既有線列車動(dòng)載對(duì)下穿錨固工程的影響試驗(yàn)研究

周文皎 蔡培堯 顏志雄 魏少偉 饒邦政

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.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；3.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣州 510088；4.中國建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300；5.伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校，美國 伊利諾伊 61820）

下穿錨索工程就是錨索從鐵路、公路的河側(cè)穿越道路正下方路基，并錨固在山側(cè)穩(wěn)定地層的錨固工程。目前大量鐵路既有線路堤擋護(hù)工程，特別是數(shù)量眾多的漿砌片石重力式擋墻、衡重式擋墻出現(xiàn)了各種病害，對(duì)其整治多以在路堤擋墻外設(shè)置抗滑樁支護(hù)為主。相比于抗滑樁，錨索用于路堤擋墻加固，具有施工周期短、擾動(dòng)小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。目前工程較少采用錨索，除了抗滑樁工藝相對(duì)簡單、施工過程直觀便于質(zhì)量控制外，對(duì)于列車動(dòng)載對(duì)下穿錨索預(yù)應(yīng)力損失影響的擔(dān)憂也是重要原因。

路基工程、支擋工程在列車動(dòng)載條件下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)一直是許多學(xué)者、工程技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)，研究成果主要集中于現(xiàn)場測試試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬領(lǐng)域。文獻(xiàn)［4-8］針對(duì)路基動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了大量現(xiàn)場測試與分析；文獻(xiàn)［9-10］采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)路基動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深入研究；文獻(xiàn)［11-16］相繼研究了車輛-軌道耦合、軌道-路基耦合和車輛-軌道-路基耦合等動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的理論與應(yīng)用，分別建立了整體系統(tǒng)模型。已有的研究成果主要集中于列車動(dòng)載對(duì)路基的影響，部分研究涉及了列車動(dòng)載對(duì)鄰近錨固結(jié)構(gòu)的影響，均沒有涉及列車動(dòng)載對(duì)下穿錨索錨固性能的研究。

鑒于此，本文以一鐵路衡重式擋墻加固工程為背景，開展現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)，重點(diǎn)研究列車動(dòng)載對(duì)下穿錨索錨固性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

該路肩擋墻為衡重式漿砌片石擋墻，中間K512+679 處為一箱涵；擋墻最大外露高度（地面線至帽石頂高度，其中帽石高40 cm）為9.5 m，擋墻外側(cè)為雜填土、棄渣。擋墻河側(cè)為黃泥河，流向與線路走向一致。工點(diǎn)基巖為二疊系深灰色泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，巖質(zhì)堅(jiān)硬，局部泥質(zhì)填充，節(jié)理發(fā)育，中風(fēng)化～微風(fēng)化。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，K512+507—K512+571 段擋墻病害主要表現(xiàn)為K512+527，K512+552，K512+567 處伸縮縫小里程側(cè)擋墻外傾，K512+527 處外傾最大達(dá)8 cm；墻面多處開裂，其中K512+552 附近變形開裂較嚴(yán)重，裂縫從片石中部貫穿；墻面現(xiàn)多處出水點(diǎn)。

對(duì)病害嚴(yán)重的K512+507—K512+571 右側(cè)路堤擋墻，采用4?15.2 mm 預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)加固，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力荷載480 kN，鉆孔傾角25°。設(shè)2～3 排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索排距（垂直線路方向）3.5 m，列距（平行線路方向）2.5 m；最上一排錨索距路肩頂面1.4 m，見圖1。圖中L為錨索設(shè)計(jì)長度。

圖1 K512+520處典型斷面設(shè)計(jì)（單位：m）

2 試驗(yàn)方案

圖2 單錨試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置（單位：m）

2）在加固工程范圍內(nèi)選取一榀3 排3 列的錨索框架梁，即第4，5，6列所在一榀為研究對(duì)象，錨索設(shè)計(jì)長度從上而下分別為28，26，24 m?？蚣荛L度7.5 m，高10.0 m，分別布設(shè)錨索測力計(jì)，實(shí)現(xiàn)群錨試驗(yàn)?zāi)康?，見圖3。

圖3 群錨試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置

考慮動(dòng)態(tài)監(jiān)測的需要，要求采用高頻記錄和采集設(shè)備，本次試驗(yàn)采用設(shè)備為光纖光柵錨索測力計(jì)和FBG8600型光纖光柵解調(diào)儀。

3 試驗(yàn)測試過程

根據(jù)預(yù)應(yīng)力長期監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果，在預(yù)應(yīng)力損失基本穩(wěn)定前提下，組織開展單錨、群錨條件列車動(dòng)載作用對(duì)下穿錨索影響深度和程度的監(jiān)測試驗(yàn)。軌道車、客車、貨車通過時(shí)進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)記錄以列車機(jī)車頭到達(dá)最近單錨點(diǎn)正上方前50 m（約2 s）開始，以車尾離開最后一個(gè)單錨點(diǎn)正上方50 m（約2 s）結(jié)束。

試驗(yàn)測試3 輛列車經(jīng)過試驗(yàn)區(qū)時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力值，軌道車為上午11：07 空車通過；某快速列車每節(jié)車廂平均有旅客5 人，下午16：22 通過；滿載貨車13：21通過。

4 單錨試驗(yàn)分析

4.1 列車動(dòng)載下單錨預(yù)應(yīng)力實(shí)測時(shí)程曲線

圖4 為同一列車通過1#—5#單錨點(diǎn)時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力實(shí)測曲線，圖中穩(wěn)定值表示實(shí)測時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力值，初始值為安裝完錨索測力計(jì)鎖定后測得的初值。

進(jìn)德修業(yè)，自覺將個(gè)人價(jià)值與社會(huì)價(jià)值相融合。曾國藩在家訓(xùn)中曾提到：“吾輩讀書只為兩事，一者進(jìn)德之事，以圖無忝所生；一者修業(yè)之事，以圖自衛(wèi)其身?！逼返滦摒B(yǎng)是一個(gè)人籌謀天下，造福蒼生的立命之本。學(xué)校高度重視學(xué)生骨干自身的品德修養(yǎng)，開展多種形式的專題講座、學(xué)生骨干專項(xiàng)培訓(xùn)、社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)等，讓德育進(jìn)課堂、進(jìn)社團(tuán)、進(jìn)班會(huì)、進(jìn)支部、進(jìn)宿舍，讓學(xué)生骨干對(duì)其入腦入心，在正確人生觀、價(jià)值觀的引領(lǐng)下，自覺把實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值融入到實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值中去，牢記圣人教誨，追隨先賢腳步，以自己的實(shí)際行動(dòng)為實(shí)現(xiàn)偉大中國夢而奮斗。

圖4 列車通過單錨點(diǎn)錨索預(yù)應(yīng)力實(shí)測曲線

由圖4可知：列車通過時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力值均出現(xiàn)偏離穩(wěn)定值的瞬時(shí)波動(dòng)，波動(dòng)曲線平衡點(diǎn)位置的預(yù)應(yīng)力值大都大于穩(wěn)定值，只有2#，5#錨索在客車通過時(shí)平衡點(diǎn)預(yù)應(yīng)力值小于穩(wěn)定值，減小10～15 kN，可能是由于溫度偏差造成一定的誤差。

從波動(dòng)曲線平衡值偏離穩(wěn)定值的量來看，并沒有出現(xiàn)1#錨索明顯大于其他錨索的情況，1#錨索在穿越線路中心線正下方時(shí)距軌面高差雖只有2.75 m，但受到的影響最大不超過3%。

4.2 列車軸重對(duì)下穿錨索預(yù)應(yīng)力影響

圖5 列車軸重對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力幅值變化影響

通過單錨點(diǎn)時(shí)，列車軸重對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力幅值變化影響見圖5?？芍?，貨車軸重最大，錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值最大，1#—5#錨索預(yù)應(yīng)力變化的幅值分別為7.81，10.19，8.24，8.51，9.79 kN；客車和軌道車軸重接近，兩者大小關(guān)系不明確，但錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值均明顯小于貨車。

4.3 列車速度對(duì)下穿錨索預(yù)應(yīng)力影響

列車速度、軸重等是影響路基振動(dòng)反應(yīng)的主要因素，同時(shí)也是影響下穿錨索的重要因素。當(dāng)列車行駛速度發(fā)生變化時(shí)，作用在路基上振動(dòng)荷載的動(dòng)力特性將發(fā)生變化，同時(shí)也使下穿錨索預(yù)應(yīng)力發(fā)生變化。

軌道車分別以30，45，60 km∕h 三種不同的速度經(jīng)過試驗(yàn)路段時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值見圖6。

圖6 不同速度時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值與路基深度關(guān)系

由圖6可知：

1）下穿錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值隨著列車速度的增加 而 增大，60 km∕h 下預(yù) 應(yīng)力值較30 km∕h 下 增大1 kN，但影響有限。

2）沿路基深度方向，下穿錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值幾乎不受列車速度變化影響。根據(jù)相關(guān)研究，在不同列車行駛速度下路基中動(dòng)應(yīng)力衰減趨勢在路基頂面3 m以上趨勢基本一致，衰減值隨著深度的增加而逐漸減小，路基頂面3 m 以下不同行車速度的動(dòng)應(yīng)力幅值非常接近。由于1#錨索距軌面2.75 m，距路基頂面約2 m，2#—5#錨索距路基頂面均在3 m 以上，因此，下穿錨索受深度影響的規(guī)律性不強(qiáng)，受錨索施工工藝及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備等因素影響更大。

4.4 列車動(dòng)載沿線路方向?qū)ο麓╁^索影響分析

以1#單錨為例，數(shù)據(jù)記錄以列車機(jī)車到達(dá)最近單錨點(diǎn)正上方前50 m 開始，以車尾離開最后一個(gè)單錨點(diǎn)正上方50 m結(jié)束，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 列車動(dòng)載沿線路方向?qū)ο麓╁^索預(yù)應(yīng)力幅值變化

由圖7（a）可知，列車在距離單錨50 m 時(shí)，軌道車對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為0.91 kN，客車對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.16 kN，貨車對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.47 kN，隨著列車距離單錨越近，單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值越大。

由圖7（b）可知，列車在離開單錨時(shí)，隨著離單錨距離的增大，單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值不斷減??；在列車車尾距離單錨50 m 時(shí)，軌道車對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.33 kN，客車對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.60 kN，貨車對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.76 kN。

在列車行駛方向，車頭距單錨50 m 時(shí)對(duì)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值的影響小于在列車車尾離開單錨50 m 時(shí)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值。推測與擋墻和錨索的協(xié)調(diào)關(guān)系有關(guān)。當(dāng)列車經(jīng)過單錨時(shí)，列車動(dòng)載首先通過鋼軌傳給路基，使路基產(chǎn)生附加應(yīng)力，路基附加應(yīng)力首先傳遞給擋墻，擋墻自身吸收部分附加應(yīng)力，剩余部分通過擋墻傳遞給錨索，這個(gè)傳遞過程需要一定的時(shí)間，因此錨索受力變化可能滯后，峰值也滯后，所以表現(xiàn)出在列車離開時(shí)單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值較大的現(xiàn)象。列車軸重越大，沿路線方向?qū)五^預(yù)應(yīng)力變化影響越大，但非常有限。

5 群錨試驗(yàn)分析

5.1 列車動(dòng)載下群錨預(yù)應(yīng)力實(shí)測時(shí)程曲線

圖8 為3 種列車通過群錨試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)各錨索預(yù)應(yīng)力變化情況?？芍毫熊囃ㄟ^時(shí)，群錨試驗(yàn)區(qū)每排的錨索預(yù)應(yīng)力值均出現(xiàn)偏離穩(wěn)定值的瞬時(shí)波動(dòng)，軌道車和貨車波動(dòng)曲線平衡點(diǎn)位置的預(yù)應(yīng)力值基本大于穩(wěn)定值，增幅在3～14 kN 之間，約為鎖定值的2.5%以內(nèi)，只有上排4#錨索在軌道車和貨車通過時(shí)平衡點(diǎn)預(yù)應(yīng)力值略小于穩(wěn)定值。而客車通過群錨時(shí)，每排的錨索波動(dòng)曲線平衡點(diǎn)位置的預(yù)應(yīng)力值大都小于穩(wěn)定值，這可能與測量誤差有關(guān)?？蛙囃ㄟ^時(shí)間為16：22，較貨車和軌道車通過時(shí)的正午溫度降低，由于溫度偏差造成一定的誤差。

圖8 列車通過群錨點(diǎn)錨索預(yù)應(yīng)力實(shí)測曲線

5.2 列車軸重對(duì)下穿群錨錨索預(yù)應(yīng)力影響

在群錨條件下，不同軸重列車動(dòng)載作用下群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值見圖9。

圖9 列車對(duì)群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值曲線

由圖9可知：①群錨條件下，錨索預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律不如單錨明顯，預(yù)應(yīng)力變化幅值基本在4～10 kN，略小于單錨幅值。②列車軸重對(duì)群錨的影響不明顯，這與群錨框架結(jié)構(gòu)整體受力的特點(diǎn)有關(guān)。

5.3 群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值沿線路方向分布特征

在群錨條件下，列車在距離群錨段50 m 處開始監(jiān)測錨索預(yù)應(yīng)力的變化，統(tǒng)計(jì)出列車動(dòng)載距群錨段50，30，10，0 m 處群錨預(yù)應(yīng)力幅值變化，見圖10?？芍毫熊囋诰嚯x群錨50 m 時(shí)，群錨上排預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為1.103 kN，中排預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為0.914 kN；距群錨0 m 時(shí)，群錨上排預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為7.472 kN，中排預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為6.654 kN。隨著列車離群錨距離越近，群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值越大。

圖10 到達(dá)群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值曲線

在群錨條件下，列車離開群錨段50 m 處結(jié)束監(jiān)測錨索預(yù)應(yīng)力的變化，統(tǒng)計(jì)出列車動(dòng)載距群錨段0，10，30，50 m 處群錨預(yù)應(yīng)力幅值變化，見圖11。列車在離開群錨0 m 時(shí)，對(duì)群錨上排預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為8.353 kN，中排預(yù)應(yīng)力變化幅值為8.113 kN，下排錨索預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為7.124 kN；列車在離開群錨50 m時(shí)，對(duì)群錨上排預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為1.429 kN，中排預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為1.269 kN，下排除5#外其他兩個(gè)錨索預(yù)應(yīng)力變化平均幅值為1.124 kN。表明列車離群錨越遠(yuǎn)，群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值越小。

圖11 離開群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值曲線

由上述分析可知，在列車行駛方向車頭距群錨50 m 時(shí)對(duì)群錨預(yù)應(yīng)力變化平均幅值的影響小于在列車車尾離開群錨50 m 時(shí)群錨預(yù)應(yīng)力變化平均幅值，但差值明顯小于單錨條件。

5.4 列車速度對(duì)下穿群錨錨索預(yù)應(yīng)力影響

通過實(shí)測軌道車以30，45，60 km∕h 三種不同速度經(jīng)過試驗(yàn)路段時(shí)，群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值見圖12。

圖12 速度對(duì)群錨預(yù)應(yīng)力變化幅值曲線

由圖12可知：①同一孔錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值隨著列車速度的增加有增大的趨勢，但并不明顯，最大變化量小于2 kN。②同一列錨索，沿著路基深度方向，上下排預(yù)應(yīng)力變化幅值與列車速度關(guān)系不大。

6 結(jié)論

關(guān)于單錨和群錨條件下列車動(dòng)載對(duì)下穿錨索的影響深度及程度，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）錨索在穿越線路中心線正下方時(shí)距軌面高差2.75 m，受到的影響最大不超過3%。列車軸重、速度等對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力變化均有影響，但影響很小，可忽略不計(jì)。

2）列車動(dòng)載對(duì)下穿錨索影響程度和深度都較小。擋墻行錨索的錨頭與軌面豎向距離大于1.8 m，列車的影響可以忽略。設(shè)計(jì)中，錨索設(shè)置位置不僅考慮這一點(diǎn)，還應(yīng)考慮避免破壞衡重墻的衡重臺(tái)和衡重墻上墻受力過大等情況。

3）根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)，軌面下1.8 m 深度處列車對(duì)豎向土體壓力的影響大于30%，其側(cè)向土壓力增大約10%，明顯大于對(duì)此深度下穿錨索預(yù)應(yīng)力的影響，究其原因，可能是既有衡重墻起到應(yīng)力調(diào)節(jié)的作用，大大減少錨索的直接受力，這也說明用錨索加固既有擋墻，可以形成“錨索+擋墻”聯(lián)合支擋效果，比兩者單獨(dú)支擋時(shí)受力更合理。

4）列車通過時(shí)，群錨試驗(yàn)區(qū)錨索預(yù)應(yīng)力值均出現(xiàn)偏離穩(wěn)定值的瞬時(shí)波動(dòng)，但增幅在3～14 kN 之間，約為鎖定值的2.5%以內(nèi)，影響較小。

5）列車軸重、速度對(duì)群錨預(yù)應(yīng)力的影響程度低于單錨條件，說明“框架+錨索+擋墻”聯(lián)合支擋模式相較于單錨條件下“錨索+擋墻”聯(lián)合支擋效果更佳。