秦沈客运专线路桥过渡段路基动应力测试分析

岩石力学与工程学报 23(3)：500～504

2004年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb .，2004

2002年11月26日收到初稿，2003年1月16日收到修改稿。 * 铁道部科技研究开发计划项目(2000G047-C)。

作者 律文田 简介：男，26岁，2000年毕业地烟台大学土木工程系，现为中南大学(铁道校区)博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail ：lwt_1115@163.com 。

秦沈客运专线路桥过渡段路基动应力测试分析*

律文田 王永和

(中南大学土木建筑学院 长沙 410075)

摘要 简单介绍了高速行驶的列车通过路桥过渡段时造成的危害，以及为了改善行车条件，国内外所采取的维护措施。对我国第一条时速160 km 以上的运营线——秦沈铁路客运专线DK46+765.95～DK46+790.95的路桥过渡段路基在高速列车作用下的动应力进行了原位测试，分析了沿路桥过渡段线路纵向的动应力分布规律、列车速度和动应力的关系，以及动应力沿路基深度方向的变化规律等。分析结果认为：沿铁路线纵向动应力随车速的增大，动土压力呈现不同幅度的增加；当车速超过176 km/h 时，路基动土压力值增加幅度很小，甚至略有降低。动土压力随路基深度的增加衰减很快，并且随着深度的增加，动土压力值和静土压力值越来越接近。 关键词 道路工程，客运专线，过渡段，路基，土压力

分类号 O 347.1，U 213.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)03-0500-05

DYNAMIC STRESS ANALYSIS OF SUBGRADE-BRIDGE TRANSITION

SECTION OF QINSHEN RAILWAY

Lü Wentian ，Wang Yonghe

(Civil Engineering and Architecture Institute ，Central South University ， Changsha 410075 China )

Abstract The damage of subgrade is made by the high speed train passing roadbed-bridge transition section. Qinshen special rail line for passenger is the first railway which has the capability to run over 160 km/h in our country. The dynamic stress of subgrade-bridge transition section under high-speed train action is analyzed and tested in Qinshen railway from DK46+765.95 to DK46+790.95. The longitudinal distributive regularities of dynamic stress of subgrade-bridge transition section ，relationships between train speed and dynamic stress ，and variety of dynamic stress with depth are analyzed. The analytical results indicate that the longitudinal distribution of dynamic stress has a tendency to increase with train speed ，but when train speed exceeds 176 km/h ，dynamic stress increases a little ，even decreases slightly. Dynamic stress is attenuated very fast with depth of subgrade ，and approaches static stress as depth increases.

Key words road engineering ，special rail line for passenger ，transition section ，subgrade ，earth pressure

1 前 言

自从世界上第一条时速达210 km 高速铁路 ——日本东京至大阪东海道新干线于19年10月

正式投入运行，铁路运输取得了新的突破。法国、德国、西班牙、意大利等国相继修建了各具特点的高速铁路。高速铁路的迅速发展，对铁路路基的要求也越来越高。路基基床承受列车和轨道荷载，必须具有足够的强度和稳定性，若基床出现下沉病害，

段处尤为突出[1]。当高速列车通过这一刚度突变的区域时，由于竖向刚度的突然改变和可能的不均匀沉降，常常出现剧烈的振动或跳车现象，降低了车辆运行的稳定性和舒适性，有时还损害路面、桥面或列车轨道部件，甚至发生事故[2～4]。为了改善过渡段的行车条件，国内外在铁路建设和运营维护中使用的维护方法主要有下面3种类型：(1) 提高过渡段较软一侧的竖向刚度；(2) 增加钢轨-轨枕结构的弯曲刚度来加强过渡段较软一侧；(3) 使用衬垫或垫层来降低过渡段较硬一侧的竖向刚度[5～7]。

秦沈客运专线西起秦皇岛，东至沈阳北站，由秦山地区、沈阳枢纽及客运干线组成，全长404. km，开通时速160km，后期规划时速200km，是我国第一条全封闭、全立交的铁路客运专线[8]。铁路沿线有许多桥梁和“刚性”涵洞，高速通过的列车对路基产生很大的动力作用。为了研究列车在高速运行情况下，路基动应力的变化规律。在秦沈线DK46+765.95～DK46+790.95段路桥过渡段进行了原位试验，即在路基中分层埋设了土压力盒和加速度传感器；利用动态测试仪器进行测试，并对采集到的数据进行统计分析。

2 路桥过渡段结构形式

路桥过渡段采用的是强度高、变形小的优质材料填筑法，填料为级配碎石。级配碎石颗粒中的针状、片状碎石含量不大于20%，泥和有机质含量不超过2%。同时，在过渡段台尾2.0m范围内级配碎石中掺5%的425#普通硅酸盐水泥。其结构形式见图1，2。

3 数据采集与分析

3.1测试元件的埋设及测试系统

图1 路桥过渡段形式

Fig.1

The form of subgrade-bridge transition section

图2 1-1断面图

Fig.2 Profile of section 1-1

沿线路纵向，自桥台背起(下行线方向)，等间距地在距轨底为50cm的同一水平面上依次埋设8个土压力盒和8个加速度传感器。其中土压力盒距轨枕端面30 cm，加速度传感器距轨枕端面80 cm(如图3)。另外在垂直剖面方向上距桥台背3，10和51 m处共埋设10个土压力盒(如图4)；当距桥台背为3和15 m时，土压力盒只是在距基床表面以下60 cm处各设两个。土压力盒为BY-1型双油腔式土压力传感器，当土压力作用在传感器的一次膜板上，一次膜板中的流体将力传到中心弹性膜板，中心弹性膜板产生挠曲变形，使粘贴在弹性膜板内表面的电阻应变片的阻值发生变化。

图3 沿线路纵向元件的埋设

Fig.3 The underground setting of components along the railway

图4 断面图(距桥台背10 m处)

Fig.4 Profile section 10 m far from bridge abutment

• 502 • 岩石力学与工程学报 2004年

传感器埋设时先把土回填到略高于埋设传感器的标高，并且夯实；使土的密度接近于原始状态下的密度，而后修成水平面，然后安放传感器，在安放时用水平尺校正传感器的水平度，最后回填土层，逐层压实，回填到一定高度后，将土夯实再准备埋设下一层传感器。BY-1型土压力盒为双油腔结构，一次膜板很薄，埋设时不能接触尖锐硬物或者撞击；不能用力拽传感器引线，以免传感器引线与传感器之间的密封口被破坏，否则测得的数据不能反映真实情况。

试验列车采用“先锋号”动力分散型电力车组，该车组由2个动力单元组成，每个动力单元由2辆动力车和1辆拖车组成“1M+1T ”，全列编组6辆车，即“M c +T p +M i +M i +T p +M c ”；车体长度26.1 m 轴距18.0 m ，最大轴重14.5 t ，平均轴重12.67 t 。

将土压力盒或加速度传感器通过DH5935动态应变仪(或INV306G 智能数据自动采集处理分析仪)联接到计算机上。列车通过时，计算机可以同时记录下测试过程中所有测试元件的电信号，并将其转换成各个测点的动土压力(或加速度)波形。该动态测试系统采用人机交互界面，实用性强，并且可以长时间连续采集数据。

3.2 沿铁路线纵向动应力分布规律

以距桥台背距离为横坐标，以土压力为纵坐标，分别绘出车速在160～265 km/h 下的动土压力曲线和车速5 km/h 下的准静止土压力曲线(如图5)。由该曲线可以看出，在纵向上土压力随车速的增加，动土压力呈现不同幅度的增大，并且都大于车速5 km/h 下的准静止土压力值。当列车时速小于176 km 的情况下，动土压力曲线形状是相同的，呈现出波

动曲线形状，距离桥台背7.2和14.4 m 两处，动土压力两次达到极大值，其值分别为15.87，11.95 kPa ，是重灾点；在距桥台背16.8 m 处，动土压力达到极小值，为6.52 kPa 。当列车速度大于176 km/h 时，动土压力出现两个极大值，其值分别为18.57，15.61 kPa ，其位置是在距桥台背4.8，14.4 m 处，也是重灾点；在距桥台背16.8 m 处，动土压力达到极小值，为7.57 kPa 。而列车时速从210到255 km 时，路基动土压力的增加幅度很小。动土压力产生极大值的主要原因是路桥过渡段处轨道不平顺；由于路基和桥台的刚度相差很大，不能很好地匹配，从而造成了部分轨道的不平顺。当列车高速行驶时，就会对轮轨产生很大的冲击作用，使路基表面的竖向动应力增大。

3.3 路基动应力随车速的变化

影响路基动应力的因素很多，如机车类型、行车速度、轨道刚度、基础、路基结构和周围环境等都会对动应力产生不同程度的影响[9]。但本次试验是在同一路桥过渡段，并且采用的机车类型也相同，因此这里的路基动应力主要与车速有关。图6为沿线路纵向上各个测点随着车速增加的土压力变化图。从图中可以看出，当列车时速小于176 km 时，土压力随着车速的增加有较大幅度的增长；当列车时速大于176 km 时，土压力随着车速的增加变化很小，基本上趋于稳定，甚至有的测点在车速增加时，土压力还略有下降，这与文[10]中基面竖向动应力与车速关系曲线所反映的规律是一致的。 3.4 列车进出路桥过渡段时路基动力性能的变化

表1中给出了车速为210 km/h 的高速列车驶进和驶出路桥过渡段时路基的表面位移和土压力情

图5 土压力随车速的变化曲线

Fig.5 Variation of earth pressure with distance to bridge abutment

0.00

2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00

16.00 18.00 20.00 0

2

4

6 81012

14

16

18

距桥台背距离

/m 土压力/k P a

第23卷 第3期 律文田等. 秦沈客运专线路桥过渡段路基动应力测试分析 • 503 •

图6 土压力随车速的变化

Fig.6 Variation of earth pressure with train speed

表1 列车进出路桥过渡段路基动力性能计算结果 Table 1 Dynamic behavior of subgrade-bridge transition

section when trains gonging through

工况

基床表面位移/mm

基床表面压力/kPa

进桥 0.185 14.66 出桥 0.159

12.44

况。对测得的加速度波形分段进行二次积分，便可获得所对应测点的位移波形，表1中的数据为沿线路方向埋设的基床表层传感器所测的平均数值。基床表面的位移和土压力测试结果表明，当列车从高刚度轨道进入低刚度轨道时对路基产生的动应力要比从低刚度轨道进入高刚度轨道略小；也就是说列车的行驶方向对基床表面位移和土压力也会产生影响，但影响不大。

3.5 路基动应力随路基深度的变化

表2中列出了在不同路基深处的土压力值。表中结果表明：

(1) 动土压力随路基深度的增加逐渐减小，并且衰减的速度很快；在距基床表层250 cm 处的土压力值只是距基床表层60 cm 处土压力值的0.34～0.44倍。

(2) 当列车通过时，各个测点的动土压力值都大于与之对应的准静止土压力值。从表中看出动土压力值比准静止土压力值大16%～37%，并且随着深度的增加，动土压力值逐渐接近准静止土压力。

(3) 随着深度的增加，动土压力值越来越接近准静止土压力值，距基床表层60，120，250 cm 的平均动土压力值分别比相对应的准静止土压力值大27.2%，20.5%和13.5%。

3.6 上行线行车对下行线路基土压力的影响

图7中的曲线表示当列车通过上行线时对下行线路基动土压力的影响。从图中可以看出：(1) 列

表2 动应力随路基深度的变化

Table 2 Variation of dynamic stress with depth of

subgrade kPa

距基床表层/cm

列车速度/km ·h －

1

60 120 250

5 25.65 22.21 11.2

6 160 32.82 27.50 12.85 170 36.26 30.31 13.55 176 38.11 31.43 13.92 200 37.83 30.9

7 13.50 210 34.13 29.14 13.81 230 37.95 29.37 12.84 240 36.45 26.95 12.33 250 34.75 25.6

8 12.40 255 32.65 24.04 12.2

9 265 31.55 23.88 12.70

车的速度对土压力的影响很小，随着速度的增加，土压力增加幅度很小；有时还略有降低；(2) 当列车通过上行线时，对路基土压力影响最大的区域是在距桥台背7.2～12.0 m 的区域内，而在2.4～7.2 m 的区域内，随着列车驶向桥台，对土压力的影响越来越小。

4 结束语

(1) 当沿铁路线纵向动应力随车速增大时，动土压力呈现不同幅度的增加，并且都大于车速5 km/h 下的准静止土压力值；当车速超过176 km/h 时，路基动土压力值增加幅度很小，甚至略有降低。

(2) 列车的行驶方向对基床表面位移和土压力有一定的影响，但影响不大。

(3) 动土压力随路基深度的增加衰减很快，距

0.005.0010.0015.0020.00 150

170

190

210

230

250270290

车速/km ·h

－1

土压力/k P a

• 504 • 岩石力学与工程学报 2004年

图7 上行线行车对下行线路基土压力的影响

Fig.7 The influence of uplink trains passing on downlink earth pressure of subgrade

基床表层2.5 m 深处土压力值只是距基床表层0.6 m 深处土压力值的0.34～0.44倍，并且随着深度的增加，动土压力值和静土压力值越来越接近。

(4) 秦沈铁路客运专线在桥涵和路基交界处设置了不小于10 m 的过渡段，主要采用级配碎石和土工格栅来填筑，并对过渡段的多个测点进行了行车条件下的加速度、位移和动土压力等内容的多项原位测试。由于测试结果仅仅是基于列车运行的情况下，还没经历长时间运营的考验，有必要继续进行监测和研究。

参 考 文 献

1

王炳龙，周文杰，周顺华等. 土工固格网改善基床土的动应力分 析[J]. 铁道学报，1998，20(5)：103～108 2

蔡成标，翟婉明，赵铁军等. 列车通过路桥过渡段时的动力作用研究[J]. 交通运输工程学报，2001，1(1)：17～19

3 毛利军，雷晓燕，杜厚智. 提速线路轨道过渡段动力响应分析[J]. 华东交通大学学报，2001，18(1)：35～40

4 韩自力. 既有线提速路基的对策研究[J]. 中国铁道科学，2002，23(2)：53～58

5 Monley G J ，Wu T H. Tensile-reinforcement effects on bridge- approach settlement[J]. Journal of Geotechnical engineering ，1993，119(4)：749～762

6 罗 强，蔡 英. 高速铁路路桥过渡段技术处理措施的研究[J]. 铁道工程学报，1999，63(3)：30～33

7 胡晓旭. 关于桥头跳车问题的初探[J]. 华东公路，1996，99(2)：39～41

8 邹振华. 秦沈客运专线路桥过渡段施工技术[J]. 铁道标准设计，2001，21(10)：13～14

9 王炳龙，余绍锋，周顺华等. 提速状态下路基动应力测试分析[J]. 铁道学报，2000，22(增)：79～81

10 梁 波，蔡 英. 不平顺条件下高速铁路路基的动力分析[J]. 铁道学报，2000，21(2)：84～88

0.000.350.701.051.400

2

4 6

810121416

18

距桥台背距离/m

土压力/k P a