高速鐵路路基凍害防治中保溫層動(dòng)載試驗(yàn)研究

朱忠林，蔡德鉤，陳峰，閆宏業(yè)，姚建平

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

高速鐵路路基凍害防治中保溫層動(dòng)載試驗(yàn)研究

朱忠林，蔡德鉤，陳峰，閆宏業(yè)，姚建平

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

采用保溫法防治高速鐵路路基凍害時(shí)，埋設(shè)在路基中的保溫板在列車動(dòng)載長(zhǎng)期作用下的動(dòng)力性能、耐久性需要通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行研究。在哈大高鐵沈大段附近修建含有保溫層的路基試驗(yàn)段，采用動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)模擬高速列車產(chǎn)生的動(dòng)荷載，測(cè)試保溫板的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)變形，分析保溫板應(yīng)用于高鐵路基的適應(yīng)性。研究結(jié)果表明:施加1 000萬(wàn)次動(dòng)載后，保溫層累積變形的增長(zhǎng)量為0.06 mm，數(shù)值很小，不會(huì)影響高鐵線路。

路基凍害 保溫板 動(dòng)載試驗(yàn)

在我國(guó)凍土地區(qū)，保溫法是高速鐵路凍害防治措施之一。將XPS保溫板埋設(shè)在路基中，能夠隔斷低溫向路基中滲透，減小路基體在低溫下產(chǎn)生的凍脹變形，保證線路的平順性。高鐵列車經(jīng)過(guò)時(shí)，路基中的保溫板會(huì)受到動(dòng)荷載的作用。其動(dòng)力性能是否適應(yīng)高鐵線路需要，在動(dòng)載長(zhǎng)期作用下材料本身耐久性是否會(huì)受到影響，需要通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)研究。

在正線上進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)會(huì)對(duì)高鐵運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大影響，難以實(shí)施。為保證動(dòng)載試驗(yàn)條件與實(shí)際情況高度相似，在哈大鐵路沈大段DK140附近修建路基試驗(yàn)段開(kāi)展模擬動(dòng)載試驗(yàn)，借此研究保溫材料的動(dòng)力特性和耐久性。

1 試驗(yàn)段路基

試驗(yàn)段路基按高速鐵路路基要求填筑，基床表層為摻5%水泥級(jí)配碎石，厚度0.7 m，基床底層厚2.3 m，施工時(shí)按要求進(jìn)行了檢測(cè)，達(dá)到了高鐵路基的填筑要求?；脖韺优c底層間滿鋪0.1 m厚XPS保溫板(圖1)。

圖1 試驗(yàn)段路基結(jié)構(gòu)

2 傳感器的埋設(shè)

動(dòng)載試驗(yàn)主要測(cè)試動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)變形、累積變形，為此埋設(shè)了動(dòng)土壓力盒、沉降板，分兩層埋設(shè)，分別在保溫層下部和上部。同時(shí)還設(shè)置了沉降基標(biāo)。位移測(cè)量采用高精度電渦流位移計(jì)，能夠同時(shí)測(cè)試保溫層的彈性變形與累積變形。

位移計(jì)要安裝在沉降板的引出導(dǎo)桿上，位移計(jì)的基點(diǎn)安裝在最下層沉降基標(biāo)的引出導(dǎo)桿上，如圖2所示。

圖2 沉降板及位移計(jì)安裝

3 加載方案

3.1 激振設(shè)備

動(dòng)載設(shè)備采用SBZ30型動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)(圖3)。該試驗(yàn)機(jī)通過(guò)激振臺(tái)座安裝于線路上，能夠輸出各種激振力，模擬高速列車產(chǎn)生的動(dòng)荷載。模擬動(dòng)載連續(xù)施加，可在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到實(shí)際列車長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的動(dòng)載次數(shù)。動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)供電電源為380 V三相交流電，電源通過(guò)大功率變頻器連接動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)上部電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)內(nèi)振動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)力。調(diào)節(jié)變頻器的頻率可控制動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)的振動(dòng)頻率，調(diào)節(jié)動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)側(cè)邊的對(duì)位齒輪能夠改變振動(dòng)偏心塊的力矩，由振動(dòng)頻率與振動(dòng)力矩的配合調(diào)整能夠得到設(shè)計(jì)要求的激振力。將振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)安裝在高鐵線路上的激振臺(tái)座上，其激振力施加在線路上，從而模擬高速列車產(chǎn)生的動(dòng)荷載。

3.2 激振臺(tái)座

激振臺(tái)座為用現(xiàn)澆鋼筋混凝土制作的位于加載路基上的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，功能是將動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的激振力傳輸?shù)骄€路上。臺(tái)座在澆筑時(shí)預(yù)埋螺栓，螺栓位置與試驗(yàn)機(jī)底板安裝孔位相對(duì)應(yīng)，并與臺(tái)座內(nèi)鋼筋焊接牢固，四角的螺栓比四邊的螺栓直徑大，以使試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)更加穩(wěn)定。

3.3 動(dòng)載施加與測(cè)試

激振力與偏心矩、動(dòng)載頻率有關(guān)。偏心矩可以在激振機(jī)上調(diào)節(jié)，動(dòng)載頻率可以通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)。通過(guò)測(cè)試路基中的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移，經(jīng)過(guò)分析能夠更準(zhǔn)確、直接地得到激振頻率。根據(jù)高鐵路基動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期動(dòng)應(yīng)力值為11～16 kPa，本次在10～25 kPa范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)。

長(zhǎng)期動(dòng)載試驗(yàn)加載次數(shù)達(dá)到1 000萬(wàn)次。數(shù)據(jù)測(cè)試頻率為每10萬(wàn)次采集一次數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)試靜態(tài)沉降。數(shù)據(jù)采集采用多通道24位高精度數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率為1 024 Hz，每次采集的時(shí)間為5 s，以保證采集的數(shù)據(jù)量能夠滿足數(shù)據(jù)分析的要求。

圖3 動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)

4 路基動(dòng)應(yīng)力

加載過(guò)程中保溫層處典型應(yīng)力波形如圖4所示。

首先進(jìn)行各種應(yīng)力的動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)試保溫材料的彈性變形和累積變形。在掌握了其規(guī)律后，按標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力(11～16 kPa)進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)載激振試驗(yàn)，以進(jìn)一步研究保溫材料的耐久性與動(dòng)力性能。試驗(yàn)測(cè)量的長(zhǎng)期動(dòng)載下保溫板處動(dòng)應(yīng)力見(jiàn)圖5。

圖4 典型動(dòng)應(yīng)力波形

圖5 長(zhǎng)期動(dòng)載下保溫板處動(dòng)應(yīng)力

5 動(dòng)載作用下的彈性變形

5.1 彈性變形的測(cè)試情況

保溫層彈性變形由安裝在沉降板引出桿上的電渦流位移計(jì)測(cè)量。首先測(cè)量保溫板上及板下相對(duì)于沉降基桿的動(dòng)位移，再計(jì)算出板上與板下動(dòng)位移的差值，即可獲得保溫板的彈性變形值。典型的動(dòng)位移波形如圖6所示。

圖6 典型動(dòng)位移波形

5.2 不同動(dòng)應(yīng)力水平下的彈性變形

保溫板的彈性變形與動(dòng)應(yīng)力大小關(guān)系曲線如圖7所示。試驗(yàn)中施加的最高動(dòng)應(yīng)力約是高鐵列車動(dòng)應(yīng)力的2.5倍。從圖7可知，保溫層的彈性變形與動(dòng)應(yīng)力基本呈線性關(guān)系，表明保溫層仍然處于彈性變形狀態(tài)。

圖7 保溫板的彈性變形與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系曲線

在高鐵列車動(dòng)應(yīng)力水平下，保溫層的動(dòng)變形在0.08 mm以內(nèi)，對(duì)線路不會(huì)產(chǎn)生影響。

6 長(zhǎng)期動(dòng)載作用下的累積變形

6.1 累積變形的測(cè)試情況

保溫層累計(jì)變形與彈性變形測(cè)量采用同一傳感器，由安裝在沉降板引出桿上的電渦流位移計(jì)測(cè)量。在每10萬(wàn)次進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集后，暫停激振，迅速進(jìn)行沉降板的靜態(tài)測(cè)量，然后快速恢復(fù)激振。

由靜態(tài)測(cè)量初值以及每次的靜態(tài)測(cè)量值計(jì)算出埋設(shè)在保溫板上部與下部相對(duì)于沉降基標(biāo)的沉降值，再計(jì)算出保溫板上下沉降差值，即可獲得保溫板的累積變形值。

6.2 累積變形測(cè)試結(jié)果

保溫層在動(dòng)載作用下的累積變形是其是否適應(yīng)高鐵要求的指標(biāo)之一，其值越小越有利于維持高鐵線路的高程與平順性。圖8是長(zhǎng)期動(dòng)載下保溫層累積變形曲線。

在多種動(dòng)應(yīng)力水平的加載過(guò)程中，達(dá)到較高動(dòng)應(yīng)力水平時(shí)，累積變形有發(fā)展的趨勢(shì)，發(fā)展速度較慢。在高鐵動(dòng)載作用下，保溫的累積變形能夠趨于穩(wěn)定，施加1 000萬(wàn)次動(dòng)載后，保溫層累積變形增長(zhǎng)0.06 mm，數(shù)值很小，與彈性變形的測(cè)試結(jié)果一致?？梢?jiàn)處于彈性變形范圍內(nèi)的保溫層，其累積變形很小，不會(huì)影響高鐵線路。

圖8 長(zhǎng)期動(dòng)載下保溫層累積變形

7 結(jié)論

本文采用模擬動(dòng)載試驗(yàn)的方法開(kāi)展路基動(dòng)載試驗(yàn)，在較短的時(shí)間內(nèi)模擬了列車動(dòng)載的長(zhǎng)期作用。主要研究結(jié)論如下:

1)在高鐵列車動(dòng)應(yīng)力水平范圍內(nèi)，保溫層處于彈性變形階段，彈性變形很小，對(duì)線路不會(huì)產(chǎn)生影響。

2)在列車動(dòng)載長(zhǎng)期作用下，保溫的累積變形能夠趨于穩(wěn)定，施加1 000萬(wàn)次動(dòng)載后，保溫層累積變形增長(zhǎng)0.06 mm，其值很小，不會(huì)影響高鐵線路平順性。

［1］張景龍．用聚苯乙烯泡沫板整治路基凍害［J］．路基工程，1996(3):59-62．

［2］胡宇，鄧榮貴，張平．EPS保溫板抗路基凍害特征分析［J］．路基工程，2003(3):32-36．

［3］王秋枝．季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍害及其防治措施［J］．鐵道勘察，2009(3):22-25．

［4］馬偉斌，韓自力，朱忠林．高速鐵路路橋過(guò)渡段振動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2009(1):124-128．

Dynamic load test study on warm-keeping layer against freeze-caused damage of subgrade of high speed railway

ZHU Zhonglin，CAI Degou，CHEN Feng，YAN Hongye，YAO Jianping
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

As thermal insulation approach is used in frost prevention for HSR subgrade，it is required that the embedded insulation board under the persistent dynamic influence of the train be put under dynamic load test for dynamism and durability inspection．T he paper chooses a trail subgrade section-with insulation layers embeddedadjacent to the ShenyangDalian section along the HarbinDalian line as the study object．Afterwards，it simulates the dynamic loading imposed as the HSR train passes by to test the dynamic stress and deformation，so as to further analyze the adaptability of the board in HSR operation．T he results indicate that as the loading is imposed 107times，board deformation increases by 0.06 mm，which is highly insignificant，therefore its impact on the overall HSR line can be overlooked．

Subgrade frost;Insulation board;Dynamic load test

U416.1+67

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．26

1003-1995(2015)04-0098-03

(責(zé)任審編李付軍)

2014-10-26;

2014-11-28

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(Z2012-062，2012G009-D);中國(guó)鐵路總公司科研試驗(yàn)(Z2013-038)

朱忠林(1971—)，男，吉林九臺(tái)人，副研究員。