既有鐵路路基K30和Ev2檢測輔助裝置及方法＊

狄宏規，冷伍明，趙春彥，余志武

(中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075)

我國既有鐵路線路長而分布廣，既有線存在著較多已經存在或潛在的病害問題［1］。隨著列車向快速、重載方向發展，列車動荷載大幅度提高，路基內應力水平、分布狀態和作用方式顯著改變，原有動態平衡破壞，進一步產生病害［2］。研究快速、可靠、全面的既有線路基檢測技術和方法成為迫切需要解決的問題［3］。目前既有線路基檢測中使用較多的方法有挖探、地質雷達法、瑞雷面波法、輕便靜力觸探、輕型動力觸探法、高密度電阻率法、核子密度儀和取樣土工試驗［4－5］，目的主要是調查翻漿冒泥和下沉外擠成因、探測路基幾何變異和隱蔽性危害、評估路基承載能力、獲得填料力學指標等。在新筑路基壓實檢測中，一般采用K30和Ev2來控制路基變形［6］。隨著貨運重載對鐵路路基的變行和強度的要求越來越高，在既有線路基檢測中引入K30，Ev2和 Evd指標，就顯得極具意義。

既有線在行車條件下，進行標貫、靜力觸探、K30，Ev2和 Evd等試驗比較困難［2］。試驗困難主要表現在:(1)表層:行車危及試驗人員人身安全;(2)底層及以下路堤:1)測試面為斜面，不便于擺放儀器設備;2)對于K30和Ev2試驗，缺少簡便的反力裝置。在現場路基檢測的荷載板試驗(K30和Ev2)中，新線路基檢測通常利用振動壓路機或鏟車等重型車輛來提供反力;而對于既有線路堤檢測，由于受行車、邊坡傾斜等影響，利用車輛來提供反力幾乎不可能實現，因此設計使用少干擾或不中斷行車的簡便有效的試驗反力裝置及試驗臺是十分必要和迫切的。

1 反力裝置與試驗臺

1.1 反力裝置

在既有線路基的K30和Ev2檢測中，反力裝置的選擇關系到試驗的精度，甚至決定著試驗的成敗。因此，采用合理的反力裝置尤為重要。由于既有線路肩作業面狹小、路堤邊坡傾斜等原因，利用車輛來提供反力幾乎不可能實現，為此，筆者設計了地錨加反力梁的簡便反力裝置(圖1)以解決這一難題。反力裝置組成部件包括地錨、反力梁和銷栓。該裝置構造簡單、構件輕便，便于人工的搬運、架設與拆卸(2～3人即可);在進行地錨埋設時，僅需鐵鍬、搗實器等鐵路工務段具備且常見的工具，具有埋設、安裝和拆卸快速方便的優點;地錨桿上設有3排銷栓孔，可以調節梁底面到測試點距離，可以在一定范圍內調節地錨的埋深，從而調節反力的大小;整個試驗過程中測試人員和儀器均在道床外側，既不影響運營線路行車，也充分保障了試驗人員的安全。

圖1 反力裝置示意圖Fig.1 Counter－force device

圖2 地錨尺寸示意圖(單位:cm)Fig.2 Dimensions of the ground anchor(Unit:cm)

1.1.1 地錨

采用直拉式地錨:由底板、加固板、錨桿組成。錨桿上設置3排銷栓孔，銷栓孔直徑(r=18 mm)，孔中心間距(d=25 cm)，見地錨尺寸示意圖2。

1.1.2 反力梁與銷栓

反力梁是反力裝置的重要組成部分，采用I 20a工字型鋼，梁長2.5 m，兩端設有2個半徑為3 cm圓孔，孔中心間距2.3 m。將千斤頂置于橫梁中心正下方時，地錨與荷載板中心間距1.15 m，符合規程［7－8］要求。銷栓采用 φ 18鋼筋。

1.2 試驗臺

針對路肩工作面狹小、邊坡斜面上儀器安放困難的問題，設計了簡易的試驗平臺(圖3)，從而構建了便于安放儀器的水平工作面。試驗臺構件主要包括:可拼接支桿、角鋼、木板、扣件和螺栓。此試驗臺構造簡單、輕便實用，只需十字螺絲刀即可快速完成安裝與拆卸;由于拼接支桿的長度和扣件高度可調節、木板也可前后移動，從而保證了K30和Ev2儀器的支腳能在三維空間自由移動和定位，故完全解決了K30和Ev2儀器在斜面上安放困難的問題。借助上述的輔助裝置，可將路堤邊坡斜面上的試驗水平面化，順利地把K30和Ev2指標引入到既有線的路基檢測中。

圖3 試驗臺示意圖Fig.3 Test bed of the side slope

由于K30和Ev2試驗儀器較輕，試驗臺不作強度驗算，構件尺寸及數量見表1。

表1 試驗臺構件尺寸及數量Table 1 Dimension and quantity of the parts

2 反力裝置埋深和強度驗算

假設反力裝置為簡支梁，參考Ev2及K30試驗相關規程［7－8］要求，試驗加載最大至 0.5 MPa，反算出反力裝置主要內力:橫梁中部反力F=35 kN，安全考慮富余15 kN，按50 kN計算;地錨拉力N=25 kN;工字梁中心截面彎矩為Mx=28.75 kN·m;梁剪力Vy=25 kN。

2.1 地錨埋深的確定

地錨的抗拔力主要包括:土柱與周圍地層的摩阻力Fs，土柱自重G，地錨的自重(較小可忽略)。土柱與周圍地層的摩阻力Fs擬參考摩爾～庫倫強度公式計算，假設地錨埋深(土柱高度)為0.8 m，其他計算參數選取參考取樣土工試驗或《工程地質手冊》［9］。以粉質粘土為例，計算參數參考值見表2。

Fs+G=34·4＞N=25 kN，地錨抗拔強度滿足試驗要求。

2.2 反力裝置強度驗算

反力裝置強度驗算特征參數取值見表3，各構件強度設計值見表 4［10－11］。

表2 計算參數值Table 2 Value of parameters

表3 計算參數取值表Table 3 Value of parameters

表4 各構件強度設計值Table 4 Designed strength values of the parts

(1)地錨抗拉可按截面有削弱的軸心受拉構件進行強度計算，截面正應力σ為

(2)工字鋼抗彎按邊緣屈服準則分析，截面邊緣正應力為σ為

工字鋼截面上的剪力主要由腹板承受，可用下式近似計算剪應力τ

(3)銷栓采用φ 18，假設剪力引起的切應力均勻分布于剪切面上，則剪應力τ為

由上知，反力裝置各構件強度滿足試驗要求。

3 設備安裝及試驗

(1)開挖測試面:在傾斜邊坡上開挖一個平行于路肩的矩形水平測試面，測試面沿線路方向長300 cm、垂直線路方向寬80 cm。

(2)開挖埋設坑:用卷尺在測試面上定出地錨的埋設位置，開挖2個直徑為50 cm、中心間距230 cm、埋深約為80 cm的圓形埋設坑。在進行加固后的路基檢測時，由于強度會有所增大，地錨埋深可考慮加至110 cm(直立地錨桿設有3排銷栓孔，對應2個設計埋深分別為80 cm和110 cm)。將挖出的土堆在2個埋設坑之間，便于回填。

(3)埋設地錨:埋設坑挖好后，先將一個地錨放入埋設坑，用路基填料土分層回填并搗實，搗實工具宜用直徑不大于18 cm的圓形搗實器。

(4)架設反力梁:將另一地錨放入埋設坑，在兩地錨的銷栓孔1上分別插上銷栓，架梁，盡量保證工字梁底面平行于測試面，再在地錨銷釘孔2插入銷栓。梁架好后，再進行第2個地錨的埋填、搗實，從而保證梁端孔能夠順利套入地錨。

(5)鋪設荷載板:鋪荷載板之前應用細砂找平試驗點，荷載板中心應在梁中心的正下方，當千斤頂加載后，確保橫梁處于最佳受力狀態(只在Y方向受彎)。

(6)架設試驗臺:1)先用螺絲將4塊角鋼連接成矩形框;2)將1 m長圓管用接頭連成試驗臺的4個角支桿并套上扣件(一般前支桿長1 m，后支桿長2 m);3)將矩形框套入4個角支桿至預定位置時用扣件固定;4)將4個角支桿擺放在邊坡上，并將2塊木板置于矩形框面的合適位置;5)在試驗臺上安放實驗儀器，通過調節支桿扣件、木板位置及K30和Ev2儀器架的3個支角來實現儀器三維移動。

(7)連接試驗儀器、開始K30和Ev2試驗。試驗步驟參照規程［7－8］，試驗完成后卸除千斤頂及儀器。

(8)卸除試驗臺裝置及反力梁，將地錨從埋設坑中挖出。

(9)將挖出的路基土回填壓實，還原路基邊坡，減小對路基的損害。

4 應用實例

朔黃重載鐵路K51+270～+280和K54+021～+031均為橋涵過渡段，由于剛性橋臺結構物和柔性路堤連接處所產生的剛度差，橋臺路堤連接地段在重載列車行車荷載的反復作用下，填土產生較大的不均勻沉降。基于863項目子課題《朔黃重載鐵路路基加固前后檢測》，對上述工點路堤進行加固前后路基檢測，檢測方法包括K30，Ev2，N10和Evd和壓實度等。由于路肩硬化，只對基床底層及以下路堤進行了檢測試驗。K30和Ev2現場試驗見圖4，各點測試結果見表5。

圖4 現場試驗Fig.4 Site test on railway side slope

表5 K30及Ev2測試結果Table 5 Testing results of K30and Ev2

從朔黃鐵路路基檢測應用中不難看出，該輔助裝置能夠滿足路堤K30和Ev2試驗要求，借助反力裝置及試驗臺在路堤上進行K30和Ev2試驗是可行的。

5 結論

既有線路基狀態的檢測和評定，是安排路基維修計劃、進行日常維修作業、指導路基改造的重要依據。為此，研究快速、準確、先進的檢測方法及設備，同時建立符合中國國情的既有線路基檢測與評價體系，滿足既有鐵路安全運營和維修作業的需要具有重要的工程實際意義。本文開發的既有線路堤檢測輔助設備和檢測方法具有如下特點:(1)該設備構造簡單，埋設、安裝、拆卸簡便;(2)試驗方法簡單、快速;(3)該檢測方法不影響正常行車，基本不損壞鐵路軌道系統;(4)能夠獲得路基的強度和變形指標(K30，Ev2和Evd)，以直接評價路基的承載能力;(5)研究設備和試驗方法具有推廣價值。

［1］郭戰偉.既有線提速路基的病害研究［D］.北京:北京交通大學土木工程學院，2006.GUO Zhan-wei.Research on the diseases of subgrade on existing railway［D］.Beijing:School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，2006.

［2］楊新安，周 青.鐵路路基病害與動力觸探試驗研究［J］.中國礦業大學學報，2002，31(4):358 －362.YANG Xing-an，ZHOU Qing.Dynamic penetration test and experimental investigation on railway track substructure［J］.Journal of China University of Mining＆ Technology，2002，31(4):358 －362.

［3］楊新安，高艷靈，劉 征.論鐵路既有線路基檢測［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(增1):2363－2366.YANG Xing-an，GAO Yan-ling，LIU Zheng.Inspection on railway track substructure［J］.Chinese Journal of rock mechanics and engineering ，2003，22(S1):2363 －2366.

［4］楊新安，孟凡江，孫經川.路基檢測技術綜述［J］.鐵道建筑技術，2006(4):56－59.YANG Xing-an，MENG Fan-jiang，SUN Jing-chuan.Summary of methods for subgrade detecting［J］.Railway Construction Technology，2006(4):56 －59.

［5］張千里，韓自力，史存林，等.既有線提速路基檢測評估技術［J］.中國鐵路，2002(8):32－34.ZHANG Qian-li，HAN Zi-li，SHI Cun-lin，et al.Technologies for detecting and evaluation of the speed－increase subgrade of existing railway［J］.Chinese Railways ，2002(8):32－34.

［6］和民鎖，李 亮，聶志紅.客運專線路基壓實指標的試驗研究［J］.鐵道科學與工程學報，2009，6(6):27－32.HE Min-Suo，LI Liang，NIE Zhi-hong.Analysis o f compaction standards used in high－speed railway subgrade［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2009，6(6):27－32.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB l0102—2004，鐵路工程土工試驗規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.Ministry of Railways of the People’s Republic of China.TB l0102—2004，Code for soil test of railway engineering［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2004.

［8］鐵建設［2005］188，變形模量 Ev2檢測規程(試行)［S］.Construct of railway［2005］188，Code for strain modulus of Ev2［S］.

［9］工程地質編委會.工程地質手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.Compile Committee of Engineering Geology.Engineering geology manual［M］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，2005.

［10］沈祖炎，陳揚驥，陳以一.鋼結構基本原理［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.SHEN Zu-yan，CHEN Yan-ji，CHEN Yi-yi.Fundamentals of steel structure［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，2005.

［11］劉慶潭，王修瓊，劉 靜，等.材料力學教程［M］.北京:機械工業出版社，2006.LIU Qing-tan，WANG Xiu-qiong，LIU Jing，et al.Material mechanics tutorial［M］.Beijing:China Machine Press，2006.