高速鐵路路基凍害防治中保溫層動載試驗研究

朱忠林，蔡德鉤，陳峰，閆宏業，姚建平

(中國鐵道科學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載試驗研究

朱忠林，蔡德鉤，陳峰，閆宏業，姚建平

(中國鐵道科學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，埋設在路基中的保溫板在列車動載長期作用下的動力性能、耐久性需要通過動載試驗進行研究。在哈大高鐵沈大段附近修建含有保溫層的路基試驗段，采用動載試驗機模擬高速列車產生的動荷載，測試保溫板的動應力、動變形，分析保溫板應用于高鐵路基的適應性。研究結果表明:施加1 000萬次動載后，保溫層累積變形的增長量為0.06 mm，數值很小，不會影響高鐵線路。

路基凍害 保溫板 動載試驗

在我國凍土地區，保溫法是高速鐵路凍害防治措施之一。將XPS保溫板埋設在路基中，能夠隔斷低溫向路基中滲透，減小路基體在低溫下產生的凍脹變形，保證線路的平順性。高鐵列車經過時，路基中的保溫板會受到動荷載的作用。其動力性能是否適應高鐵線路需要，在動載長期作用下材料本身耐久性是否會受到影響，需要通過動載試驗研究。

在正線上進行動載試驗會對高鐵運營產生較大影響，難以實施。為保證動載試驗條件與實際情況高度相似，在哈大鐵路沈大段DK140附近修建路基試驗段開展模擬動載試驗，借此研究保溫材料的動力特性和耐久性。

1 試驗段路基

試驗段路基按高速鐵路路基要求填筑，基床表層為摻5%水泥級配碎石，厚度0.7 m，基床底層厚2.3 m，施工時按要求進行了檢測，達到了高鐵路基的填筑要求。基床表層與底層間滿鋪0.1 m厚XPS保溫板(圖1)。

圖1 試驗段路基結構

2 傳感器的埋設

動載試驗主要測試動應力、動變形、累積變形，為此埋設了動土壓力盒、沉降板，分兩層埋設，分別在保溫層下部和上部。同時還設置了沉降基標。位移測量采用高精度電渦流位移計，能夠同時測試保溫層的彈性變形與累積變形。

位移計要安裝在沉降板的引出導桿上，位移計的基點安裝在最下層沉降基標的引出導桿上，如圖2所示。

圖2 沉降板及位移計安裝

3 加載方案

3.1 激振設備

動載設備采用SBZ30型動載試驗機(圖3)。該試驗機通過激振臺座安裝于線路上，能夠輸出各種激振力，模擬高速列車產生的動荷載。模擬動載連續施加，可在一定的時間內達到實際列車長期運營的動載次數。動載試驗機供電電源為380 V三相交流電，電源通過大功率變頻器連接動載試驗機上部電機，電機驅動試驗機內振動偏心塊旋轉產生振動力。調節變頻器的頻率可控制動載試驗機的振動頻率，調節動載試驗機側邊的對位齒輪能夠改變振動偏心塊的力矩，由振動頻率與振動力矩的配合調整能夠得到設計要求的激振力。將振動試驗機安裝在高鐵線路上的激振臺座上，其激振力施加在線路上，從而模擬高速列車產生的動荷載。

3.2 激振臺座

激振臺座為用現澆鋼筋混凝土制作的位于加載路基上的長方體結構，功能是將動載試驗機產生的激振力傳輸到線路上。臺座在澆筑時預埋螺栓，螺栓位置與試驗機底板安裝孔位相對應，并與臺座內鋼筋焊接牢固，四角的螺栓比四邊的螺栓直徑大，以使試驗機工作時更加穩定。

3.3 動載施加與測試

激振力與偏心矩、動載頻率有關。偏心矩可以在激振機上調節，動載頻率可以通過變頻器調節。通過測試路基中的動應力、動位移，經過分析能夠更準確、直接地得到激振頻率。根據高鐵路基動應力的實測數據，長期動應力值為11～16 kPa，本次在10～25 kPa范圍內進行動力特性試驗。

長期動載試驗加載次數達到1 000萬次。數據測試頻率為每10萬次采集一次數據，同時測試靜態沉降。數據采集采用多通道24位高精度數據采集儀，采集頻率為1 024 Hz，每次采集的時間為5 s，以保證采集的數據量能夠滿足數據分析的要求。

圖3 動載試驗機

4 路基動應力

加載過程中保溫層處典型應力波形如圖4所示。

首先進行各種應力的動載試驗，測試保溫材料的彈性變形和累積變形。在掌握了其規律后，按標準應力(11～16 kPa)進行長期動載激振試驗，以進一步研究保溫材料的耐久性與動力性能。試驗測量的長期動載下保溫板處動應力見圖5。

圖4 典型動應力波形

圖5 長期動載下保溫板處動應力

5 動載作用下的彈性變形

5.1 彈性變形的測試情況

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測量。首先測量保溫板上及板下相對于沉降基桿的動位移，再計算出板上與板下動位移的差值，即可獲得保溫板的彈性變形值。典型的動位移波形如圖6所示。

圖6 典型動位移波形

5.2 不同動應力水平下的彈性變形

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

圖7 保溫板的彈性變形與動應力關系曲線

在高鐵列車動應力水平下，保溫層的動變形在0.08 mm以內，對線路不會產生影響。

6 長期動載作用下的累積變形

6.1 累積變形的測試情況

保溫層累計變形與彈性變形測量采用同一傳感器，由安裝在沉降板引出桿上的電渦流位移計測量。在每10萬次進行動態數據采集后，暫停激振，迅速進行沉降板的靜態測量，然后快速恢復激振。

由靜態測量初值以及每次的靜態測量值計算出埋設在保溫板上部與下部相對于沉降基標的沉降值，再計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 累積變形測試結果

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

在多種動應力水平的加載過程中，達到較高動應力水平時，累積變形有發展的趨勢，發展速度較慢。在高鐵動載作用下，保溫的累積變形能夠趨于穩定，施加1 000萬次動載后，保溫層累積變形增長0.06 mm，數值很小，與彈性變形的測試結果一致。可見處于彈性變形范圍內的保溫層，其累積變形很小，不會影響高鐵線路。

圖8 長期動載下保溫層累積變形

7 結論

本文采用模擬動載試驗的方法開展路基動載試驗，在較短的時間內模擬了列車動載的長期作用。主要研究結論如下:

1)在高鐵列車動應力水平范圍內，保溫層處于彈性變形階段，彈性變形很小，對線路不會產生影響。

2)在列車動載長期作用下，保溫的累積變形能夠趨于穩定，施加1 000萬次動載后，保溫層累積變形增長0.06 mm，其值很小，不會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．季節性凍土地區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．高速鐵路路橋過渡段振動特性試驗研究［J］．巖土工程學報，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

(責任審編李付軍)

2014-10-26;

2014-11-28

鐵道部科技研究開發計劃項目(Z2012-062，2012G009-D);中國鐵路總公司科研試驗(Z2013-038)

朱忠林(1971—)，男，吉林九臺人，副研究員。