季節(jié)性凍土區(qū)擴(kuò)能改造鐵路路堤動力性能測試分析

馬榮田

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展,尤其是高速無砟鐵路的興建,鐵路所通過路段的各種地質(zhì)情況越來越復(fù)雜。為了最大限度地減少災(zāi)害的發(fā)生,以及滿足線路穩(wěn)定性、平順性、經(jīng)濟(jì)合理性的要求,無論是在其勘察、設(shè)計還是施工階段,鐵路路堤和地基的整體穩(wěn)定性分析一直都是巖土工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。對于不同的影響因素對路堤穩(wěn)定性的作用效果，已經(jīng)有許多學(xué)者做了大量的研究[1-9]，但針對鐵路路堤動力性能測試分析方面的研究較少。

本文通過長白烏鐵路擴(kuò)能改造工程路堤進(jìn)行實車運(yùn)行測試，分析CRH2C-2068綜合檢測列車在速度等級分別為140，160，170，176 km/h運(yùn)行條件下季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路堤的動力特性。對列車通過時路堤的受力、變形以及振動特性進(jìn)行測試，結(jié)合路基基床土體的強(qiáng)度特性，評價路堤動力性能的工程適應(yīng)性。

1 工程概況

長白烏鐵路擴(kuò)能改造工程于2014 年12月31日開工建設(shè)，是對長春—白城、白城—烏蘭浩特既有鐵路進(jìn)行擴(kuò)能改造。該線路為雙線電氣化有砟軌道Ⅰ級鐵路，設(shè)計時速160 km，起自長春市，途經(jīng)農(nóng)安縣、松原市、大安市、白城市，止于烏蘭浩特市，全長412 km，設(shè)車站25座，其中客運(yùn)業(yè)務(wù)辦理站17座。長白烏鐵路進(jìn)一步優(yōu)化了東北快速鐵路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使烏蘭浩特、白城、松原等城市邁入動車時代，對更好地滿足人民群眾出行需求、促進(jìn)沿線旅游資源開發(fā)、推動吉林和內(nèi)蒙古經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展都將發(fā)揮重要作用。

季節(jié)性凍土極易在擴(kuò)能改造工程的影響下失去原有的熱平衡狀態(tài)，引起一系列凍土工程地質(zhì)問題，其中最主要的是凍脹和融沉。路堤是多年凍土區(qū)道路工程較為復(fù)雜的路段之一，由于加高路堤會改變多年凍土的熱平衡狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致路堤的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，極有可能會造成路堤病害及破壞[10-12]。因此，有必要針對長白烏鐵路擴(kuò)能改造工程路堤性能開展測試分析。

長白烏鐵路于2017 年6月5日進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動態(tài)檢測階段。針對長白烏鐵路路堤，采用CRH2C-2068綜合檢測列車對動車組通過時路堤動力參數(shù)進(jìn)行了測試，以確定路堤是否滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，為設(shè)計與施工提供指導(dǎo)。

2 路堤動力性能現(xiàn)場測試方法和內(nèi)容

路堤動力性能現(xiàn)場測試主要在路堤基床的相應(yīng)位置布置壓力傳感器、位移傳感器和加速度傳感器，通過信號線連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這一過程將現(xiàn)場的物理量轉(zhuǎn)換為電信號，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再將電信號轉(zhuǎn)換為物理量。測試前需要將傳感器予以標(biāo)定，確定電信號和物理量間的對應(yīng)關(guān)系。各參數(shù)試驗方法為：①動應(yīng)力測試模塊采用土壓力傳感器+數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。②動變形測試模塊采用高精度位移計+數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。③振動加速度測試模塊采用振動加速度傳感器+數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

檢測系統(tǒng)及檢測流程見圖1。

圖1 檢測系統(tǒng)及檢測流程

測試路堤在不同速度等級動車組運(yùn)行時路基基床的動荷載、動變形及振動特性，分析在動車組通行條件下路堤的動力特性，結(jié)合路基土體的強(qiáng)度特性，評價其適應(yīng)性。主要測試內(nèi)容包括路堤的動荷載、動變形和振動加速度。

3 測試數(shù)據(jù)分析

由于季節(jié)性動土區(qū)鐵路高填方路堤因凍融循環(huán)作用易出現(xiàn)局部沉陷或整體沉陷、滑動或邊坡滑坍、縱向開裂等危及列車運(yùn)營安全的病害，故選取長白烏鐵路的2處高填方路堤作為測試對象，具體測試工點(diǎn)見表1。

表1 鐵路路堤動力性能測試工點(diǎn)

3.1 路堤測點(diǎn)1動力性能

①動荷載分析

主要測試鋼軌下基床表面的動荷載。動車組以不同速度通過時，路堤動荷載與列車速度的關(guān)系見圖2?？芍?，動荷載隨列車速度提高變化不明顯。

圖2 動荷載與列車速度的關(guān)系

統(tǒng)計動車組通過時基床表面動荷載，結(jié)果見表2?？芍?，路堤基床表面動荷載最大值32 kPa，小于相應(yīng)的限值，說明路堤的設(shè)置基本合理[8]。

表2 路堤基床表面動荷載統(tǒng)計結(jié)果

②動變形分析

主要測試軌枕間鋼軌外側(cè)路基表面的動變形。動車組以不同速度通過時，路堤動變形與列車速度的關(guān)系見圖3?？芍?，動變形隨列車速度提高變化不明顯。

圖3 動變形與列車速度的關(guān)系

統(tǒng)計動車組通過時基床表面動變形，結(jié)果見表3?？芍?，路堤基床表面動變形最大值0.54 mm，小于相應(yīng)的限值，說明路堤的設(shè)置基本合理[8]。

表3 路堤基床表面動變形統(tǒng)計

③振動特性分析

主要測試軌枕間鋼軌外側(cè)基床表面的振動加速度。動車組以不同速度通過時，路堤振動加速度與列車速度的關(guān)系見圖4。可知，振動加速度與列車速度的關(guān)系不明顯。

圖4 振動加速度與列車速度的關(guān)系

統(tǒng)計動車組通過時基床表面振動加速度，結(jié)果見表4?？芍?，路堤基床表面振動加速度最大值1.0 m/s2，小于相應(yīng)的限值，說明路堤的設(shè)置基本合理[8]。

表4 路堤基床表面振動加速度統(tǒng)計結(jié)果

3.2 路堤測點(diǎn)2動力性能

①動荷載分析

動車組以不同速度通過時，路堤動荷載與列車速度關(guān)系見圖5。可知，動荷載隨列車速度提高變化不明顯。

圖5 動荷載與列車速度的關(guān)系

統(tǒng)計動車組通過時基床表面動荷載，結(jié)果見表5?？芍?，路堤基床表面動荷載最大值29 kPa，小于相應(yīng)的限值，說明路堤的設(shè)置基本合理[8]。

表5 路堤基床表面動荷載統(tǒng)計結(jié)果

②動變形分析

動車組以不同速度通過時，路堤動變形與列車速度的關(guān)系見圖6?？芍瑒幼冃坞S列車速度提高變化不明顯。

圖6 動變形與列車速度的關(guān)系

統(tǒng)計動車組通過時基床表面動變形，結(jié)果見表6?？芍?，路堤基床表面動變形最大值0.30 mm，小于相應(yīng)的限值，說明路堤的設(shè)置基本合理[8]。

表6 路堤基床表面動變形統(tǒng)計結(jié)果

③振動特性分析

動車組以不同速度通過時，路堤振動加速度與列車速度的關(guān)系見圖7?？芍?，振動加速度隨列車速度提高呈增大趨勢。

圖7 振動加速度與列車速度的關(guān)系

統(tǒng)計動車組通過時基床表面振動加速度，結(jié)果見表7?？芍返袒脖砻嬲駝蛹铀俣茸畲笾?.2 m/s2，小于相應(yīng)的限值，說明路堤的設(shè)置基本合理[8]。

表7 路堤基床表面振動加速度統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)論

對綜合檢測列車在不同列車速度條件下通過路堤各測試工點(diǎn)動力參數(shù)進(jìn)行檢測，得出：

1)路堤K14+973所測動荷載最大值32 kPa，動變形最大值為0.54 mm，振動加速度最大值為1.0 m/s2，均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

2)路堤K62+119所測動荷載最大值29 kPa，動變形最大值為0.30 mm，振動加速度最大值為1.2 m/s2，均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

3)該鐵路路堤動荷載、動變形、振動加速度滿足相關(guān)規(guī)范的要求，路堤動力性能滿足動車組以160 km/h 及以下速度運(yùn)行時的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。