據(jù)采集器組成。EC-5土壤水分傳感器是一種低電壓、低功耗、高集成度的電容式變換器，其防水能力強(qiáng)、耐腐性強(qiáng)，受土壤含鹽量影響小，還具備了其他傳感器所無(wú)法比擬的溫度補(bǔ)償功能[7?8]，能夠適應(yīng)典型工點(diǎn)的工作環(huán)境。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，被測(cè)土體的類型以及干密度都會(huì)對(duì)EC-5土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)試結(jié)果造成較大的影響。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠度，本文采用每個(gè)監(jiān)測(cè)位置的路基填料制樣，完成了EC-5土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備的標(biāo)定試驗(yàn)，得到了考慮干密度的標(biāo)定曲線，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)定曲線具有較高的精度。

同時(shí)，為了較大程度消除監(jiān)測(cè)點(diǎn)路基土體干密度對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響，本文制定了妥善的埋設(shè)技術(shù)，即在埋設(shè)之前，在室內(nèi)制作直徑5 cm，高15 cm的圓筒，在圓筒側(cè)壁鉆滿梅花型分布的小孔，將傳感器放置于圓筒內(nèi)，并用與現(xiàn)場(chǎng)含水率、壓實(shí)度一致的路基填料壓實(shí)。埋設(shè)時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)開挖相同尺寸的圓柱孔，將室內(nèi)制作的圓柱體(含傳感器)埋入圓孔內(nèi)，然后封閉壓實(shí)。

2.1.2 基于Caipos物聯(lián)網(wǎng)的含水率監(jiān)測(cè)設(shè)備

該套設(shè)備由傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸站、采集總站以及數(shù)據(jù)云端組成。整套設(shè)備系統(tǒng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和無(wú)線傳輸，相比EC-5土壤水分傳感器，價(jià)格比較昂貴。

2.2 沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)部位為路肩及線路中心，根據(jù)監(jiān)測(cè)部位的不同，本文采用了2套沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2.1 基于液位原理的沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該套設(shè)備用于路肩沉降的監(jiān)測(cè)，其為自主研發(fā)的沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備。整套設(shè)備由沉降基座、升降螺桿、液位管及保護(hù)裝置組成，具體構(gòu)造如圖1所示。

該套設(shè)備主要基于連通器原理(如圖2)，將基準(zhǔn)沉降板(A)置于剛度較大，幾乎不發(fā)生沉降的位置，依次在路肩的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安放監(jiān)測(cè)沉降板(B-D)，用耐腐蝕的液體管連通基準(zhǔn)沉降板和各個(gè)監(jiān)測(cè)沉降板，在基準(zhǔn)沉降板的液位管內(nèi)注滿防凍液至溢出，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生沉降時(shí)，其對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)沉降板的液位管液面將發(fā)生變化，根據(jù)液面高度的變化值，即可得到該點(diǎn)路基沉降。同時(shí)，只需利用具備高像素和微信功能的手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，易于掌握，但采集數(shù)據(jù)需通過(guò)人工讀數(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

圖1 基于液位原理的沉降板

圖2 沉降板工作示意圖

2.2.2 水平梁式測(cè)斜儀

該套設(shè)備主要用于線路中心的沉降監(jiān)測(cè)，其主要構(gòu)造包括EL傾角傳感器、不帶安裝托架的梁和把梁固定在結(jié)構(gòu)物上的錨頭(如圖3)。

當(dāng)路基發(fā)生沉降而改變了水平梁的傾角時(shí)，EL傾角傳感器將會(huì)輸出不同的電壓值，通過(guò)輸出電壓值的處理最終可以得到精度較高的沉降值。整套設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，不占用太大空間，不影響線路上部行車，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及無(wú)線傳輸，同時(shí)也具備較高的穩(wěn)定性，相比基于液位原理的沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，價(jià)格比較昂貴。

圖3 梁式測(cè)斜儀

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 路橋過(guò)渡段

該工點(diǎn)主要存在不均勻沉降等路基病害。其主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為獨(dú)自口滹沱河大橋橋臺(tái)往小里程方向60 m范圍的路肩沉降以及3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面道砟砟腳下0.75 m范圍內(nèi)路基土體的含水率，具體布置如圖4所示。

圖4 路橋過(guò)渡段監(jiān)測(cè)方案

3.2 高路堤段

該工點(diǎn)主要存在沉降過(guò)大等路基病害。其主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為高路堤段60 m范圍的路肩沉降以及3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面道砟砟腳下0.75 m范圍內(nèi)的路基土體含水率，具體布置如圖5所示。

圖5 高路堤段監(jiān)測(cè)方案

3.3 路橋過(guò)渡段

該工點(diǎn)存在較多不同程度的路基病害，大修次數(shù)較多。其主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為橋涵東西兩側(cè)各10 m范圍內(nèi)的線路中心沉降，40 m范圍內(nèi)的路肩沉降，以及3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的道砟砟腳及邊坡中部以下0.75 m范圍內(nèi)路基土體的含水率，具體布置如圖6所示。

圖6 路涵過(guò)渡段監(jiān)測(cè)方案

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 含水率分析

路基土的含水率變化會(huì)對(duì)其抗剪強(qiáng)度，彈性模量等力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響[13?14]。由于線路當(dāng)?shù)亟涤贻^小且集中，故本文選取了9~11月雨量較大的時(shí)間段進(jìn)行分析，繪成各個(gè)監(jiān)測(cè)工點(diǎn)的降雨量與含水率的時(shí)程曲線圖如下。

從圖7~10可以得出：

1) 降雨過(guò)后，路基土含水率會(huì)發(fā)生明顯變化，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都能很好的反應(yīng)路基含水率變化的情況。綜合降雨與路基含水率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠驗(yàn)證3個(gè)工點(diǎn)含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性。

2) 路基含水率會(huì)隨降雨的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)生顯著的變化，而路基土的強(qiáng)度及動(dòng)彈性模量均會(huì)隨含水率的增加而顯著減小，表明路基本體的服役狀態(tài)受降雨影響顯著。

3) 對(duì)比3個(gè)典型工點(diǎn)不同深度含水率變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，K248+222路橋過(guò)渡段雨水下滲的速度要明顯小于其余2個(gè)工點(diǎn)，這是由于該段路基本體中粉質(zhì)黏土的含量較大，其滲透系數(shù)較小，而其余工點(diǎn)路基本體的含砂量較大，其滲透系數(shù) 較大。

4) 路基邊坡(壓實(shí)度=0.92)雨水下滲速度要明顯大于道砟砟腳(壓實(shí)度=0.95)，表明土體密實(shí)度對(duì)于雨水下滲具有較大的影響，增加土體密實(shí)度，能有效抑制雨水滲入路基，從而預(yù)防和減少路基水毀病害。

圖7 K170+560道砟砟腳下路基土體

圖8 K203+300道砟砟腳下路基土體

圖9 K248+222道砟砟腳下路基土體

圖10 K248+222邊坡中部路基土體

4.2 沉降分析

由于目前監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的路肩沉降量較小，本文采用K248+137~202路橋過(guò)渡段線路中心的沉降量進(jìn)行分析。

圖11 K248+202~210 線路中心沉降時(shí)程曲線

圖12 K248+137~145線路中心沉降時(shí)程曲線

圖13 K248+202~210沉降量與列車荷載關(guān)系

圖14 K248+137~145沉降量與列車荷載關(guān)系

從圖11~14可以得出：

1) 路橋過(guò)渡段線路中心沉降量隨距橋臺(tái)距離的增加而不斷增大。監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，上橋端過(guò)渡段最大沉降量為0.95 mm，下橋段過(guò)渡段最大沉降量為0.54 mm，沉降變化最為明顯的區(qū)域主要集中在距橋臺(tái)4~6 m，所對(duì)應(yīng)的兩測(cè)點(diǎn)間存在大于0.1 mm的沉降差。在距橋邊墩8 m和10 m的位置，2個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量已基本一致，因此，初步可以判定距邊墩8 m范圍內(nèi)的路基為路橋過(guò)渡段沉降最為顯著的區(qū)段。

2) 路橋過(guò)渡段線路中心的沉降量隨著列車?yán)塾?jì)荷載的增加而逐漸增加，且變化幅度表現(xiàn)為在監(jiān)測(cè)前期增長(zhǎng)較快，中期有所減慢，后期保持微小變化并趨于穩(wěn)定，這也表明在列車荷載長(zhǎng)期循環(huán)作用下路基發(fā)生了一定的累計(jì)塑性變形。

3) 路橋過(guò)渡段線路中心沉降在經(jīng)過(guò)約1.0× 109t列車?yán)塾?jì)荷載作用后均趨于穩(wěn)定狀態(tài)，通過(guò)上、下橋端兩側(cè)的監(jiān)測(cè)期間的最大沉降量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)上橋端一側(cè)沿線各測(cè)點(diǎn)沉降量及沉降差均明顯高于下橋端，這表明下橋端一側(cè)路基沉降變形更為穩(wěn)定，且沿線路縱向分布更為均勻。

5 結(jié)論

1) 路基含水率會(huì)隨降雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的增大而增大，含水率的增大會(huì)顯著影響路基本體的服役狀態(tài)；K248+222路橋過(guò)渡段路基本體的粉質(zhì)黏土含量較大，其滲透系數(shù)較大，雨水下滲的速度要明顯大于其他2個(gè)工點(diǎn)；路基邊坡雨水下滲的速度要遠(yuǎn)大于道砟砟腳，表明土體密實(shí)度會(huì)影響雨水滲入。

2) K248+137~210路橋段線路中心沉降隨距橋臺(tái)距離的增加而不斷增大，沉降變化最明顯區(qū)域集中在距橋臺(tái)4~6 m范圍內(nèi)。

3) K248+137~210路橋段線路中心的沉降經(jīng)過(guò)約1×109t列車?yán)塾?jì)荷載作用后均趨于穩(wěn)定狀態(tài)，其中，下橋段一側(cè)的路基沉降變形更為穩(wěn)定，沿線路縱向分布更為均勻。

監(jiān)測(cè)成果可供擴(kuò)能改造后路基狀態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估研究及過(guò)渡段路基強(qiáng)化設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)和指導(dǎo)。

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(編輯 涂鵬)

Research on condition monitoring and evaluation of heavy haul railway subgrade

TANG Yongkang

(Shuohuang Railway Development Limited Liability Company, Cangzhou 062356, China)

In order to deeply study the evolution law of roadbed state of Shuo-Huang heavy haul railway and master the service state of roadbed after capacity expansion, according to the investigation of Shuo-Huang railway line, three typical worksites were selected, the monitoring system of subgrade moisture content and settlement was arranged. The variation law of subgrade moisture content and settlement was measured and some important monitoring data were obtained. The results show that the moisture content and stability of subgrade soil are significantly affected by rainfall. The type and compactness of subgrade soil are the key factors to determine the infiltration of rainwater. The farther the distance from the abutment along the line, the greater the settlement of the center line. The most obvious settlement changes are mainly in the range of 4~6 m from abutment, and with the increase of train operating tonnage, the settlement increases gradually. Its growth rate is gradually decreasing and fluctuating up and down, and finally tends to stable. The research results provide the basis and guidance for the evaluation of roadbed stability of Shuo-Huang Railway, the reinforcement design and construction of the subgrade in the transition section.

heavy haul railway; subgrade condition; monitoring system; settlement; moisture content; evaluation

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.12.014

U213.1+4

A

1672 ? 7029(2018)12 ? 3120 ? 07

2017?12?13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(煤碳聯(lián)合基金U1361204，51678572，51878666)

唐永康(1965?)，男，四川營(yíng)山人，高級(jí)工程師，從事鐵道工程科研與管理工作；E?mail：tangyongkang2008@163.com