既有鐵路路基K30和Ev2檢測(cè)輔助裝置及方法＊

狄宏規(guī)，冷伍明，趙春彥，余志武

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

我國既有鐵路線路長而分布廣，既有線存在著較多已經(jīng)存在或潛在的病害問題［1］。隨著列車向快速、重載方向發(fā)展，列車動(dòng)荷載大幅度提高，路基內(nèi)應(yīng)力水平、分布狀態(tài)和作用方式顯著改變，原有動(dòng)態(tài)平衡破壞，進(jìn)一步產(chǎn)生病害［2］。研究快速、可靠、全面的既有線路基檢測(cè)技術(shù)和方法成為迫切需要解決的問題［3］。目前既有線路基檢測(cè)中使用較多的方法有挖探、地質(zhì)雷達(dá)法、瑞雷面波法、輕便靜力觸探、輕型動(dòng)力觸探法、高密度電阻率法、核子密度儀和取樣土工試驗(yàn)［4－5］，目的主要是調(diào)查翻漿冒泥和下沉外擠成因、探測(cè)路基幾何變異和隱蔽性危害、評(píng)估路基承載能力、獲得填料力學(xué)指標(biāo)等。在新筑路基壓實(shí)檢測(cè)中，一般采用K30和Ev2來控制路基變形［6］。隨著貨運(yùn)重載對(duì)鐵路路基的變行和強(qiáng)度的要求越來越高，在既有線路基檢測(cè)中引入K30，Ev2和 Evd指標(biāo)，就顯得極具意義。

既有線在行車條件下，進(jìn)行標(biāo)貫、靜力觸探、K30，Ev2和 Evd等試驗(yàn)比較困難［2］。試驗(yàn)困難主要表現(xiàn)在:(1)表層:行車危及試驗(yàn)人員人身安全;(2)底層及以下路堤:1)測(cè)試面為斜面，不便于擺放儀器設(shè)備;2)對(duì)于K30和Ev2試驗(yàn)，缺少簡便的反力裝置。在現(xiàn)場(chǎng)路基檢測(cè)的荷載板試驗(yàn)(K30和Ev2)中，新線路基檢測(cè)通常利用振動(dòng)壓路機(jī)或鏟車等重型車輛來提供反力;而對(duì)于既有線路堤檢測(cè)，由于受行車、邊坡傾斜等影響，利用車輛來提供反力幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)使用少干擾或不中斷行車的簡便有效的試驗(yàn)反力裝置及試驗(yàn)臺(tái)是十分必要和迫切的。

1 反力裝置與試驗(yàn)臺(tái)

1.1 反力裝置

在既有線路基的K30和Ev2檢測(cè)中，反力裝置的選擇關(guān)系到試驗(yàn)的精度，甚至決定著試驗(yàn)的成敗。因此，采用合理的反力裝置尤為重要。由于既有線路肩作業(yè)面狹小、路堤邊坡傾斜等原因，利用車輛來提供反力幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，為此，筆者設(shè)計(jì)了地錨加反力梁的簡便反力裝置(圖1)以解決這一難題。反力裝置組成部件包括地錨、反力梁和銷栓。該裝置構(gòu)造簡單、構(gòu)件輕便，便于人工的搬運(yùn)、架設(shè)與拆卸(2～3人即可);在進(jìn)行地錨埋設(shè)時(shí)，僅需鐵鍬、搗實(shí)器等鐵路工務(wù)段具備且常見的工具，具有埋設(shè)、安裝和拆卸快速方便的優(yōu)點(diǎn);地錨桿上設(shè)有3排銷栓孔，可以調(diào)節(jié)梁底面到測(cè)試點(diǎn)距離，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)地錨的埋深，從而調(diào)節(jié)反力的大小;整個(gè)試驗(yàn)過程中測(cè)試人員和儀器均在道床外側(cè)，既不影響運(yùn)營線路行車，也充分保障了試驗(yàn)人員的安全。

圖1 反力裝置示意圖Fig.1 Counter－force device

圖2 地錨尺寸示意圖(單位:cm)Fig.2 Dimensions of the ground anchor(Unit:cm)

1.1.1 地錨

采用直拉式地錨:由底板、加固板、錨桿組成。錨桿上設(shè)置3排銷栓孔，銷栓孔直徑(r=18 mm)，孔中心間距(d=25 cm)，見地錨尺寸示意圖2。

1.1.2 反力梁與銷栓

反力梁是反力裝置的重要組成部分，采用I 20a工字型鋼，梁長2.5 m，兩端設(shè)有2個(gè)半徑為3 cm圓孔，孔中心間距2.3 m。將千斤頂置于橫梁中心正下方時(shí)，地錨與荷載板中心間距1.15 m，符合規(guī)程［7－8］要求。銷栓采用 φ 18鋼筋。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)

針對(duì)路肩工作面狹小、邊坡斜面上儀器安放困難的問題，設(shè)計(jì)了簡易的試驗(yàn)平臺(tái)(圖3)，從而構(gòu)建了便于安放儀器的水平工作面。試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)件主要包括:可拼接支桿、角鋼、木板、扣件和螺栓。此試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)造簡單、輕便實(shí)用，只需十字螺絲刀即可快速完成安裝與拆卸;由于拼接支桿的長度和扣件高度可調(diào)節(jié)、木板也可前后移動(dòng)，從而保證了K30和Ev2儀器的支腳能在三維空間自由移動(dòng)和定位，故完全解決了K30和Ev2儀器在斜面上安放困難的問題。借助上述的輔助裝置，可將路堤邊坡斜面上的試驗(yàn)水平面化，順利地把K30和Ev2指標(biāo)引入到既有線的路基檢測(cè)中。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.3 Test bed of the side slope

由于K30和Ev2試驗(yàn)儀器較輕，試驗(yàn)臺(tái)不作強(qiáng)度驗(yàn)算，構(gòu)件尺寸及數(shù)量見表1。

表1 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)件尺寸及數(shù)量Table 1 Dimension and quantity of the parts

2 反力裝置埋深和強(qiáng)度驗(yàn)算

假設(shè)反力裝置為簡支梁，參考Ev2及K30試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程［7－8］要求，試驗(yàn)加載最大至 0.5 MPa，反算出反力裝置主要內(nèi)力:橫梁中部反力F=35 kN，安全考慮富余15 kN，按50 kN計(jì)算;地錨拉力N=25 kN;工字梁中心截面彎矩為Mx=28.75 kN·m;梁剪力Vy=25 kN。

2.1 地錨埋深的確定

地錨的抗拔力主要包括:土柱與周圍地層的摩阻力Fs，土柱自重G，地錨的自重(較小可忽略)。土柱與周圍地層的摩阻力Fs擬參考摩爾～庫倫強(qiáng)度公式計(jì)算，假設(shè)地錨埋深(土柱高度)為0.8 m，其他計(jì)算參數(shù)選取參考取樣土工試驗(yàn)或《工程地質(zhì)手冊(cè)》［9］。以粉質(zhì)粘土為例，計(jì)算參數(shù)參考值見表2。

Fs+G=34·4＞N=25 kN，地錨抗拔強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

2.2 反力裝置強(qiáng)度驗(yàn)算

反力裝置強(qiáng)度驗(yàn)算特征參數(shù)取值見表3，各構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見表 4［10－11］。

表2 計(jì)算參數(shù)值Table 2 Value of parameters

表3 計(jì)算參數(shù)取值表Table 3 Value of parameters

表4 各構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Table 4 Designed strength values of the parts

(1)地錨抗拉可按截面有削弱的軸心受拉構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，截面正應(yīng)力σ為

(2)工字鋼抗彎按邊緣屈服準(zhǔn)則分析，截面邊緣正應(yīng)力為σ為

工字鋼截面上的剪力主要由腹板承受，可用下式近似計(jì)算剪應(yīng)力τ

(3)銷栓采用φ 18，假設(shè)剪力引起的切應(yīng)力均勻分布于剪切面上，則剪應(yīng)力τ為

由上知，反力裝置各構(gòu)件強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

3 設(shè)備安裝及試驗(yàn)

(1)開挖測(cè)試面:在傾斜邊坡上開挖一個(gè)平行于路肩的矩形水平測(cè)試面，測(cè)試面沿線路方向長300 cm、垂直線路方向?qū)?0 cm。

(2)開挖埋設(shè)坑:用卷尺在測(cè)試面上定出地錨的埋設(shè)位置，開挖2個(gè)直徑為50 cm、中心間距230 cm、埋深約為80 cm的圓形埋設(shè)坑。在進(jìn)行加固后的路基檢測(cè)時(shí)，由于強(qiáng)度會(huì)有所增大，地錨埋深可考慮加至110 cm(直立地錨桿設(shè)有3排銷栓孔，對(duì)應(yīng)2個(gè)設(shè)計(jì)埋深分別為80 cm和110 cm)。將挖出的土堆在2個(gè)埋設(shè)坑之間，便于回填。

(3)埋設(shè)地錨:埋設(shè)坑挖好后，先將一個(gè)地錨放入埋設(shè)坑，用路基填料土分層回填并搗實(shí)，搗實(shí)工具宜用直徑不大于18 cm的圓形搗實(shí)器。

(4)架設(shè)反力梁:將另一地錨放入埋設(shè)坑，在兩地錨的銷栓孔1上分別插上銷栓，架梁，盡量保證工字梁底面平行于測(cè)試面，再在地錨銷釘孔2插入銷栓。梁架好后，再進(jìn)行第2個(gè)地錨的埋填、搗實(shí)，從而保證梁端孔能夠順利套入地錨。

(5)鋪設(shè)荷載板:鋪荷載板之前應(yīng)用細(xì)砂找平試驗(yàn)點(diǎn)，荷載板中心應(yīng)在梁中心的正下方，當(dāng)千斤頂加載后，確保橫梁處于最佳受力狀態(tài)(只在Y方向受彎)。

(6)架設(shè)試驗(yàn)臺(tái):1)先用螺絲將4塊角鋼連接成矩形框;2)將1 m長圓管用接頭連成試驗(yàn)臺(tái)的4個(gè)角支桿并套上扣件(一般前支桿長1 m，后支桿長2 m);3)將矩形框套入4個(gè)角支桿至預(yù)定位置時(shí)用扣件固定;4)將4個(gè)角支桿擺放在邊坡上，并將2塊木板置于矩形框面的合適位置;5)在試驗(yàn)臺(tái)上安放實(shí)驗(yàn)儀器，通過調(diào)節(jié)支桿扣件、木板位置及K30和Ev2儀器架的3個(gè)支角來實(shí)現(xiàn)儀器三維移動(dòng)。

(7)連接試驗(yàn)儀器、開始K30和Ev2試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟參照規(guī)程［7－8］，試驗(yàn)完成后卸除千斤頂及儀器。

(8)卸除試驗(yàn)臺(tái)裝置及反力梁，將地錨從埋設(shè)坑中挖出。

(9)將挖出的路基土回填壓實(shí)，還原路基邊坡，減小對(duì)路基的損害。

4 應(yīng)用實(shí)例

朔黃重載鐵路K51+270～+280和K54+021～+031均為橋涵過渡段，由于剛性橋臺(tái)結(jié)構(gòu)物和柔性路堤連接處所產(chǎn)生的剛度差，橋臺(tái)路堤連接地段在重載列車行車荷載的反復(fù)作用下，填土產(chǎn)生較大的不均勻沉降?；?63項(xiàng)目子課題《朔黃重載鐵路路基加固前后檢測(cè)》，對(duì)上述工點(diǎn)路堤進(jìn)行加固前后路基檢測(cè)，檢測(cè)方法包括K30，Ev2，N10和Evd和壓實(shí)度等。由于路肩硬化，只對(duì)基床底層及以下路堤進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。K30和Ev2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見圖4，各點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見表5。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.4 Site test on railway side slope

表5 K30及Ev2測(cè)試結(jié)果Table 5 Testing results of K30and Ev2

從朔黃鐵路路基檢測(cè)應(yīng)用中不難看出，該輔助裝置能夠滿足路堤K30和Ev2試驗(yàn)要求，借助反力裝置及試驗(yàn)臺(tái)在路堤上進(jìn)行K30和Ev2試驗(yàn)是可行的。

5 結(jié)論

既有線路基狀態(tài)的檢測(cè)和評(píng)定，是安排路基維修計(jì)劃、進(jìn)行日常維修作業(yè)、指導(dǎo)路基改造的重要依據(jù)。為此，研究快速、準(zhǔn)確、先進(jìn)的檢測(cè)方法及設(shè)備，同時(shí)建立符合中國國情的既有線路基檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系，滿足既有鐵路安全運(yùn)營和維修作業(yè)的需要具有重要的工程實(shí)際意義。本文開發(fā)的既有線路堤檢測(cè)輔助設(shè)備和檢測(cè)方法具有如下特點(diǎn):(1)該設(shè)備構(gòu)造簡單，埋設(shè)、安裝、拆卸簡便;(2)試驗(yàn)方法簡單、快速;(3)該檢測(cè)方法不影響正常行車，基本不損壞鐵路軌道系統(tǒng);(4)能夠獲得路基的強(qiáng)度和變形指標(biāo)(K30，Ev2和Evd)，以直接評(píng)價(jià)路基的承載能力;(5)研究設(shè)備和試驗(yàn)方法具有推廣價(jià)值。

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