（岩土工程专业论文）高速铁路涵洞过渡段动态响应分析.pdf

高速铁路涵洞过渡段动态响应分析 摘要 本文通过秦沈客运专线涵洞过渡段( d k 2 7 5 + 3 0 0 框构箱涵沈端过渡段) 现 场试验和二维有限元数值模型计算分析，研究了高速铁路涵洞过渡段的动不平 顺问题，得到了高速列车在速度为1 8 0 k m h 至2 5 0 k m h 时通过倒梯形级配碎石 涵洞过渡段的基床应力、位移和加速度的动态响应。具体内容有以下几方面： ( 1 ) 综合分析了国内外高速铁路路桥过渡段的不平顺存在的问题、处理原则 及方法； ( 2 ) 通过动态反应现场试验数据，分析了列车在不同时速时该路段的动应力、 动位移和加速度时程曲线及其变化规律； ( 3 ) 利用有限元方法建立了弹性动力理论的涵洞过渡段动态响应数值模型， 对其动应力和动位移进行了分析。 经研究得到以下结论： ( 1 ) 本文现场试验数据和二维有限元数值模型计算结果相近，均表明涵洞过 渡段的动态响应随列车速度的增大而增大； ( 2 ) 该涵洞过渡段中计算最大动应力值和实测最大动应力值，均小于基床允 许应力： ( 3 ) 在本次试验列车速度变化范围内，列车速度的变化对涵洞过渡段的动态 响应影响较小。 关键词：涵洞动态响应路基高速铁路过渡段 d y n a m i cr e s p o n s e o f c u l v e r t e m b a n k m e n tt r a n s i t i o n s i nh i g h s p e e dr a i l w a y s a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i s p a p e ri s t o p r e s e n t t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s u l t so nt h e d y n a m i cr e s p o n s e s t h es t r e s s ( e a r t hp r e s s u r e ) ，d i s p l a c e m e n ta n d a c c e l e r a t i o n ，o ft h et r a n s i t i o np a r tb u i l tu pb yg r a d e dc r u s h e ds t o n eb e t w e e na r e i n f o r c e dc o n c r e t eb o xc u l v e r ta n dt h ea d j a c e n te m b a n k m e n ti n t h eh i g hs p e e d r a i l w a yo fq i n - s h e n t h et r a n s i t i o ni si nas h a p eo fu p s i d e d o w nt r a p e z o i d ，w h e r e t h ee m b a n k m e n ti se m b a n k e dw i t hg r a n u l a rs o i la n dg r a d e ds t o n e ，as e r i e sr e s u l t s h a v eb e e no b t a i n e dt h r o u g ht h ei n s i t um e a s u r e m e n t sf o rt h et r a i ns p e e df r o m18 0 k m ht o2 5 0k m h ，i n c l u d i n gt h em a x i m u m s t r e s s ，d i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o na t t h es u r f a c eo ft h e r o a d b e d ( t r a n s i t i o n ) ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed y n a m i c r e s p o n s e sa n dt h e t r a i n s p e e d s f u r t h e r m o r e ，an u m e r i c a lm o d e li s p r o p o s e dt o s i m u l a t et h et r a i nr u n n i n ga c r o s st h eb o xc u l v e r t t r a n s i t i o n - - e m b a n k m e n t s y s t e mt o o b t a i nt h ed y n a m i c r e s p o n s e so f t h et r a n s i t i o n t h em a i nr e s u l t sa r e ： 1 t h ed y n a m i c r e s p o n s e so fi n s i t um e a s u r e m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r en e a r l ys i m i l a r ，b o t hi n d i c a t et h a tt h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h et r a n s i t i o no f t h e b o xc u l v e r tj n c r e a s ei na c c o r d a n c ew i t ht h e s p e e do f t h et r a i n 2 t h em a x i m u md y n a m i cs t r e s s e so ft h et r a n s i t i o n f r o ms i m u l a t i o na n d i n s i t ua r ea l ll e s st h a nt h ea l l o w a b l es t r e s so ft h er o a d b e d 3 t h et r a i n s p e e df o r m l8 0 k m ht o2 5 0 k m hh a v el i t t l e i n f l u e n c e0 1 1t h e d y n a m i cr e s p o n s e so f t h et r a n s i t i o no ft h eb o xc u l v e r t 【k e y w o r d s1 ：e m b a n k m e n t ， c u l v e r t ，t r a n s i t i o n s ，d y n a m i cr e s p o n s e ， h i g h - s p e e dr a i l w a y 北京交通人学同等学力申请硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1前言 铁路线路是由不同特点、不同性质的构筑物( 桥、隧、路基等) 和轨道构 成的，它们相互作用、相互依存、相互补充共同构成了一条连续的线路。为了 保证列车的高速、安全、舒适、不间断运行，必须把线路的不平顺控制在一定 范围。其中，铁路的线路主要是由线路上部的轨道结构和线路下部的路基桥梁、 隧道等结构物组成。轨道结构又由不同力学性能的材料( 钢轨、轨枕、道渣、 扣件等) 组合而成，其弹性较好，阻尼较大。而线路下部的路基桥梁、隧道其 刚度较大。由于组成线路的结构物在强度、刚度、变形、材料等方面的差异很 大，必然会引起轨道的不平顺。这种现象随着行车速度、轴重的提高以及快速 列车和重载列车的开行而加剧。 为了减轻因轨道刚度和变形突变等引起的轮轨动力作用，就需要在路基与 桥梁( 涵洞) 之间设置一定长度的过渡段，可使轨道刚度逐渐变化，并最大限 度地减少两者的沉降差，来降低列车与线路的振动，减缓线路结构物的变形， 保证列车的安全运行。因此在路桥过渡段必须采用与一般路基不同的处理方法 和手段才能保证高速列车的安全、平稳运行。国外在高速铁路的修建过程中， 一直非常注重路桥过渡段部位。从结构设计到施工组织、工期安排到质量检验 都采取措施，严格控制轨道刚度变化及轨面变形，以确保线路的高平顺。 由分析研究，线路不平顺问题的产生有以下原因： ( 1 ) 当轨下基础的结构不同，轨道的刚度产生突变时，使得线路产生不平 顺现象。如在路基与桥梁( 涵洞) 的连接处，由于路基与桥梁( 涵洞) 刚度差 别极大，将引起轨道刚度的变化，另一方面路基与桥台( 涵洞) 的沉降也不一 致，在桥路过渡点附近极易产生沉降差，导致轨面发生弯折。当列车高速通过 时，由于轨道刚度和变形发生突变，使得轮轨间的动力作用增大，从而引起轨 道破坏影响线路结构的稳定以至行车安全。 ( 2 ) 路基变形导致过渡段沉降差也是产生线路不平顺的原因之一，其中包 1 ! ! 塞銮望查堂旦堇堂垄皇堕塑主兰竺丝_ 文 塑二雯堕笙 括路堤下天然地基的沉降及填筑材料的压缩。过渡段的填判一般采用填土，在 施工期间，由于填料颗粒间的孔隙不能完全消除，在自重和外荷载的作用下， 孔隙率继续降低，填料逐渐被压缩，从而产生压缩下沉。另外，由于过渡段位 置的特殊性，往往会因施工作业面狭窄，碾压质量难以控制，使密实度达不到 设计要求。即使在施工中密实度达到了设计要求，在运营期间，由于路堤填土 本身的自重和动荷载的作用，都会使填土产生一一定的压缩变形，而桥台( 涵洞) 基本上不产生沉降或沉降很小，从而导致过渡段产生沉降差。此外，桥台前的 防护工程由于受到填土的水平土压力作用，将产生一定的水平位移，该位移也 将导致路桥过渡段处的路基产生沉降变形。 ( 3 ) 由于承受架桥机的超重荷载导致过渡段沉降差而产生的线路不平顺问 题。架桥机对路基面的集中荷载比列车机车要大得多。以3 2 m 预应力钢筋混凝 土梁为例，每片梁重1 1 1 3 7 t ，当架桥机( 1 3 0 5 9 型悬臂架桥机) 架设该粱时， 架桥机的前轮组对地面的压力为2 6 5 t ，后轴组重1 5 2 t ，满载时总重4 17 t ，加载 长度2 1 m 。在高速铁路中，为减小轨下基础变形，一般采取降低荷载，减轻列 车车体重量的措施。如意大利的新型高速列车e t r 5 0 0 ，机车总重7 2 t ，加载长 度2 0 8 m ，德国的试验型列车，机车总重7 8 2 t ，加载长度2 08 m ，显然架桥时 将路基将承受很大的超载作用。 ( 4 ) 路基排水不畅而导致线路病害，从而影响线路不平顺。路桥过渡段处 常会有细小的伸缩裂缝，经过地表水或雨水的渗透，在列车荷载反复作用下， 会使过渡段内产生道砟翻浆、轨枕摆动悬空、路基下沉变形、线路部件损坏及 轨面轨距变化等危害。 ( 5 ) 填筑材料选用不当导致线路不平顺问题的产生。为保证路桥过渡段的 工后沉降控制在有效范围内，填料的选择至关重要。对一般地基土，应填筑强 度高、变形小的级配粗粒料，这是世界各国高速铁路设计规范中推荐的方法。 由于该材料性质可靠，易控制，只要分层厚度适度，在较高的压实标准下，容 易密实，可减小路基本身的压缩性，可保证过渡段刚度和变形的均匀过渡，且 工后不产生大的沉降。 另外，施工方法的不当、施工质量及气候的变化等因素都有可能产生线路 不平顺问题的。 2 北京交通大学同等学力申请硕上学位论文 第一章绪论 1 2 国内外高速铁路路桥过渡段线路不平顺问题的研究现状 线路的不平顺问题引起人们关注是最早从国外在处理高速公路兴起时出现 的桥头跳车问题时开始，由于过渡段路面结构破坏或桥头跳车现象，不仅影响 乘车的舒适性、安全性，同时还影响交通的流动和桥梁的工作状态。 国外在高速铁路的修建过程中，一直非常注重路桥过渡段部位。从结构设 计到施工组织、工期安排到质量检验都采取措施，严格控制轨道刚度变化及轨 面变形，以确保线路的高平顺。目前同本在路基与桥梁( 涵洞) 过渡段设置碎 石填筑段；德国是加宽路基与桥梁( 涵洞) 过渡段中路基的宽度、道渣的厚度， 并沿桥梁至路基方向逐渐递减，以使线路刚度逐渐变化：法国是在路基与桥梁 过渡段设置过渡桥台。在我国的铁路建设中，由于各种原因，以往对路桥过渡 段的处理一直未重视，使该部位病害严重，只能靠频繁的线路养护来维持线路 的平顺性。在公路建设中，特别是高等级公路建设中，路桥过渡段的沉降差引 起的“跳车”现象较为普遍。 目前，国内外常用的路桥过渡段处理方法有加筋土堤法、粗粒料填筑法、 轻型填料填筑法、设置桥头搭板法等。国外从8 0 年代开始研究土工格栅用于解 决桥头跳车问题，并取得了积极的成果。文献 4 ，5 ，6 ，7 对高速铁路路桥过渡段在 列车荷载作用下的轨道变形进行了研究分析，从轨道变形角度提出合理确定过 渡段长度的方法；文献 1 5 对过渡段桥台与路堤填土之间在动载荷作用下的土一 结构相互作用问题进行了平面应变的有限元分析：文献 1 6 ，1 7 主要研究土工合 成材料在路桥过渡段中的应用情况。 国内对路桥过渡段线路不平顺问题的研究工作是在8 0 年代后期开展起来 的，至今，已取得了一些成果。文献 18 ，1 9 ，2 0 ，2 1 2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 6 等针对公路上 出现的桥头跳车问题进行了研究工作，但大都是或者侧重于从施工角度对桥头 跳车原因、处理方法以及过渡段设计施工中存在的问题进行探讨研究，或者侧 重于土工合成材料在路桥过渡段中应用方面进行了一些室内外研究工作。止l j i - ， 还有一些文献 2 7 ，2 8 ，2 9 ，3 0 ，3 3 ，3 4 分别从施工技术、观测手段、计算方法以及填 筑材料等不同角度对路桥过渡段进行了一些研究工作。文献f 2 9 ，3 1 ，3 2 分析了铁 路提速对路桥过渡段以及路基的影响。 3 ! ! 皇奎望查兰旦兰堂塑生堕里! 兰兰垡竺兰 兰二里望堡 但在目前，路桥过渡段的理论水平还远远落后于实际工程应用，许多实际 工程中出现的现象在理论上还找不到依据。在公路以及铁路修筑中仍然出现不 同程度的桥头跳车现象，影响乘车舒适度甚至危及行车安全。尤其因为高速铁 路在我国尚属起步阶段，高速列车运行时路桥过渡段的这一薄弱环节的动态响 应观测资料缺乏，相应的计算手段也尚显不足，缺少与实测数值的对比分析。 处理好高速铁路路桥过渡段路基的动态观测以及研究这一特殊地段路基动态计 算的行之有效的方法，显得尤为重要。 1 3高速铁路路桥过渡段技术处理措施 1 3 1 路桥过渡段的处理内容 由于路基与桥梁( 涵洞) 的工程特性差异极大，在其连接处，易产生诸如 轨道刚度变化和轨面弯折变形等不平顺问题。因此，路桥过渡段的处理包含两 个方面的的内容：( 1 ) 受列车荷载影响范围较大内( 基床以上部分) 线路结构 抵抗动荷载变形的能力及轨道综合模量( 刚度) 平顺过渡的问题：( 2 ) 刚性 桥台与柔性路基闯工后沉降差引起轨面弯折变形的限制问题。这两个方面都对 列车的运行产生影响。 1 3 2 目前路桥过渡段采用的方式 路桥过渡段采用的方式有：级配粗粒料填筑的过渡方式、加筋土填筑的过 渡方式和轻型材料填筑的过渡方式。目前，各国采用的级配粗粒料过渡方式主 要有两种：种是倒梯形结构方式，另一种是正梯形结构方式。见图1 1 所示。 基床表层 图b 图1 - 1 路桥过渡段级配粗粒料过渡方式示意图 4 ! ! 量窭望查堂旦竺堂塑生堕堡主兰竺堡兰苎二妻竺丝 我国采用的是倒梯形的级配碎石过渡方式，为了控制路桥过渡段处线路的 轨面弯折变形，满足列车高速运行的要求，京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规 定、时速2 0 0k m 新建铁路线桥隧站设计暂行规定都要求桥台( 涵洞) 后需 设置一定长度的过渡段，如图1 - 2 所示。本文所要考虑的高速铁路涵洞过渡方 式也是如图1 2 所示的路桥过渡方式。 图l 一2 高速铁路涵洞过渡段级配碎石过渡方式示意图 1 3 3 路桥过渡段的处理原则与方法 由于路桥过渡段问题产生的原因各有不同，影响程度也不一样，必须区别 对待，有针对性的进行处理，才能达到较好效果。根据高速铁路线路构造的特 点，路桥过渡段处理方法有以下几种措施： ( 1 ) 通过加强路基结构增大基床的竖向刚度，减小路基结构物的沉降。 此类处理方法的主要目的是通过加强路基以达到减小路基与桥梁之间在刚 度和沉降方面的差异、降低路桥线线路不平顺的。具体的处理方法有级配粗粒 料填筑法、加筋土路堤法、钢筋混凝措板法、轻型材料填筑法等。 1 级配粗粒料填筑法 为了减少路堤自身的压缩性，降低其工后沉降，在路桥过渡段中填筑强度 高、变形小的级配粗粒料。包括碎石、沙砾石、水泥石灰稳定沙石土、低标号 混凝土等。该方法是各国高速铁路设计规范推荐的减少路桥间沉降差的处理方 法。该方法设计意图明确，是通过使用级配粗粒料来减小路基自身的压缩性。 北京交通大学同等学力申请硕士学位论文第一章绪论 由于材料性质可靠、易控制，在较高的压实情况下，能保证该部位刚度与变形 的均匀过渡。但如果使用了优质填料，而没有进行充分的压实，同样会产生较 大的沉降，而不能发挥过渡段的功能。所以，对级配粗粒料的填筑压实和检测 标准必须进行严格规定，以取保施工质量。 2 加筋土路堤法 该方法是通过在路桥过渡段填埋一定数量的加筋材料，以增加路基强度， 大幅度提高路堤刚度，减小路基变形。通过调整加筋材料的布置间距和位黄， 可将桥背路基与桥梁交界处的台阶式跳跃沉降变成连续斜坡式沉降，能方便的 达到使路桥过渡段平顺的目的。现场试验与室内试验研究表明，加筋土路堤结 构能有效地处理桥背路基土的沉降而引起的线路不平顺。在施工中，只有按照 一定的压实标准填筑，选用适当的加筋材料，可以将桥背路基表面沉降控制在 4 5 厘米内，且沉降为线性连续性。 3 钢筋混凝土搭板法 在路桥过渡段范围内路基填土上可设置一钢筋混凝土搭板，一端支承在刚 性基础，另一端简支于枕梁上。可利用钢筋混凝土搭板的抗弯刚度来增大轨道 的刚度。搭板可水平放置，也可倾斜放置。板后可均匀，也可渐变。设计时， 搭板按简支梁设置，可使刚性桥台与柔性路基间的刚度逐渐变化。由于桥台基 础和台后路基土体的工后沉降差，使得搭板竣工会发生纵坡变化。实测资料表 明，其变化值的大小是充分发挥搭板作用、改善桥头行车舒适性的重要控制指 标。当搭板纵坡变化值在o l - 0 4 以下时，不会影响行车舒适度。所以，搭 板的设置，除了使轨道的刚度逐步过渡外，还必须是工后的路基具有足够的强 度和稳定性，严格控制路桥间的沉降差，否则设置搭板将失去功能。使用该方 法处理高速铁路路桥过渡段时需要注意：由于过渡段的范围较大、列车的质 量更重、速度更快，而底板的支撑条件、结构受力情况非常复杂，一旦破损， 更换极其困难：该方法能显著增加轨道刚度，但不能减小路基下部及地基变 形，必须配以其它处理措施才能有效地控制由此引起的轨面弯折。 4 轻型材料填筑法 由于级配粗粒料含量相对较大，容易引起地基的过大沉降。为此，近年来 6 j ! 室奎望查兰望竺兰塑生堕婴二! 兰些堡奎 塑二兰堕堡 研究发展了一种减轻结构物自重的工岂方法。咳方法可以显著减小桥背路堤填 料自身的压缩变形，减弱对地基的竖向加载作用以及对桥台结构的水平压力， 从而使填料对地基的变形影晌减小。如果该方法与地基处理综合考虑，可降低 地基处理的费用，减小地基处理范围以及缩短旌工工期。常用的轻型材料有e p s ( 聚苯乙烯泡沫塑料) 、人工气泡混合土( 泡沫水泥砂浆) 、火山灰、粉煤灰等， 这些轻型填料都具有良好的力学强度。 ( 2 ) 在路基一侧采取措施，增大轨道的竖向刚度。 此类处理方法的主要目的是通过提高轨道竖向刚度的方法来减小过渡段轨 道刚度的变化。具体有调整轨枕的长度和间距、增大轨排的抗弯模量、加厚道 床等处理方法。 ( 3 ) 在路基- - n 采取措施，减小轨道的竖向刚度。 对于桥隧等刚性结构物上的线路，可通过调整轨下垫板的刚度和设置轨下 垫块( 无渣轨道) 或渣底橡胶垫( 有渣轨道) ，是轨道的刚度与较软一侧轨道的 刚度值相适应。 ( 4 ) 改变路堤与桥台的连接形式 改进桥头线路结构的形式，显著改善两个对接性质完全不同的线路下部结 构体系在抗垂直能力方面的差异，使轨道的模量能逐步过渡，可大大改善过渡 段的动力特性。 1 4 存在的问题及本文主要研究的内容 目前，国内外有关高速铁路过渡段线路不平顺问题的处理措施，其基本原 则都是一致的，处理方案也大同小异，但对有关过渡段设计的主要技术标准、 车辆性能、线路标准及设计速度等关系，很难从一般的资料中了解到，必须开 展以列车与线路大系统相互作用的动力学为基础的理论研究，分析过渡段的不 平顺对列车运行的影响规律，并参考国内外的有关技术标准制定出符合我国车 辆、线路条件的过渡段设计标准。 北京交通大学同等学力申请硕七学位论文 第一章绪论 目前高速铁路路桥过渡的不平顺主要考虑两种类型：( 1 ) 动不平顺一一路 桥结构的刚度差在过渡段引起的轨道刚度变化，如图i 一3 所示；( 2 ) 静不平 顺一一路桥结构的工后沉降差在过渡段产生的轨面弯折变形，如图1 4 所示。 线路枞向 图1 3 过渡段轨道基础刚度变化 蛾路纵向 图1 - 4 过渡段轨面弯折变形 本文通过秦沈客运专线涵洞过渡段( d k 2 7 5 + 3 0 0 框构箱涵沈端过渡段) 现 场试验，研究了高速铁路涵洞过渡段的第一类问题，即动不平顺问题，得到了 高速列车在速度为1 8 0 k m h 至2 5 0 k m h 时通过倒梯形的级配碎石涵洞过渡段 时的应力、位移和加速度的动态响应。主要有以下几方面的工作： ( i ) 综合分析了国内外高速铁路涵洞过渡段的不平顺存在问题、处理原则和方 法： ( 2 ) 通过动态反应现场试验数据，分析了列车在不同时速时该路段的动应力、 动位移和加速度时程曲线及其变化规律： ( 3 ) 利用有限元方法建立了弹性动力理论的涵洞过渡段动态响应数值模型，对 其动应力和动位移进行了分析。 咎 三 制雾m蝴捌恭 北京交通大学同等学力申请顾士学位论文 第j 二章秦沈高速铁路涵洞过渡段动态试验 第二章秦沈高速铁路涵洞过渡段动态试验 2 1 工程背景 高速铁路是线形工程，贯通全线必然遇到众多复杂的自然地质环境，而诸 如桥梁、涵洞等铁路建筑物所处的地质情况对其设计、施工和运营的可靠性评 判有着决定性的意义。特别是铁路在高速运行过程中所产生的振动冲击，作为 - ； e e 动荷载的形式长期作用在线路上，会对线路长期沉降和质量安全产生重大 影响，并且也会放大其它因素对线路的影响程度。秦沈高速铁路是我国第一条 高速客运专线，因此，对秦沈线中的过渡段进行研究分析是一项很有实际意义 的工作。 本章主要是针对秦沈客运专线中具有代表性的涵洞过渡段进行了现场测试 并分析了涵洞过渡段的动态响应。 2 1 1d k 2 7 5 + 3 0 0 的框构箱涵沈端过渡段结构 该地段处于软土地基路段，且软土是以夹层存在。场地表层3 5 m 厚为硬 壳层，土层为砂粘土和粘砂土。硬壳层之下为软土厚度为1 5 7 o m ，呈流塑状 态。软土之下为软弱砂粘土、粘砂土夹粉细砂层。这种软弱砂粘土、粘砂土层 成层厚度一般4 5 m ，薄者2 3 m ，呈可塑状或流塑状，砂层呈饱水：状态。该 处软弱地层揭示的最大深度为2 0 m 左右。地层的显著特点是可塑层与流塑层相 间，强度较低。改良加固深度以双层地基持力层计算确定，地下水埋深2 o 3 o m 。从土工试验来看，该地段下软如土层的物理力学特性较差，强度较低， 均需进行地基处理。 线路路基面宽为1 25 m ，路基的断面型式为三角形路拱，由中心向两侧设 4 的横向排水坡：基床表层采用o 6 m 厚的级配碎石，基床底层厚度为1 9 m 。 该过渡段如图2 - 1 所示。 9 北京交通大学同等学力申请硕士学位论文第二章秦沈高速铁路涵洞过渡段动态试裂 图2 - 1d k 2 7 5 + 3 0 0 框构箱涵过渡段 2 1 2 传感器的布设 本试验研究中在各工点布设土压力传感器、位移( 加速度) 传感器，用于 量测各工点动态响应。传感器的布设如图2 4 所示。 图2 4 d k 2 7 5 + 3 0 0 框构箱涵过渡段传感器布置 传感器共两种，一种为应变式动土压力盒，用来测量列车通过时的动荷载： 另一种为加速度、速度传感器，埋设前将其凋至速度档，通过积分电路束得到 列车通过时的动位移。 0 型堡堕鎏堕! 量兰生! 堕里主兰堡堡苎 望三兰至婆童望壁堕塑塑蔓堡垦垫查蔓竺 其中土压力盒的外壳为钢制，埋设时不需特别的保护，只需保护好其导线。 埋设前将加速度传感器用硅胶封入保护盒内，引出导线，将导线穿入p v c 管后， 从埋设地点引至路肩，然后将剩余导线装入术盒后掩埋。埋设时首先，确定埋 设地点；其次，清除道碴，根据传感器直径在基床顶面开挖深度为2 0 c mi , j n l 形坑，并在路基顶面开挖同样深度的引线沟至路肩：再次，在坑底和引线沟底 铺设1 - 2 c m 厚的中粗砂，压实整平后将传感器放置在砂垫层表面，将引线穿入 p v c 保护管后引至路肩；然后，用中粗砂将坑填满、压实，在填砂的过程中要 注意不要使传感器倾斜：最后，用中粗砂填满引线沟、压实，恢复道碴。操作 如图2 - 2 、2 - 3 所示。 图2 - 2 土压力传感器安装图 图2 - 3 加速度传感器保护图 2 1 3 试验列车 本次试验列车为我国自主设计制造的“中华之星”高速列车。如图2 5 所 示。“中华之星”试验列车由一节车头( 动车组) 加上四节车厢( 拖车组) 组成。 试验中车速为1 8 0k m h 到2 5 0k m h ，最大时速达到3 0 0 h r 油。 北京交通大学同等学力申请硕士学位论文 第二章秦选蔓垄壁些涵趔丝些墼垫查堕竺 图2 5“中华之星”试验列车 21 4 数据处理分析方法 本试验中数据的处理和分析，采用数据采集处理专用软件进行重读、数值 变换( 单位和放大系数) 和滤波处理。在滤波处理时，对位移记录进行2 - 4 5 h z 带通滤波，对应力进行0 - 4 5 h z 带通滤波。同时对位移记录进行2 次微分，得到 加速度。 2 2 动应力测试结果分析 本节通过对采集来的不同时段、不同速度的涵洞过渡段动应力动态数据进 行分析，比较其在不同断面、上下层、内外两侧动应力的最大值及其动应力时 程曲线。表2 一l 至表2 7 所示为列车在不同时速时基床晟大动应力表：图2 5 至 2 1 1 所示为列车在不同时速时路基动应力时程曲线。 通过本试验量测数据，分析了该涵洞过渡段动应力与速度的关系、动应力 的纵向分布关系及动应力与轴重的关系。 22 1 列轱不同速度时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 2 ! ! 蔓銮望查堂旦兰兰垄皇堕竺兰垡堡兰 望三萱童垫蔓垩壁堕塑塑望丝垦垫型! 垒 ( 1 ) 中华之星试验车时速为1 8 3 k m h 时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 表2 - 1实测基床最大动应力( k ? a ) 距涵洞应力最大值( k p a ) 断面编号 距离上层最大值 下层最大值 ( r f l )外侧内侧外侧内侧 162 51 9 1 7815 3 9 ， 92 i8 03 2 6 5 一 3 1 22 2 7 088 5 1 38 1 41 52 21 2 186 91 4 7 89 2 2 图2 5实测路基动应力时程曲线 ( 2 ) 中华之星试验车时速为2 0 0 k m h 时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 表2 。2实测基床最大动应力( k p a ) 断面编号距涵洞应力最大值( b a ) 距离 上层最大值下层最大值 ( m )外侧内侧外侧内侧 162 4 4 32 2 4 61 6 9 1 292 1 3 03 40 7 1 j 1 22 3 1 4 1 36 71 5 3 0 41 52 4 6 01 9 8 31 5 4 27 3 8 ! ! 室至堕叁兰堕兰兰塑! 堕堡兰焦丝壅 茎三至童鎏壹垄竺坚堂望里鎏壁塑查堕塑 图2 6实测路基动应力时程曲线 ( 3 ) 中华之星试验车时速为2 0 6 k m h 时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 表2 3实测基床最大动应力( k y a ) 距涵洞 应力最大值( k p a ) j 断面编号 距离 上层最大值下层最大值 ( m )外侧内侧外侧 内侧 1 62 3 - 3 01 8 8 2】4 ，1 2 292 1 2 43 3 2 5 3 1 22 4 139 9 71 3 9 2 41 52 2 2 618 8 2 1 6 9 26 ，3 2 图2 7 实测路基动应力时程曲线 j ! 室奎望查堂堕竺兰垄皇堕堡主兰些堡苎 兰三量查鲨壹垄笪堕塑塑塾堕垦垫查苎鉴 ( 4 ) 中华之星试验车时速为2 2 2 k m h 时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 表2 4实测基床最大动应力( k p a ) 距涵洞应力最大值( k p a ) l 断面编号距离上层最大值 下层最大值 ( m )外侧 内侧外侧 内侧 162 04 4 1 94 61 6 0 1 2 92 1 3 l3 22 9 3 1 22 1 8 33 2 5 92 6 4 4150 9 41 52 2 ，6 01 41 31 4 5 3 55 3 图2 8实测路基动应力时程曲线 ( 5 ) 中华之星试验车时速为2 3 5 k m h 时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 表2 5 实测基床最大动应力( k p a ) 距涵洞 应力最大值( k p a ) 断面编号 距离 上层最大值下层最大值 ( m ) 外侧内侧外侧内侧 1 62 0 6 91 9 6 01 6 3 9 291 9 2 93 0 j 8 5 3 1 22 29 93 1 2 02 74 l1 4 8 3 41 52 2 131 2 7 1 1 3 7 l8 3 5 ! ! 皇窒望查兰型竺兰苎! 皇! 童竺：! 兰竺堡苎 兰= 童至鲨塑望墼堕塑塑丝堕垦垫查堕堕 图2 - 9实测路基动应力时程曲线 ( 6 ) 中华之星试验车时速为2 4 1 删h 时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 表2 - 6实测基床最大动应力( k p a ) 距涵洞 应力最大值( k p a ) 断面编号距离上层最大值下层最大值 ( m ) 外侧内侧外侧内侧 l62 1 3 21 7 5 31 4 7 3 2 9 2 02 63 1 5 41 53 2 1 22 3 _ 3 01 7 9 0 2 5 9 9 41 52 07 41 0 2 41 4 8 86 5 2 图2 1 0 实测路基动应力时程曲线 1 6 ，*ot 北京交通大学删等学力申请硕士学位论文第二章秦沈高速铣路涵恫过渡段动态试验 ( 7 ) 中华之星试验车2 5 0 k m h 经过时基床动应力最大值表及动应力时程曲线 表2 7实测基床最大动应力( k p a ) 距涵洞 应力最大值( k p a ) ，断面编号距离上层最大值下层最大值 ( m ) 外侧内侧外侧内侧 16l80 71 69 718 1 9 291 9 3 13 2 3 2 1 22 5 0 68 3 61 96 1 1 4 9 0 4 1 52 4 3 7l3 4 61 43 29 1 9 图2 - 1 1 实测路基动应力时程曲线 22 2 动应力与速度的关系 分析以上“中华之星”试验列车在时速为18 3 k m h 至2 5 0 k m h 通过该涵洞 过渡段不同断面时动应力与速度关系，如图2 - 1 2 及2 1 3 所示。 m芒曾)蹿el 北京交通九学同等学力申请埘l 士学位论文 第二章奏：丸高速铁路涵洞过渡段动态试验 图2 - 1 2 不同断面处动应力随速度的变化曲线( 上层外侧) 图2 - 1 3 不同断面处动应力随速度的变化曲线( 上层内侧) 从以上图示曲线，总体上来看，列车在不同速度时距离涵洞较远处基床表 面的动应力有随着速度增加而减小的趋势，下层的动应力在不同断面处基本上 不受速度的影响。 2 2 3 动应力纵向分布 拍 “ ” ” 加 伸 ” ” 一卫邑m与 拍 ” 如 ” o ml邑墅西 ! ! 蔓至丝查兰旦量兰垄生堕堡主兰堡丝奎里三茎至鲨鱼望堡堕塑塑望些些垫查苎鉴 分析不同时速时涵洞过渡段动应力纵向分布关系，基床内侧和外侧动应力 纵向分布有较大的差别。如图2 1 4 至图2 - 1 5 所示。 图2 1 4 不同速度时动应力随距涵洞距离的变化曲线( 上层外侧) 5678g101 11213 1415 ，6 d i s t a n c ef r o mc u i v er t ( m ) 图2 1 5 不同速度时动应力随距涵洞距离的变化曲线( 上层内侧) 从以上图示曲线所示，该涵洞过渡段基床内、外侧动应力的变化规律基本 上是相反的，分析认为是由于列车的摆动原因所致。为了减小列车摆动的影响， 将内、外侧的动应力进行平均，分析后为图2 - 1 6 所示。 9 蓉 迤 、 v 一 一 如 ” 加 伸 。 一日皿兰05 北京交通人学同等学力申请硕士学位论文 第二章秦沈高速铁路涵洞过渡段动态试验 图2 1 6 不同速度时动应力随距涵洞距离的变化曲线( 内外侧平均) 从上图曲线所示，动应力在内外侧平均后的变化规律基本一致，在不同速 度时动应力最大值出现在第2 断面( 距离涵洞9 米) 处。 2 24 动应力与列车轴重关系 分析该涵洞过渡段动应力与列车轴重的关系为，随着列车轴重的增大，路 基的动应力也增大。中华之星试验列车机车轴重为1 9 5 t ，车辆轴重为1 3 t ，相 差3 3 。路基动应力最大值由机车产生，如列车以2 0 0 k m h 时速通过时，路基 断面2 内侧机车产生的最大动应力为3 4 0 7 k p a ，车辆产生的最大值为2 5 5 9 k p a ， 平均值为2 0 9 5 k p a 。最大值相差2 5 ，平均值相差3 8 5 。 拍 拍 “ 如 伯 仆 一m正兰m翌并 北京交通大学同等学力申请顾十学位论文 第二章 秦沈高速铁路涵洞过渡段动i ! ! ! 兰 2 3 动位移测试结果分析 本节通过对采集来的不同时段、不同速度的涵洞过渡段动位移动态数据进 行分析，比较其在不同断面、上f 层、内外两侧动位移的最大值及其动位移时 程曲线。表2 - 8 至表2 1 4 为列车在不同时速时基床最大动位移表；图2 - 1 7 至 2 2 3 为列车在不同时速时路基动位移时程曲线。 通过本试验量测数据，分析该涵洞过渡段动位移与速度的关系、动位移的 纵向分布关系及动位移与轴重的关系。 23 1 列车在不同速度时基床动位移最大值及动位移时程曲线 ( 1 ) 中华之星试验车时速为1 8 3 k h 时基床动位移最大值表及动位移时程曲线 表2 8实测基床最大动位移( r n i i l ) 断面编号距涵洞距离 动位移最大值( m m ) ( m ) 外侧内侧 j1602 302 3 】 29o1 9o 1 8 【 31 20 4 303 5 4 1 50 8 6o 7 7 图2 - 1 7实测路基动位移时程曲线 2 ee)ce8旦n竺凸 ! ! 皇奎望查竺旦量兰生生堕型! 主兰竺丝兰垄三主奎鎏鱼望壁堕塑塑垫些丝垫查堕矍 ( 2 ) 中华之星试验车时逑为2 0 0 k m h 时基床动位移最大值表及动位移时程曲线 表2 - 9实测基床最大动位移( i t l m ) i 断面编号距涵洞距离动位移最大值( m m ) ( m )外侧 内侧 【 16o 2 4o 2 2 1 29o 2 0o15 31 2o 3 1o ，1 7 i 41 508 406 5 图2 - 1 8实测路基动位移时程曲线 ( 3 ) 中华之星试验车时速为2 0 6 k m h 时基床动位移最大值表及动位移时程曲线 表2 1 0实测基床最大动位移( r n m ) 断面编号距涵洞距离 动位移最大值( m m ) ( m ) 外侧内侧 16o 2 4 0 4 7 29o 1 9 o 1 5 31 2o 2 0 0 1 6 4 1 5o 7 7 o 6 8 北柬交通大学同等学力申请坝十学位论文第一章秦沈嚏! 重篓路涵i 塑望堕垦垄查堕丝 图2 - 1 9实测路基动位移时程曲线 ( 4 ) 中华之星试验车时速为2 2 2 k m h 时基床动位移最大值表及动位移时程曲线 表2 一l l实测基床最大动位移( m l t ，) f 断面编号距涵洞距离动位移最大值( 删n ) ( m )外侧 内惯9 j i6o 2 20 1 7 c 290 17o 1 3 31 20 2 1o 18 j 41 5o 8 60 5 7 图2 - 2 0实测路基动位移时程曲线 elt一口 eejcm81!o ! ! 皇奎望查兰堕兰兰塑生堕里圭兰堡堡奎 兰三兰墨些壹望壁堕塑塑丝塑垦垄查堡竺 ( 5 ) 中华之星试验车时速为2 3 5 k t r d h 时基床动位移最大值表及动位移时程曲线 表2 1 2实测基床最大动位移( r a m ) i 断面编号距涵洞距离动位移最大值( m m ) ( m )外侧内侧 ll6 o 2 30 2 4 29 02 20 1 5 1 20 3 0o 1 8 41 5o8 20 7 4 图2 - 2 1实测路基动位移时程曲线 ( 6 ) 中华之星试验车时速为2 4 1 k t r d h 时基床动位移最大值表及动位移时程曲线 表2 1 3实测基床最大动位移( r a m ) 断面编号距涵洞距离 动位移最大值( m m l ( m )外侧 内侧 160 2 30 2 4 290 2 901 4 31 20 3 6o 1 9 41 5 0 8 606 0 ee)cmi!a石 北京交通人学用等学力申请硕士学位论文第二曼秦沈高垄丛堕塑i 塑丝些丝苎塑查蔓鉴 图2 - 2 2实测路基动位移时程曲线 ( 7 ) 中华之星试验车时速为2 5 0 k m h 时基床动位移最大值表及动位移时程曲线 表2 1 4实测基床最大动位移( m m ) 断面编号距涵洞距离 动位移最大值( m m ) ( m ) 外侧内侧 1 16o 2 00 2 7 f 290 ，1 70 1 5 l 31 20 2 401 9 41 50 8 7o 6 2 图2 - 2 3实测路基动位移时程曲线 lolio ee)c81口m5 北京交通大学问等学力申请硕士学位论文第二章秦沈高速铁路涵洞过渡段动态试验 2 3 2 动位移与速度的关系 分析以上中华之星试验列车在时速为1 8 3 k r n h 至2 5 0 k m h 通过该涵洞过渡 段时动位移与速度关系，如图2 2 4 及2 2 5 所示。 图2 - 2 4 不同断面处动位移随速度的变化曲线( 外侧) 图2 - 2 5 不同断面处动位移随速度的变化曲线( 内侧) 从以上图示曲线所示，总体上来看随着列车速度的增大，路基的最大动位 移值变化不大，有一定的减小的趋势。内、外侧均在断面4 处达到最大( 距涵 洞1 5 米处) 。 2 6 7 6 5 4 3 0 0 0 0 d 言量芒me8罟m石 b 5 4 3 2 o 0 0 o o ee】ice84口 j ! 堡至望查兰型! 兰垄皇! ! 堡主兰堡堡奎兰三至至鎏童望丛堕塑塑整丝垦塑查蔓墼 2 3 3 动位移纵向分布 分析列车在不同时速时涵洞过渡段动位移纵向关系，如图2 - 2 6 至图2 2 7 所示。 图2 2 6 不同速度时动位移随距涵洞距离的变化曲线( 外侧) 5 67 8g101 11213141516 d l s t anc ef r o mcu ir 日r t ( m ) 图2 2 7 不同速度时动位移随距涵洞距离的变化曲线( 内侧) 从以上图示曲线所示，总体上来看线路内、外侧动位移沿涵洞过渡段的纵 向分布一般为先大后小，然后再大的波形分布。涵洞过渡段范围内的三个断面 ( 断面1 、断面2 、断面3 ) 的动位移的数值相差较小，过渡段范围之外的断面 4 达到最大，即距涵洞最远的断面的动位移的数值明显大于过渡段范围内的三 2 7 o 0 o o 0 (山eiume岂m|d凸 6 5 4 3 2 o o o 0 o e曼芒e8卫量。 ! ! 皇奎望查堂皇兰兰垄史堕堡! ：兰竺堡苎 里二兰耋兰皇垄壁堕塑塑整坚壁塑查堕丝 个断面，内侧约为过渡段范围内的动位移的2 到3 倍，外侧约为过渡段范围内 的动位移的4 倍。 23 4 动位移与列车轴重关系 分析该涵洞过渡段动位移与列车轴重的关系为。随着列车轴重的增大，路 基的动位移也增大。中华之星试验列车机车轴重为1 95 t ，车辆轴重为1 3 t ，路 基动位移最大值由机车产生，如列车以2 0 0 k i n & 通过时，路基断面4 外侧车辆 产生的最大动位移值为1 9 3 r a m ，机车产生的最大动位移为o 6 1 r a m ，相差6 8 。 当列车以2 0 0 k m h 上行通过时，路基断面3 外侧车辆产生的最大值为o ，2 9 r a m ， 机车声生的最大动位移为0 4 1 m m ，相差2 9 。 2 4 加速度测试结果分析 本节通过对采集来的不同时段、不同速度的涵洞过渡段动位移动态数据进 行2 次微分，得到加速度。分析、比较其在不同断面、上下层、内外两侧加速 度的最大值及其加速度时程曲线。表2 - 1 5 至表2 2 1 为列车在不同时速时基床最 大加速度表；图2 2 8 至2 3 4 为列车在不同时速时路基加速度时程啦线。 通过本试验量测数据，分析了该涵洞过渡段加速度与速度的关系、加速度 的纵向分布关系及加速度与轴重的关系。 2 41 列车在不同速度时基床加速度最大值表与加速度时程曲线 ( 1 ) 中华之星试验车时速