列車荷載作用下高鐵路基速度傳遞規(guī)律模型試驗研究

姜領(lǐng)發(fā)，熊署丹，陳善雄，許錫昌

（1. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2. 寧波市民用建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315020）

1 引 言

高速鐵路作為現(xiàn)代社會的一種新的運輸方式，具有極為明顯的優(yōu)勢。在運輸能力上，一個長編組的列車可以運送1 000多人，每隔3 min就可以開出一個列車，運力強大。在列車開行上，采取“公交化”的模式，旅客可以隨到隨走。在節(jié)能環(huán)保上，高速鐵路是綠色交通工具，非常適應(yīng)節(jié)能減排的要求。正因為如此，高速鐵路必定對我國經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展提供重要的支撐和保障。

由于高速鐵路中車-軌-路耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性，理論計算有其一定的局限。目前現(xiàn)場測試及大比尺室內(nèi)物理模型試驗作為一種有效的手段，已被廣泛應(yīng)用于高鐵路基動力特性以及累積變形特性的研究當(dāng)中。Jorgen等[1]測試了由鐵路交通引起的地面振動，得到了路基附近的地面振動水平與交通運輸及軌道參數(shù)之間的關(guān)系。Okumura[2]通過對日本 8條普通線路79個工點的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行回歸分析，研究了鐵路振動影響因素。Madshus等[3]通過對連接挪威和瑞典的高速鐵路現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行分析，提出了包括5個獨立影響因子的路基低頻振動半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Takemiya[4]發(fā)現(xiàn)，高速列車對地基產(chǎn)生短時間的脈沖振動與輪對間距相對應(yīng)。聶志紅[5]針對秦沈高速鐵路試驗段列車速度為 300 km/h時路基動力響應(yīng)進行了現(xiàn)場測試，并利用時頻分析法研究了不同列車速度下不同基床表層結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)規(guī)律。朱忠林等[6]在合寧線試驗段上通過模擬降雨與不降雨兩種條件下的激振試驗，得出路基的綜合動剛度、固有頻率、豎向阻尼比等參數(shù)。馬偉斌等[7]開展模型試驗，研究了基床力學(xué)特性對道床的影響。陳仁朋等[8]采用足尺物理模型試驗，研究多次水位變化情況下高速鐵路無砟軌道路基的變形特性，獲得軌道板彈性變形以及路基累積變形的發(fā)展規(guī)律。

雖然眾多學(xué)者對高速鐵路路基動力響應(yīng)進行了大量的現(xiàn)場測試和室內(nèi)模型試驗試驗研究，取得了較多成果，但由于問題的復(fù)雜性，目前的研究還難以滿足高速鐵路軌道路基工程建設(shè)及運營的需求。

2 模型激振試驗系統(tǒng)

2.1 激振試驗系統(tǒng)組成

本次的路基模型激振試驗系統(tǒng)是在實驗室現(xiàn)有模型槽內(nèi)進行，尺寸為6.0 m×3.0 m×3.5 m。路基模型激振試驗系統(tǒng)主要包括模型加載與反力系統(tǒng)、模型路基系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)三部分組成，見圖1。

2.2 激振控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

液壓伺服激振控制系統(tǒng)的主要技能指標(biāo)：（1）系統(tǒng)包含3個獨立控制系統(tǒng)的激振器，每個激振器的激振力、頻率和相位能夠獨立調(diào)節(jié)，且最大激振頻率不小于30 Hz。（2）可輸入和輸出穩(wěn)定正弦波形（0～30 Hz），可視化實時監(jiān)測輸出波形。（3）能保證每個激振器出力方向穩(wěn)定，每個激振器最大預(yù)設(shè)靜力值為10 kN。（4）每個激振器位置可調(diào)，每個液壓缸能夠提供至少10 kN的支承反力。（5）活塞桿和分力架能夠靈活拆卸，活塞桿垂直位置可調(diào)，最大調(diào)節(jié)量能達到200 mm。

圖1 試驗系統(tǒng)設(shè)計Fig.1 Test system design

3 模型激振試驗方案

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

本次模型激振試驗擬通過所研制的激振器模擬高速列車動荷載，選取路基不同層位土體的速度、動應(yīng)力作為研究對象，針對路基動力響應(yīng)建立了完整的動態(tài)測試系統(tǒng)，研究激振器作用下路基模型的動力響應(yīng)規(guī)律。

3.2 試驗方案

試驗根據(jù)路基上部結(jié)構(gòu)和激振器情況，沿線路橫向共布置3個測試斷面，包括激振器作用正下方斷面和橫向距離分別0.6、1.2 m的斷面。埋設(shè)動土壓力盒22個、加速度傳感器22個和動位移傳感器3個（6個測點），元器件布設(shè)縱斷面和橫截面圖如圖2所示。

圖2 元器件橫斷面布設(shè)(單位: mm)Fig.2 Component layout of cross section(unit: mm)

4 填筑過程質(zhì)量控制

為保證列車高速運行過程中的平穩(wěn)性和舒適性，我國對鐵路路基的沉降控制更為嚴格。國內(nèi)外眾多室內(nèi)試驗研究和工程實例也表明，在路基填筑施工過程中，提高路基土體壓實度，控制其填筑質(zhì)量，是提高路基結(jié)構(gòu)承載力和控制不均勻沉降的有效措施。

本次模型試驗主要采用檢測填料的壓實系數(shù)K和動態(tài)變形模量Evd的方法來控制填料的填筑質(zhì)量。

4.1 壓實系數(shù)K控制

地基高度約為 0.8 m，填筑路基前現(xiàn)場均勻選取了4個測點，采用環(huán)刀法對其壓實系數(shù)K進行檢測。從統(tǒng)計壓實系數(shù)結(jié)果可知，地基土的含水率為18.35%～20.44%，在最優(yōu)含水率ωop= 20.2%附近，壓實系數(shù)K＞1。由于實際填筑時所用夯機的擊實功比擊實試驗中所用輕型擊實儀大得多，在同等條件下增大擊實功，可以克服較大的粒間阻力，使得測得的干密度偏大。

路基填筑分6層進行填筑，填筑過程中需進行相關(guān)指標(biāo)檢測，符合高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）規(guī)范[9]相關(guān)要求后再進行下層填筑，直至填筑完成。若低于控制標(biāo)準(zhǔn)，則增加夯實遍數(shù)，并重新檢測相關(guān)指標(biāo)。每層填料經(jīng)過合適的夯擊后，選取6個測點采用灌砂法進行檢測，試驗結(jié)果表明，路基填料的含水率為 6.13%～7.34%，在最優(yōu)含水率ωop= 20.2%附近。路基填筑過程中壓實系數(shù) K均大于0.95，符合高鐵基床層和基床以下路基填筑要求。

4.2 動態(tài)變形模量Evd控制

本次試驗德國生產(chǎn)的LFG-K型Evd動態(tài)變形模量測試儀（輕型落錘彎沉儀）進行檢測。試驗過程嚴格按照鐵路工程土工試驗規(guī)程[10]進行。地基土層均勻選取了8個測點。從檢測數(shù)據(jù)分析可知，地基土動態(tài)變形模量在65.03～96.98 MPa范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

路基填筑過程中，先利用沖擊夯進行試夯，夯擊一定遍數(shù)后，進行相關(guān)指標(biāo)檢測，若不符合規(guī)范[10]要求，則增加夯擊次數(shù)，繼續(xù)檢測，直到符合要求即可。本節(jié)研究了動態(tài)變形模量 Evd和夯擊次數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。從圖中可以看出，試驗初期隨著夯擊次數(shù)的增加，填料的動態(tài)變形模量 Evd值增長較快，這是由于夯實功的增加，路基填料顆粒間相互錯動排列，結(jié)合更加緊密的結(jié)果。夯實6次后，填料的動態(tài)變形模量 Evd值達到最大，在 60.48～71.88 MPa范圍內(nèi)。隨著夯擊次數(shù)的進一步增加，動態(tài)變形模量 Evd值不斷降低，此時路基填料出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象。

綜上分析，本次模型試驗路基填料選用6次夯擊后，每層選取6個測點進行動態(tài)變形模量指標(biāo)檢測，統(tǒng)計結(jié)果見表 1。從統(tǒng)計結(jié)果表可知，路基填筑后動態(tài)變形模量在51.61～73.29 MPa范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

圖3 路基填料Evd值與夯實次數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Curves of Evd and tamp time

5 激振試驗路基速度傳遞規(guī)律分析

5.1 速度時程曲線

本試驗研究了不同激振頻率加載作用下路基的速度分布規(guī)律。圖 4為激振頻率為 5、10、15 Hz路基中心線下不同層位處土體的速度時程曲線（H為路基基床表面至監(jiān)測點垂直距離）。從圖中可以看出，不同頻率的激振力作用下路基土體的速度曲線具有明顯的周期性峰值，激振頻率越大，時程曲線波動性越大，對于同一層位，路基土體的速度峰值受頻率的影響不大；相同頻率作用下路基土體中速度幅值沿深度衰減較快。

5.2 速度幅值沿深度方向分布規(guī)律

統(tǒng)計得到不同頻率、不同深度L處路基土體的速度幅值沿深度方向傳遞與衰減規(guī)律如圖5所示。圖中表明，路基中心線處振動產(chǎn)生的最大速度為8.41～8.74 mm/s，在基床表面下0.5 m處，速度幅值為最大速度的28.5%～53.9%，基床表面下0.8 m處，速度幅值為最大速度的13%左右，基床表面下1.2 m處，速度幅值為最大速度的7%左右，可忽略不計。隨著深度的增加，路基土體速度幅值的衰減速率相應(yīng)變小。

圖4 不同頻率和深度下速度時程曲線Fig.4 Time-history curves of velocity at different frequency and depths

6 結(jié) 論

（1）不同頻率的激振力作用下路基土體的速度曲線具有明顯的周期性峰值。激振頻率越大，時程曲線波動性越大，這是由于室內(nèi)模型試驗存在很多部確定性和誤差，加速度傳感器的反應(yīng)速率和外界環(huán)境的噪聲都會有一定的影響。對于同一層位，路基土體的速度峰值受頻率的影響不大。相同頻率作用下，路基土體中速度幅值沿深度衰減較快。

（2）在不同頻率的激振力作用下，路基同一深度土體的速度幅值沿路基深度方向的分布規(guī)律與動應(yīng)力幅值沿路基深度方向的分布規(guī)律基本一致，呈指數(shù)曲線關(guān)系。在基床表面下0.5 m處，速度幅值為最大速度的28.5%～53.9%，基床表面下0.8 m處，速度幅值為最大速度的13%左右，基床表面下1.2 m處，速度幅值為最大速度的 7%左右，可以忽略不計。隨著深度的增加，路基土體速度幅值的衰減速率相應(yīng)變小。

（3）沿縱向方向，對于同一層位的路基土體，距激振器越遠，速度越小，且沿深度方向衰減越緩慢。同一頻率下，路基土體同一層位的速度幅值衰減較動應(yīng)力幅值衰減慢。

按本文的方法還可以相應(yīng)研究在列車荷載作用下高速鐵路路基速度幅值沿水平方向分布特征。

[1] JORGEN J. Ground vibration from rail trafic[J]. Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control,1987, 6(3): 96－103.

[2] OKUMURA K K. Statistical analysis of field data of railway noise and vibration collected in an urban area[J].Applied Acoustics, 1991, 33(4): 263－280.

[3] MADSHUS C, BESSASON B, HARVIK L. Prediction model for low frequency vibration from high speed railways on soft ground[J]. Journal of Sound and Vibration, 1996, 193(1): 194－203.

[4] TAKEMIYA H. Substructure simulation of inhomogeneous track and layered ground dynamic interaction under train passage[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2005, 131(7): 699－711.

[5] 聶志紅. 高速鐵路路基結(jié)構(gòu)豎向動力響應(yīng)研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2005.

[6] 朱忠林, 馬偉斌, 史存林. 合寧線試驗段路塹基床地基動力特性試驗研究[J]. 鐵道建筑, 2007, 47(2): 55－58.

[7] 馬偉斌, 史存林, 張千里, 等. 循環(huán)載荷作用下基床力學(xué)特性對道床影響的動態(tài)模型試驗研究[J]. 鐵道學(xué)報,2006, 28(4): 102－108.MA Wei-bin, SHI Cun-lin, ZHANG Qian-li, et al. Dynamic model experimental study on effects of mechanical properties of railway subgrade beds on ballast beds under cyclic loading[J]. Journal of China Railway Society,2006, 28(4): 102－108.

[8] 陳仁朋, 王作洲, 蔣紅光, 等. I 型軌道-路基系統(tǒng)動力荷載放大系數(shù)模型試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(4):1046－1052.CHEN Ren-peng, WANG Zuo-zhou, JIANG Hong-guang,et al. Experimental study of dynamic load magnification factor for type I track-subgrade system[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(4): 1046－1052.

[9] 鐵道部第三勘察設(shè)計院集團有限公司. TB 10020-2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S]. 北京: 中國鐵道出版社,2009.

[10] 鐵道部第三勘察設(shè)計院集團有限公司. TB 10102-2010鐵路工程土工試驗規(guī)程[S]. 北京: 中國鐵道出版社,2011.