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        既有線列車動載對下穿錨固工程的影響試驗研究

        2020-07-04 07:49:26周文皎蔡培堯顏志雄魏少偉饒邦政
        鐵道建筑 2020年6期
        關(guān)鍵詞:擋墻錨索幅值

        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)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;3.中國鐵路廣州局集團有限公司,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,對其整治多以在路堤擋墻外設(shè)置抗滑樁支護為主。相比于抗滑樁,錨索用于路堤擋墻加固,具有施工周期短、擾動小、安全性高等優(yōu)點[1-3]。目前工程較少采用錨索,除了抗滑樁工藝相對簡單、施工過程直觀便于質(zhì)量控制外,對于列車動載對下穿錨索預(yù)應(yīng)力損失影響的擔(dān)憂也是重要原因。

        路基工程、支擋工程在列車動載條件下的動力學(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,研究成果主要集中于現(xiàn)場測試試驗、室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬領(lǐng)域。文獻(xiàn)[4-8]針對路基動力響應(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)模型試驗對路基動力響應(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載對路基的影響,部分研究涉及了列車動載對鄰近錨固結(jié)構(gòu)的影響,均沒有涉及列車動載對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)場實測試驗,重點研究列車動載對下穿錨索錨固性能的影響。

        1 試驗概況

        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。工點基巖為二疊系深灰色泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r,巖質(zhì)堅硬,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。

        對病害嚴(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)計長度。

        圖1 K512+520處典型斷面設(shè)計(單位:m)

        2 試驗方案

        圖2 單錨試驗監(jiān)測點布置(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象,錨索設(shè)計長度從上而下分別為28,26,24 m。框架長度7.5 m,高10.0 m,分別布設(shè)錨索測力計,實現(xiàn)群錨試驗?zāi)康?,見圖3。

        圖3 群錨試驗監(jiān)測點布置

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

        3 試驗測試過程

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

        試驗測試3 輛列車經(jīng)過試驗區(qū)時錨索預(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 單錨試驗分析

        4.1 列車動載下單錨預(yù)應(yīng)力實測時程曲線

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

        進(jìn)德修業(yè),自覺將個人價值與社會價值相融合。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。”品德修養(yǎng)是一個人籌謀天下,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)生骨干專項培訓(xùn)、社會實踐活動等,讓德育進(jìn)課堂、進(jìn)社團、進(jìn)班會、進(jìn)支部、進(jìn)宿舍,讓學(xué)生骨干對其入腦入心,在正確人生觀、價值觀的引領(lǐng)下,自覺把實現(xiàn)自我價值融入到實現(xiàn)社會價值中去,牢記圣人教誨,追隨先賢腳步,以自己的實際行動為實現(xiàn)偉大中國夢而奮斗。

        圖4 列車通過單錨點錨索預(yù)應(yīng)力實測曲線

        由圖4可知:列車通過時,錨索預(yù)應(yīng)力值均出現(xiàn)偏離穩(wěn)定值的瞬時波動,波動曲線平衡點位置的預(yù)應(yīng)力值大都大于穩(wěn)定值,只有2#,5#錨索在客車通過時平衡點預(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 列車軸重對下穿錨索預(yù)應(yīng)力影響

        圖5 列車軸重對單錨預(yù)應(yīng)力幅值變化影響

        通過單錨點時,列車軸重對單錨預(yù)應(yīng)力幅值變化影響見圖5??芍涇囕S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反應(yīng)的主要因素,同時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,作用在路基上振動荷載的動力特性將發(fā)生變化,同時也使下穿錨索預(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)過試驗路段時,錨索預(yù)應(yīng)力變化幅值見圖6。

        圖6 不同速度時錨索預(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,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)記錄以列車機車到達(dá)最近單錨點正上方前50 m 開始,以車尾離開最后一個單錨點正上方50 m結(jié)束,試驗結(jié)果見圖7。

        圖7 列車動載沿線路方向?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,軌道車對單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為0.91 kN,客車對單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.16 kN,貨車對單錨預(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,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,軌道車對單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.33 kN,客車對單錨預(yù)應(yīng)力變化幅值為1.60 kN,貨車對單錨預(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 時對單錨預(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,列車動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,這個傳遞過程需要一定的時間,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 群錨試驗分析

        5.1 列車動載下群錨預(yù)應(yīng)力實測時程曲線

        圖8 為3 種列車通過群錨試驗點時各錨索預(yù)應(yīng)力變化情況??芍毫熊囃ㄟ^時,群錨試驗區(qū)每排的錨索預(yù)應(yīng)力值均出現(xiàn)偏離穩(wěn)定值的瞬時波動,軌道車和貨車波動曲線平衡點位置的預(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平衡點預(yù)應(yīng)力值略小于穩(wěn)定值。而客車通過群錨時,每排的錨索波動曲線平衡點位置的預(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^時間為16:22,較貨車和軌道車通過時的正午溫度降低,由于溫度偏差造成一定的誤差。

        圖8 列車通過群錨點錨索預(yù)應(yīng)力實測曲線

        5.2 列車軸重對下穿群錨錨索預(yù)應(yīng)力影響

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

        圖9 列車對群錨預(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)計出列車動載距群錨段50,30,10,0 m 處群錨預(yù)應(yīng)力幅值變化,見圖10。可知:列車在距離群錨50 m 時,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,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)計出列車動載距群錨段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,對群錨上排預(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,對群錨上排預(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 時對群錨預(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 列車速度對下穿群錨錨索預(yù)應(yīng)力影響

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

        圖12 速度對群錨預(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載對下穿錨索的影響深度及程度,試驗結(jié)果表明:

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

        2)列車動載對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)計中,錨索設(shè)置位置不僅考慮這一點,還應(yīng)考慮避免破壞衡重墻的衡重臺和衡重墻上墻受力過大等情況。

        3)根據(jù)動載試驗,軌面下1.8 m 深度處列車對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,比兩者單獨支擋時受力更合理。

        4)列車通過時,群錨試驗區(qū)錨索預(yù)應(yīng)力值均出現(xiàn)偏離穩(wěn)定值的瞬時波動,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。

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