車輛行車荷載對(duì)鐵路路基加速度響應(yīng)情況分析

韋少東 郭智斌

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，一些基礎(chǔ)設(shè)施例如鐵路、道路、機(jī)場(chǎng)等設(shè)施進(jìn)行了如火如荼的建設(shè)。鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)憑借其運(yùn)輸能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、列車運(yùn)行不受自然條件的限制且可運(yùn)輸各種類型的貨物等優(yōu)點(diǎn)在我國得到了大力的發(fā)展，形成了八縱八橫的鐵路運(yùn)營骨架。鐵路路基作為鐵路線路的重要組成部分，是線路安全運(yùn)營的基礎(chǔ)。通過對(duì)路基病害的分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生病害的原因相對(duì)較為復(fù)雜，且各種病害病理并不相同，總體可以分為“地質(zhì)環(huán)境”與“列車振動(dòng)荷載和氣候變化”兩個(gè)方面[1]。

Auersch研究表明，當(dāng)列車行駛速度接近瑞利波速時(shí)，軌道和地基中會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而帶來過大的振動(dòng)[2,3]，使得鐵路路基產(chǎn)生病害，目前，對(duì)于列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)路基造成的影響研究主要有模型試驗(yàn)[4,5]和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究分析。例如：薛富春等[6]采用精細(xì)化和多尺度建模技術(shù)，建立了雙線高速鐵路軌道—路基—地基非線性耦合系統(tǒng)，歸納了移動(dòng)荷載作用下高速鐵路軌道—路基—地基系統(tǒng)中振動(dòng)加速度頻譜的衰減特性；GALVIN等[7]使用三維多體—有限元—邊界元模型，研究了有砟軌道和無砟軌道上列車引起的振動(dòng)。

屈暢姿等[8]通過分析武廣高速鐵路路基振動(dòng)情況，總結(jié)試驗(yàn)段路基動(dòng)力響應(yīng)的分布規(guī)律，并結(jié)合小波分析方法對(duì)路基的振動(dòng)特性進(jìn)行了頻域分析,提出了引起路基振動(dòng)的主要原因；王子玉等[9]對(duì)通過大慶鐵路在凍結(jié)期、春融期和正常期列車行駛過程中路基振動(dòng)加速度的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析發(fā)現(xiàn)季節(jié)凍區(qū)路基振動(dòng)加速度有效值衰減速曲線可用負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合；張光明等[10]對(duì)成灌鐵路某橋梁段地面振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,分析了不同測(cè)點(diǎn)地面振動(dòng)加速度時(shí)程特點(diǎn)及頻譜特征；馬利衡等[11]通過對(duì)滬寧城際高速鐵路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析，從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；陳建國等[12]針對(duì)軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)污染問題，研究了運(yùn)行列車引起的地面振動(dòng)及其傳播規(guī)律。

本文主要在前人研究的基礎(chǔ)上，以隴海線上某段發(fā)生路基沉降的線路為例，通過加速度響應(yīng)情況來分析鐵路路基的病害情況以及列車振動(dòng)加速度的衰減特性和規(guī)律。

1 試驗(yàn)背景

試驗(yàn)所選線路為隴海鐵路的某一段，屬于黃土填方路堤，由于近期降雨頻繁，該段路堤在持續(xù)的列車荷載作用下，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的沉降，為了不影響線路的正常運(yùn)營，采用袖閥管注漿技術(shù)對(duì)該段線路進(jìn)行加固處理。此次加速度的測(cè)定是在袖閥管注漿之前測(cè)定的，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試原件簡(jiǎn)介

試驗(yàn)所采用TST120A500壓電加速度傳感器，直徑26 mm、高28.6 mm、測(cè)量范圍：10 g、軸向靈敏度：495.743 7 mV/g、最大橫向靈敏度不大于5%，工作電壓為+18 V～+28 V，工作電流為+2 mA～+10 mA，現(xiàn)場(chǎng)加速度傳感器布設(shè)如圖2所示。

加速度信號(hào)采集系統(tǒng)采用TST3827E動(dòng)靜態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)各通道同步采樣，同步傳輸、實(shí)時(shí)存盤的優(yōu)點(diǎn)。加速度信號(hào)采集系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布設(shè)

為了研究在客、貨兩種不同類型車輛的行車荷載作用下，對(duì)鐵路路基的擾動(dòng)情況，以及荷載作用下路基壓力的消散時(shí)間與傳感器與軌道距離之間的關(guān)系。本次試驗(yàn)沿著隴海線鐵路某段線路方向布設(shè)A1，A2，A3彼此間距為3 m三個(gè)傳感器，在垂直線路方向布設(shè)B1，B2，B3共三個(gè)加速度傳感器，傳感器布設(shè)縱斷面圖如圖4所示。

3 試驗(yàn)概況及加速度響應(yīng)分析

3.1 試驗(yàn)概況

加速度采集時(shí)間為16:12:40～16:48:17，采集頻率為50 Hz，在該段時(shí)間內(nèi)共有包括客車、貨車及單機(jī)車頭共三種類型的車通過，通行車輛具體信息如表1所示。

表1 測(cè)試段列車通行表

3.2 加速度響應(yīng)分析

繪制出A3，B1測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域曲線圖，如圖5，圖6所示，在圖上用不同的線形標(biāo)示出列車信息。由圖5，圖6可知，在列車通過測(cè)點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)加速度幅度波動(dòng)變化較大，各點(diǎn)振動(dòng)上下基本對(duì)稱，貨車的加速度變化幅度大于客車，客車的加速度變化幅度大于單機(jī)車頭的，這說明列車對(duì)鐵路路基的加速度響應(yīng)情況與列車重量相關(guān)。對(duì)比圖7中的A2加速度時(shí)域曲線，當(dāng)通過的第二列客車和第三列客車在車型和車廂數(shù)基本相同的情況下，第二列客車的加速度振幅大于第三列客車的振幅；因此說明路基振動(dòng)加速度和速度有關(guān)。當(dāng)速度越大時(shí)路基振動(dòng)加速度越大，速度增加20%，加速度增加了30%，說明車速對(duì)加速度的影響比較明顯。在列車沒有通行時(shí)間段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)處的加速度值在一個(gè)較小的穩(wěn)定范圍內(nèi)變動(dòng)，說明軌道上只要有列車通行時(shí)，列車振動(dòng)波會(huì)對(duì)整個(gè)鐵路線路都有擾動(dòng)，這種持續(xù)性的擾動(dòng)會(huì)造成鐵路路基的損害，如圖中區(qū)域Ⅰ所示。

由于編號(hào)為1的貨車和編號(hào)為2的客車經(jīng)過測(cè)點(diǎn)的時(shí)間相距較近，所以兩列車在16:13:37～16:13:50這段時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生加速度疊加效應(yīng)，加速度疊加效果圖如圖7所示。

圖7中區(qū)域Ⅱ?yàn)樨涇嚱?jīng)過測(cè)點(diǎn)前的加速度響應(yīng)情況，區(qū)域Ⅲ為兩列車加速度疊加響應(yīng)情況，區(qū)域Ⅳ為客車通過后加速度衰減情況。由以上各圖中的區(qū)域Ⅱ可知，貨車經(jīng)過測(cè)點(diǎn)的前5 s加速度響應(yīng)情況由一個(gè)較為穩(wěn)定的波動(dòng)范圍變得較為劇烈，由區(qū)域Ⅳ可知，列車經(jīng)過測(cè)點(diǎn)5 s左右后，行車荷載對(duì)加速度的響應(yīng)情況回歸到無行車荷載的加速度響應(yīng)范圍值，且區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅳ的存在與測(cè)點(diǎn)離軌道的距離無關(guān)。

區(qū)域Ⅲ為兩列車疊加后的加速度響應(yīng)情況，由圖可知，該區(qū)域的加速度響應(yīng)情況較為劇烈，其波動(dòng)范圍與客車2通行時(shí)產(chǎn)生的加速度波動(dòng)幅值范圍相差不大，該疊加加速度的存在使得線路處在一種長期擾動(dòng)現(xiàn)象，從而造成鐵路路基的病害。

為了分析客、貨兩種類型的列車在上下行過程中其加速度衰減幅度與測(cè)點(diǎn)離線路距離之間的關(guān)系分別提取出列車經(jīng)過A2，B1～B3四個(gè)測(cè)點(diǎn)處的加速度峰值，如表2所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)加速度峰值

由表2可知，無論對(duì)于客車還是貨車其加速度峰值都隨著測(cè)點(diǎn)離線路的距離而逐漸減弱。此外，對(duì)于客車2和3，上行方向的客車加速度峰值大于下行方向客車的加速度峰值，這可能是由于加速度采集點(diǎn)更加靠近于上行線所導(dǎo)致的；而對(duì)于同為上行方向的客車3和6而言，客車3的加速度峰值大于客車6的，該種情況的產(chǎn)生可能與列車通行速度及列車車廂數(shù)有關(guān)；同為上行方向的貨車1和4，貨車4的加速度峰值大于貨車1的加速度峰值，可能是由于貨車的載重量、通行速度及貨車車廂數(shù)影響的。

提取各測(cè)點(diǎn)到達(dá)峰值加速度所用的時(shí)間，如表3所示。

表3 各測(cè)點(diǎn)加速度到達(dá)峰值所需時(shí)間

由表3可知，沿著線路橫向布置的A1，A2，A3三個(gè)測(cè)點(diǎn)，由于傳感器之間存在3 m的間距，且傳感器的布設(shè)離沉降的路基較近，所以其達(dá)到加速度峰值所用時(shí)間相差較大；而沿著線路縱向布置的A2，B1，B2，B3四個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器加速度達(dá)到峰值所用的時(shí)間基本一致，說明該處的路基依舊保持其穩(wěn)定性，并未發(fā)生沉降。

4 結(jié)論

本文以隴海鐵路K1462+780～K1462+1900段路堤處理為工程背景，現(xiàn)場(chǎng)采集并分析了發(fā)生沉降破壞的路堤在行車荷載下的加速度響應(yīng)情況，得到了如下結(jié)論：

1)列車行車荷載對(duì)路基加速度的響應(yīng)情況隨著測(cè)點(diǎn)離線路變遠(yuǎn)而逐漸減弱；此外，當(dāng)線路上有列車通行時(shí)，列車荷載產(chǎn)生的振動(dòng)疊加作用會(huì)對(duì)整個(gè)線路造成擾動(dòng)，從而造成鐵路路基的病害。

2)當(dāng)先后通過線路的兩列車通行時(shí)間相距較近時(shí)，會(huì)在兩列車的通行間隙產(chǎn)生加速度疊加響應(yīng)，且疊加后的加速度值較大。

3)列車行駛對(duì)鐵路路基產(chǎn)生的加速度響應(yīng)情況與列車類型、車輛載重、行駛速度及車廂數(shù)有關(guān)。

4)通過分析A2，B1，B2，B3四個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)情況，可以得知在所設(shè)測(cè)點(diǎn)位置處鐵路路基未發(fā)生沉降，沉降產(chǎn)生位置只在線路正下方附近。

5)車速對(duì)加速度的影響顯著，隨著車速提高，加速度明顯增大，速度為102 km/h時(shí)，加速度達(dá)到最大值為0.072。