（岩土工程专业论文）秦沈客运专线涵洞洞顶不同填土厚度试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文结合铁道部秦沈客运专线综合试验科技攻关项目( 合同编号： 2 0 0 0 g 4 8 一f 一2 ) 涵洞洞顶不同填土厚度试验研究这一科研课题而完成。秦 沈客运专线是我国第条客运专线，是按时速2 0 0 公里以上设计的我国第一 条双线电气化客运专线，它代表了当今中国铁路建设的最新建设理念和最高 技术水平，体现了具有运行速度高、技术含量高、质量要求高和规程规范新、 技术标准新、施工工艺新“三高三新”的特点。高速铁路在我国还处在 剐起步阶段，新建时逮2 0 0 公里客运铁路在我国尚属开创性工程，前无实践 工程，对它的研究有待进一步深入。 本文介绍了秦沈客运专线试验研究现状，介绍了涵洞洞顶不同填土厚度 现场试验及其准备情况，分析了现场试验结果，讨论了涵洞洞顶不同填士厚 度和列车速度对钢轨动应力、动土庄力、盖板动应力以及行车安全性和舒适 性的影响，得出列车高速运行情况下的涵洞动力系数和速度影响系数，并将 试验结果与现有的研究成果进行了分析比较，采用有限元数值计算方法对涵 洞在高速列车过载的情况进行了涵洞涸顶填土厚度优化计算，并将计算结果 与试验结果进行了比较分析，最后提出了本文的结论，并提出相应的建议。 通过对秦沈客运专线涵洞洞顶壤土厚度的试验研究，可得出以下几点主 要结论：1 涵洞益板板顶填土厚度越高，列车运行的舒适度越高，但沉降越 大；2 通过综合比较，填土厚度选择1 2 0 m 是个较合适的厚度；3 涵洞钢 轨、盖板和土压力动力系数随填土厚度增加而减小；4 三维有限元计算采 用的计算模型和计算参数合理，理论计算结果与模型试验结果吻合较好，计 算结果可靠。 关键词：客运专线；涵洞；填土厚度；动力系数：有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i si sc o m p l e t e do nt h eb a s i so ft h em i n i s t r yo fr a i l w a y s c o m p l e xt e s t t h es t u d yf o rd i f f e r e n tf i l ld e p t ho nt h ec o v e rs 1 a b s o ft h ec u 【l v e r t so nq i n h u a n g d a o s h e n y a n gd e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e i n c h i n 县，t h e1 i n ei st h ef i r s td e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e ，w h i c hi sa l s o t h ef i r s td o u b l e t r a c k ，e l e c t r i f i e da n dd e d i c a t e dp a s s e n g e r1 i n e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es p e e do f2 0 0 k m h t h e1 i n es t a n d sf o rt h e n e w e s td e s i g ni d e a sa n dt h ef i r s tc l a s s i ct e c h n o l o g yl e v e lo fo u r c o u n t r i e s r a i l w a yc o n s t r u c t i o na n de m b o d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f “t h r e eh i g ha n dt h r e en e w ”w h i c ha r eh i g hs p e e d ，h i g ht e c h n o l o g y c o n t e n t ，h i g hq u a l i t yr e q u i r e m e n t ，n e wr e g u l a t i o n sa n ds p e c i f i c a t i o n s ， n e wt e c h n i c a ls t a n d a r da n dn e wc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y h i g h s p e e d r a i l w a y i sa tt h ep h a s eo f s t a r ta n dt h e n e w l y c o n s t r u c t e d a n d d e d i c a t e dp a s s e n g e r1 i n ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es p e e do f2 0 0 k m h i s a nc r e a t i v ee n g i n e e r i n gi nc h i n a ，t h a ti s ，t h e r ei sn oe x i s t i n g a n a l o g o u so n e s oi t i sw o r t ho fm o r es t u d i e s f i r s t l y ，t h e t h e s i si n t r o d u c e st h es t u d i e so ft h et e s t so n q i n h u a n g d a o s h e n y a n gd e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n ea n da l s oi n t r o d u c e s t h ef i e l d st e s t so fd i f f e r e n td e p t hb a n k e t t eo nt h ec o v e rs 1 a bo ft h e c u l v e r t sa sw e l la st h e i rp r e p a r a t i o n so nt h e1 i n e s e c o n d l y ，t h e t h e s i sa n a l y s e st h er e s u l t so ft h ef i e l dt e s t s ，d i s c u s s e st h ei n f l u e n c e o ft h ed i f f e r e n tf i l l so nt h ec o v e rs 1 a bo nt h ec u l v e r t sa n dt h es p e e d o ft h et r a i n sf o rt h ed y n a m i cs t r e s so ft h es t e e lo ft h es t e e lr a i l ， d y n a m i ce a r t hp r e s s u r e ，d y n a m i cs t r e s so ft h ec o v e rs l a b a sw e l la s r u n n i n gs a f e t ya n dc o m f o r ta n dt h e no b t a i n e dt h ed y n a m i cc o e f f i c i e n t o ft h ec u l v e r t sa n di n f l u e n c ec o e f f i c i e n to ft h es p e e dw h e nt r a i n sr u n a t h i g hs p e e d t h i r d l y ，t h er e s u l t s o ft h et e s ta r e c o m p a r e da n d a n a l y z e dw i t he x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l m e t h o di sa d o p t e df o rc o m p u t a t i o nf o rt h eo p t i m a lf i l ld e p t ho nt h e c o v e rs 1 a bw h e nt h et r a i n sr u na th i g hs p e e do nt h ec u l v e r t ，a n dt h e n t h ec o m p u t a t i o n r e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t e s t s f i n a l l y ，t h e c o n c f u s i o na r e p r e s e n t e d a n ds o m ea d v i c e a c c o r d i n g l yi nt h e t h e s i s b ys t u d y i n gt h et e s t so ft h ed i f f e r e n td e p t hf i l i o nt h ec o v e r s l a bo ft h ec u i v e r t so nq i n h u a n g d a o s h e n y a n gd e d i c a r e dp a s s e n g e rli n e s e v e r a lp r i n c i p a lc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e da sb e l o w ： 1 t h ef i l lo nt h ec o v e rs l a bo ft h ec u l v e t t si sm o r et h i c k ， t r a i n sr u nm o r ec o m f o r t a b l yo ni tb yt h es e t t l e m e n tism o r e l a r g e ： 2 b yc o m p l e xc o m p a r i n g ， 1 2 mi sar e l a t i v e r e a s o n a b l e t h i c k n e s sf o rt h ef i l l s ； 3 t h ed y n a m i cc o e f f i c i e n t so ft h es t e e lr a ilo nt h ec u l v e r t ， t h ec o v e rs l a ba n de a r t hp r e s s u r eg e ts m a l lw i t ht h ef i l l b e i n gt h i c k ： 4 t h em o d e la n dp a r a m e t e ra d o p t e di nt h e3 - df i n i t ee l e m e n t c o m p u t a t i o na r er e a s o n a b l e ，t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sf i tw e l l w i t ht h er e s u l t so ft h em o d e lt e s ta n dt h ec o m p u t a t i o n r e s u l t sa r er e l i a b l e k e yw o r d s ：d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e ：c u l v e r t ：f i l ld e p t h ：d y n a m i c c o e f f i c i e n t ：f i n i t ee l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着列车速度的提高，列车荷载对结构物的动力影响愈见突出，对涵洞 的影响也不可忽视，特别是当路堤的高度较小时，其影响更大。我国的高速 铁路从理论到实践还刚刚起步，有许多基础性的研究必须加紧进行。从世界 高速铁路的发展经验来看，加强这些基础性的研究，才能使铁路建设建立在 科学合理的基础上。传统的拟静力法是值褥研究的，尤其是动力系数取值关 系到结构物的安全和经济，更应慎重。此外，涵洞洞顶填士的动土压力分布 特征亦应加以充分的研究。秦沈客运专线列车时速较高而路堤高度普遍较 小，动力影响会更加突出。 鉴于上述原因，开展对高速列车通过时涵洞的工作性能的研究，具有重 要的理论和实际意义。作者参与了西南交通大学罗书学教授负责的铁道部重 点科研项目秦沈客运专线综合试验科技攻关项目涵洞洞顶不同填土厚 度试验研究( 合同编号：2 0 0 0 g 4 8 - f - 2 ) ，在试验研究与分析计算的基础上， 完成了本文。 1 1 秦沈客运专线概况及试验研究现状 1 1 1 铁路发展趋势及最新进展 铁路的发展趋势是高速化、重载化和多式运输。铁路作为一种经济的、 大运量的交通工具，在各个国家的经济生活中做出了重大贡献。但近年来， 遇到了航空和公路的严峻挑战，促使各国铁路进行内部的体制改革和运输手 段上的技术创新，铁路高速化应运而生。一般认为，时速2 0 0 公里以上称为 高速铁路“3 。按这个说法，高速铁路自5 0 年代就出现了，至今已有了4 0 多 年的发展历史。 1 9 6 4 年至1 9 9 0 年是世界上高速铁路发展的最初阶段。在这期间建设并 投入运营的高速铁路有日本的东海道、山阳、东北和上越新干线；法国的东 南t g v 线、大西洋t g v 线：意大利的罗马至佛罗伦萨线以及德国的汉诺威至 维尔茨堡高速新线。这期间，日本建成了遍布全国的新干线网的主体结构。 除了北美以外，世界上经济和技术最发达的日本、法国、意大利和德国推动 了高速铁路的第一次建设高潮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 高速铁路建设在日本和法国所取得的成就影响了很多国家。8 0 年代末， 世界各国对高速铁路的关注和研究酝酿了第二次建设的高潮。第二次建设高 峰于9 0 年代在欧洲形成，所波及到的国家主要有法国、德国、意大利、西班 牙、比利时、荷兰、瑞典和英国等国家。1 9 9 1 年瑞典开通了x 2 0 0 0 摆式列车， 1 9 9 2 年，西班牙引进法、德两国的技术建成了4 7 1 公里长的马德里至塞维利 亚高速铁路。1 9 9 4 年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一 条高速铁路国际联接线。1 9 9 7 年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比 利时、荷兰和德国连接在一起。 在这一时期的曰本，因早己完成了新干线路网骨干结构的建设，高速路 网的建设开始向全国普及发展。日本于1 9 9 6 年起开通了福岛、山形两条小型 新干线，为既有线的提速改造走出了一条新路。法国和德国则在修建高速铁 路新线的同时，实施对既有线的改造。 高速铁路的建设与研究自9 0 年代中期形成了第三次高潮，这次高潮波 及到亚洲、北美、澳洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的一场复兴运 动。自1 9 9 2 年以来，俄罗斯、韩国、我国台湾省、澳大利亚、英国、荷兰等 国家和地区均先后开始了高速铁路新建线的建设。据不完全统计，为了配合 欧洲高速铁路网的建设，东部和中部欧洲的捷克、匈牙利、波兰、奥地利、 希腊以及罗马尼亚等国家正在进行干线铁路改造，全面提速，2 0 0 4 年我霉台 湾和韩国釜山先后开通高速铁路。当前正在修建高速铁路新线韵国家和地区 达到1 2 个，在建新线总长3 5 0 9 公里。 8 0 年代末，我国铁路已将高速化提上了议事日程，9 0 年代初，建成了 第一条广深准高速铁路，1 9 9 7 年至今已实施了五次大面积既有线路提速。在 实施铁路大提速战略中，秦沈客运专线担当起“领衔主演”的重要角色。 1 1 2 秦沈客运专线概况 秦沈客运专线是我国第一条客运专线，西起秦皇岛终至沈阳北站，全长 4 1 4 6 4 公里，是按时速2 0 0 公里以上设计的我国第一条双线电气化客运专线。 作为2 1 世纪初中国铁路现代化标志工程，它代表了当今中国铁路建设的最新 成就和最高技术水平，体现了具有运行速度高、技术含量高、质量要求高和 规程规范新、技术标准新、施工工艺新一“三高三新”的特点。 客运专线2 0 0 至2 5 0 公里的运行时速，决定了路基、轨道、桥涵及“四 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电”工程必须采用全新设计标准和大量新技术、新材料、新结构、新工艺， 以先进科学技术实现列车的快速运行，同时最大程度地保证列车运行的安全、 舒适和环保，它是目前我国技术层次最高、创新内容最广的铁路，这一切， 使得秦沈客运专线比其他普通铁路大大提高了一个档次。 1 i 3 秦沈客运专线试验研究现状 为验证线、桥、涵工程以及机车车辆、通信信号、牵引供电综合技术性 能，以实现秦沈客运专线开通运营后快速、舒适、安全、环保的目标，铁道 部在2 0 0 1 2 0 0 2 年一年多时间里先后组织了三次综合试验。 2 0 0 1 年1 2 月5 日至9 日，铁道部在山海关至绥中试验段组织进行了第 一次综合试验。采用“神州号”内燃动车组，试验最高速度达2 l o 7 公里 小时。这次试验主要测试了已完成铺轨任务的综合试验段上列车运行的安全 性、平稳性，并选择典型的桥梁，路基、无碴轨道和3 8 号道岔进行了监测。 试验结果表明综合试验段的线路状态良好。 2 0 0 2 年9 月5 日至1 2 日进行的第二次综合试验与第一次试验大不相同。 试验采用的是国产“先锋号”动力分散型电力动车组。试验目标速度高，属 新技术、新结构、新设备的试验项目多，参试单位和人员多，试验周期长， 试验难度大。最高试验速度达2 9 2 公里小时。试验的主要目的是：验证秦沈 客运专线的线路、桥梁、路基、路桥过渡段等工务工程的基本设计参数及定 型图和减振降噪措施的经济合理性，为时速2 0 0 公里新建铁路线桥隧站设 计暂行规定和更高速度铁路的线桥隧站设计暂规的修订完善提供技术 依据；检验“先锋号”动力分散型电力动车组在秦沈客运专线运行的安全性 和平稳性；检验秦沈客运专线的牵引供电系统和不同悬挂方式接触网的运行 安全性、稳定性和可靠性，评价其设计参数和设备选型的合理性：测试联调 秦沈客运专线的列车运行控制系统和通信信号系统，检验其运行的安全性和 可靠性，改进完善列车控制系统中的车载设备和地面设备的配合，确保行车 安全。 2 0 0 2 年1 1 月2 1 日开始在前两次综合试验的基础上进行第三次秦沈客运 专线综合试验。在1 1 月2 7 日“中华之星”电动车组成功创造了中国铁路的 最高试验速度3 2 1 5 公里4 , 时。 涵洞洞顶不同填土厚度试验研究项目组参与了上述第二、第三次综 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 合试验，卜3 o m 涵洞共有3 个测试工点，见表卜1 。 表i - i 测试工点一览表 编号里程样式跨度斜交角洞高洞顶填土高 涵6 - ii ) k 4 0 + 9 2 9单孔盖板涵3 o m1 6 4 3 5 m0 8 6 m 涵6 2d k 4 9 + 6 8 9单孔盖板涵3 o m1 1 6 7 9 2 1 m1 2 0 m 涵6 - 3d k 6 9 + 8 5 7单孔盖板涵3 o m4 5 。3 5 m1 6 4 m 涵6 一l 和涵6 - 2 由西南交通大学负责测试，涵6 3 测试工点由课题组另 一单位测试，作者参与了涵6 - i 和涵6 2 两个工点的测试。 1 2 秦沈客运专线涵洞试验技术和研究方法 1 2 1 涵洞试验技术 在现场对涵洞进行动力试验，利用应变计、土压力盒、动态应变仪，数 据采集系统对数据进行采集，并利用数据分析软件对现场大量的测试数据进 行科学的整理和分析，找出涵洞洞顶在不同填土厚度时动荷载作用下土压力、 钢轨应力和涵洞动力响应的一般规律，得出一些基于试验做出的结果。通过 对列车经过涵洞时的钢轨应力、涵洞洞顶土压力、涵洞盖板应力的测试、分 析和研究，确定试验条件下各种填土厚度的涵洞结构受力情况、动力作用传 递规律、冲击系数和速度影响系数进而确定秦沈客运专线在满足列车运行 安全前提下，经济合理的涵洞洞顶填土厚度值。然后利用计算机程序去分析 现场受力情况，得出一个基于理论和计算分析的优化的涵洞洞顶填土厚度， 并对这两种途径所做出的结果进行分析比较，得出一个合理的涵洞洞顶填土 厚度。 1 2 2 研究方法 由于秦沈客运专线是我国第一条客运专线，国内尚无规范可供使用。目 前，国内对于涵洞洞顶填土厚度的确定，主要是参考国外的规范及资料，根 据理论分析确定涵洞涵顶最小填土厚度的设计原则。但由于岩土性质的特殊 性和差异性、高速列车与轨道、路基及涵洞等相互作用的复杂性，完全由理 论分析来确定涵洞洞顶的填土厚度，其适用性和可靠性尚需现场试验的验证。 本文采用试验分析结果结合优化理论和有限元法来确定涵洞洞顶填度厚度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 选题意义与研究内容 1 3 1 选题意义 秦沈客运专线是一条以客运为主的双线电气化快速铁路，开通伊始的列 车速度即可达到1 6 0 公里，小时以上，设计速度2 0 0 公里d 时，基础设施预 留提速至2 5 0 公里d 时( 甚至更高) 的条件。秦沈客运专线技术标准高，许多 设计内容已达到高速铁路设计标准。因此，无论是设计理论和设计手段、施 工方法及工艺，还是其运营管理模式等等，都有着许多不同于普通铁路之处， 尤其是在设计、研究过程中，设计者们围绕着高速铁路的技术特点，做了许 多有益的探索。 高速铁路在我国还处在刚起步阶段，新建时速2 0 0 公里客运铁路在我国 尚属开创性工程，前无实践工程，对它的研究有待进一步深入。高速列车运 行通过涵洞时，由于涵洞洞顶的填土厚度不同，其刚度与路基及过渡段的刚 度存在着较大差异，且涵洞本身在列车动力荷载的作用下亦有不同的动力反 应。这些因素对高速列车运行安全、旅客舒适度等方面的影响值得深入研究。 它们对于涵洞结构和轨道的受力也会有很大的影响。合理地确定涵洞洞顶填 土高度是确定线路整体标高、线路的挖填方等设计项目的决定性因素，也是 影响铁路工程材料、工程造价和工期的重要因素。开展涵洞洞顶不同填土厚 度的试验研究不仅对秦沈客运专线的建设和发展有着重要指导意义，且还可 为时速2 0 0 公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定和京沪高速铁路设计 暂行规定提供补充、修改建议。 1 3 2 研究内容 本文主要研究涵洞在高速列车荷载作用下动力响应特性，内容包括涵洞 钢轨应力、土压力及盖板应力的动力响应特性：钢轨应力、士压力及盖板应 力的分布特征及与列车速度和洞顶填士厚度的关系，提出高速列车通过时的 动力系数，冲击系数和合理的洞顶填土厚度的建议。 1 3 2 研究的思路与框架 由于目前我国对时速2 0 0 公里铁路涵洞漏顶填土厚度设计资料缺少，本 文主要采用现场试验、优化理论和有限元数值分析相结合的研究方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 本文的基本思路是：首先研究秦沈客运专线涵洞洞顶不同填土厚度试验 的理论基础，在这基础上确定试验方案和方法：然后按照该试验方案方法进 行现场试验研究，并对测试数据进行科学的整理和分析：第三再在采用优化 理论和有限元法进行涵洞受力分析；最后根据试验及数值计算的结果提出对 涵洞洞顶的合理的填土厚度建议。本文的基本内容基本上按照以上的思路来 安排。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章涵洞洞顶不同填土厚度现场试验 2 1 测试工点工程概况 秦沈客运专线是我国自己研究、设计、施工的时速2 0 0 公里的第一条高 速铁路客运专线，它的建设和投入运营，将带动我国铁路综合技术水平的大 幅度提高，并将进一步加快我国铁路客运高速化的进程。涵洞洞顶不同填土 厚度试验跨度为卜3 o m 的3 座涵洞位于秦沈线西部试验段( 山绥试验段) 上， 各涵洞的样式、跨度、斜交角、洞高和洞顶填土高度等参数见表1 - 1 ，其地 质情况见表2 - 1 ，设计情况见表2 - 2 。 表2 - l 测试工点地质情况 层深基本承载力3 m 内 里程说明 ( m )( k p a )有无水 混合花岗岩：棕褐色， d k 4 0 + 9 2 90 - 3 04 0 0有弱水 风化极严重呈土夹砂状 d k 4 9 + 6 8 90 - 1 5混合花岗岩：褐红色4 6 0无 d k 6 9 + 8 5 7 0 - 3 0混合花岗岩：褐红色4 0 0 无 表2 - 2 测试工点设计情况 设计流量基底设计基底容许冻结深度 编号里程 ( m 3 s )压应力( k p a )承载力( k p a )( m ) 涵6 - 1d k 4 0 + 9 2 98 6t 9 24 0 0o 9 0 涵6 - 2d k 4 9 + 6 8 95 02 l o4 0 00 9 0 涵6 - 3d k 6 9 + 8 5 78 62 1 04 0 0o 9 0 这些涵洞均为单孔盖板涵，为排洪而设。基坑开挖后，基底由下而上依 次铺砌3 0 c m 厚的碎石垫层，l o c m 厚的1 5 0 号混凝土垫层，基础采用2 0 0 号 钢筋混凝土，墙身采用1 5 0 号混凝土，盖板预制，采用2 0 0 号钢筋混凝土， 每块板宽1 o m ，盖板的中心线与涵洞中心线垂直。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 测试内容和目的 2 2 1 测试内容 现场试验共测试以下内容：列车运行的平顺性与旅客舒适度测试、钢轨 动应力测试、涵洞洞顶动土应力测试和涵洞盖板动应力测试。 1 列车运行的平顺性与旅客舒适度测试 测试列车运行的平顺性与旅客舒适 度。在涵洞轴线与左线( 右线) 中心的交 点处安装应答器( 见图2 - 1 ) ，测试列车经 过该测点时自动记录，根据记录给出舒适 度指标与速度、填土厚度的关系，并作出 测试结果评价。 2 钢轨动应力测试 图2 - 1 应答赣安装后现竭 测试列车与钢轨的相互作用力，该力沿线路纵向的变化及均匀性是影响 列车舒适度的一个重要指标，也是反映和确定涵洞洞顶填土厚度合理性的指 标之一，也是确定列车速度影响系数的指标之一。 3 涵洞洞顶动土应力测试 测试涵洞洞顶动土应力沿线路纵向变化。测试涵洞洞顶及涵洞与路基过 渡段填土中动土压力，该力沿线路纵向的变化及均匀性也是反映列车舒适度 的一个重要指标，同时也是反映涵洞洞顶填土厚度合理性的指标之一。 4 涵洞结构动反力测试 测试涵顶盖板结构的动应力、列车荷载对涵洞盖板结构的冲击系数。测 试涵洞盖板结构动应力沿涵洞轴线的变化及大小是涵洞设计的依据，盖板应 力与土压力及钢轨应力的综合分析有利于合理确定涵洞洞顶填土厚度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 测试目的 通过对现场钢轨、路基及涵洞的动力测试试验，要达到如下目的： 1 通过试验测试在不同洞项填土厚度情况下列车运行的平稳性，分析 洞顶填土厚度对列车行车的影响； 2 通过试验进一步确定在满足列车运行安全及旅客舒适情况下经济合 理的涵洞洞顶最小填土厚度值； 3 通过试验进一步确定各种填土厚度下涵洞结构的受力情况、动力作 用规律、冲击系数； 4 通过试验及分析为秦沈客运专线与京沪高速铁路的设计暂规提 供补充、修改建议。 2 3 测试方案方法 进行现场试验，在现场对涵洞进行动力试验，利用应交计、土压力盒、 动态应变仪，数据采集系统对数据进行采集，并利用数据分析软件对现场大 量的测试数据进行科学的整理和分析，找出涵洞洞顶在不同填土厚度时结构 的受力规律，得出一些基于试验做出的结果。 2 4 测试元件与测试仪器设备 测试试验中使用的测试元件如表2 - 3 。 表2 - 3 试验中所使用的测试元件 元件名称型号规格数量测试内容 土压盒传感器b y 一1 型0 2 m p a7 个涵顶填土动土压力 动应变计 b f l 2 0 一5 a5 r a m1 5 个 钢轨动应力 动应变计b f l 2 0 - 8 0 a a8 0 m m1 0 个涵洞盖扳动应力 2 4 1 土压力传感器 2 4 1 1 特点 经广泛地调查研究和分析比较，本次涵洞项目测试元件，土压力盒采用 辽宁省丹东市虬龙传感器制造有限公司生产的b y i 型土压力传感器。该传 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 感器采用双油腔结构形式，它的最大特点是，当传感器受力时，传感器油腔 中的流体可使传力均匀，而且由于弹性敏感元件的变形比弹性传力元件的变 形增大若干倍，提高了传感器的灵敏度，这种土压力传感器可以很好地用于 路基、挡土墙、涵洞顶填土内部动态和静态的测试。 2 4 1 2 主要技术指标 b y 一1 型土压力传感器外形尺寸为巾1 8 0 2 2 m m ，接桥方式为全桥，绝缘 电阻大于5 0 0 m q ，输出阻抗为3 5 0 q ，1 2 1q ，使用温度为一3 0 至6 0 ，根 据对涵洞在列车荷载作用下的受力估计，并考虑测试灵敏性，向生产厂家定 制土压力传感器，该传感器并严格按规定程序标定后使用，最大测力2 0 0 k p a 。 2 4 2 钢轨测点和涵顶测点测试元件动应变计 在钢轨应力测试中，电阻应变测试技术应用极为广泛。钢轨在列车运行 时的应力测试是最普通的电阻应变测试。以钢轨作为传感元件，进行轮轨垂 直力的测试时，是利用应变的桥臂特性，通过不同的贴片和组桥方式，使用 应变仪进行测定的。 应变片的选择：需根据测试目的和被测物体的性质，综合考虑以下因素 后确定。 1 基底材料选择 轨道测试一般是在常温下进行，所以应变片基底材料可采用纸基片，这 种应变片优点是易于与被测物体粘贴，价格合理。 2 。栅丝材料 由于在常温下，康铜丝的灵敏系数稳定，在弹性范围和塑性范围都保持 不变，而且温度系数小，故在此钢轨测试中采用康铜丝的栅丝材料。 3 敏感栅形式 由于丝式应变片基底薄( 一般在0 0 3 m m 左右) ，粘贴性能好，能保证有 效地传递应变，同时稳定性好，故在此轨道测试中采用普通丝式敏感栅。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 4 应变片的标距 应变片标距的选择一般取决于被测物体的材料特性，应力梯度及动应变 传播特性等方面。由于被测物体钢轨的弹性模量高且材质均匀，因此使用小 标距的应变片，以便测到“点”应变( 应变片反映的应变是应变片标距内的 平均应变) 。但应变片标距过短，不仅制作困难，粘贴不便，而且不易保证贴 片的正确位置和方向，综合考虑后取5 m m 的应变片标距为宜。 但对于涵洞顶部盖板内侧混凝土物体，由于材料的非匀质性，在外力作 用下骨料的应变较小，但水泥砂浆的应变较大，如果应变片的标距过小，测 出的仅是石子或砂浆的应变，这必将造成较大的误差，因此应当增大应变片 的标距，以尽可能准确地测得其平均应变。但应变片过长，不仅制作和粘贴 困难，而且会由于应力梯度的影响而导致测点应力的失真。有资料表明，应 变片标距l 取8 0 r a m 左右时测试效果较好。 5 应变片的阻值 国产应变片的阻值多在6 0 - 4 0 0o 之间，由于数据采集仪的标准电阻为 1 2 0 q ，如果采用非1 2 0 q 的应变片，而又用仪器的内标定线路标定应变时， 应根据桥路的具体情况，要对测定值进行修正，为了方便起见，采用1 2 0 q 的应变片较好。 6 灵敏系数 因动态电阻应变仪多按灵敏系数k - - 2 进行设计，所以一般应尽量采用k = 2 的应变计，否则需要对测试结果进行修正。 2 4 3 测试元件的标定、埋设和粘贴 2 4 3 1 土压力传感器、动应变计的标定 标定目的是检验该元件在模拟现场条件下，对上覆静止载荷、振动载荷 的响应精度。 静力标定流程：c s s 电子万能试验机一5 t 荷载传感器一标定罐加载活塞 板一上覆介质( 砂、级配碎石) 一土压力传感器- - 7 v 1 4 数据采集器一手提式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 电脑。 动力标定流程：c s s 电子万能试验机一5 t 荷载传感器一标定罐加载活塞 板一上覆介质( 砂、级配碎石) 一土压力传感器一动态应变仪一d o p b o o k 数 据采集器一手提式电脑。 由于一般路基填土在列车荷载作用下的振动频率较低，因此标定时取荷 载频率的变化范围为0 5 h z 2 0 h z 。标定结果表明：b y l 型土压力传感器对 外加动荷载激励的反应很灵敏。在固定频率的外荷载作用下，土压力传感器 的反应是同步的，没有滞后，反应幅值与外荷载幅值基本一致，满足现场测 试要求。 用于钢轨应力和涵洞盖板应力测试的应变计，可按生产厂家经检验提供 的标定资料确定其标定参数。 2 4 3 2 土压力传感器的埋设 在各测试工点分别找出涵洞中心线和线路中心线交点，然后依此点为基 准点，利用水准仪或精密距离量测工具确定出各个土压力测点的准确位置， 作出标记。 为使土压力传感器埋设后，使其周围回填土密度与埋设前相同，并避免 出现土拱作用，可在土压力测点处，挖出一个直径约等于3 倍传感器元件直 径的土坑，量出其出土体积和重量，用塑料袋密封扎好，i 翅厶廷参转盛 器后，再将挖出的土体积数量减去土压力传感器所占体积，装入土坑，回填 后分层夯实，即能达到土介质密度和含水量基本不交的要求。由于该土压力 传感器为双膜双面土压力传感器，在埋设时应首先将下面土介质压实，密度 应和周边的士介质密度相同，在回填传感器上面土介质时也应压实，并注意 与周边的土介质密度相近。在传感器埋设时，传感器上下面可设置一层中粗 砂与之接触，不能与较大的而且有尖角的石子接触。以免在受力时不均匀而 且容易将受力膜扳硌破。回填土中传感器的埋设，应先把土回填到略高于埋 设传感器的标高并夯实，使土的密度接近于原始状态下的密度，而且修平成 水平面，用水平尺校准传感器的水平度。回填土逐层压实至一定的高度，再 将其夯实达到规定的密度。 b y i 型土压力传感器是双油腔结构，膜板很薄，在埋设时不能接触锐 尖硬物或撞击，传感器引出线与传感器之间是密封的不能用力拽线，以免破 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 坏密封口，引出导线用p v c 管套入，通过浅沟暗埋牵出路基至路肩合适处挖 一保护井内等，保护井尺寸以能容纳所有盘蜷的导线大小为准，每根导线端 头作好标记，并缠上绝缘胶布防潮。保护井须防潮，在其顶上设盖加锁保护。 2 4 3 3 钢轨测点和涵洞盖板测点应变计的粘贴 按秦沈客运专线综合试验科技攻关项目试验大纲所定应变片测点位 置粘贴应变计，在粘贴应变计前，先对被测物体的表面进行划线精确定位， 打磨、清洁处理。对钢轨测点应先在其表面用细砂轮或角向磨光机作表面除 锈和磨平，再用细砂布按与贴片成4 5 。角的方向进行抛光，打磨面的尺寸应 考虑到涂敷防潮层及粘贴引线端子的要求，一般需在应变片四周多出4 0 6 0 m m 。对于涵顶盖板混凝土测点表面，应先作表面清洁，用刷、洗等办法除 去表面及孔眼中的浮浆和污物，待表面晾干后再用丙酮、酒精擦洗，以除去 表面油污，然后再用环氧树脂砂浆将表面的凹坑及孔眼填平。环氧树脂砂浆 的配合比应根据与混凝土弹性模量相等或相近的原则来考虑。待填料干固后 再用细砂布( 纸) 进行表面研磨，以达到表面连续、平整、光滑的要求。 应变片贴片过程可归纳为：定位放线一清洗表面一贴片一贴片胶的干 固一焊接引出线一贴片质量检查一防潮处理。 钢轨和涵洞盖板处的动应变计在测试工作开始一周前制作。在钢轨内外 侧面中性轴的位置上贴片，经打磨、贴片、焊接、防潮、连线组桥、引线至 应变仪等工序，最后完成应变计的制作。补偿片采用在小钢片上贴片( 见图 2 2 ) ，并放在钢轨旁边的方式，保证温度补偿且不受列车荷载的作用。 图2 - 2 钢轨测点的温度补偿及桥路 图2 - 3 涵洞测点贴片前定位与防潮 在涵洞轴线上贴片，经清洗、打磨、干燥、防潮( 见图2 3 ) 、贴片、焊 接、再次防潮、连线组桥、引线至应变仪等工序，最后完成应变计的制作( 见 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 4 ) 。补偿片采用在独立混凝土块上贴片( 见图2 - 5 ) ，并放在涵洞中部的 方式，保证温度补偿且不受列车荷载的作用。 图2 - 4 涵洞测点贴片后的防潮处理图2 - 5 涵洞测点补偿片及其连线 2 4 4 测试元件的布置 2 4 4 1 测试元件平面位置 现场仪器的埋设情况，土压盒在道碴铺上前在路基上挖孔埋设，于2 0 0 1 年六月下旬和八月上旬完成。考虑到应变片的保护和有效性，钢轨和涵洞盖 板处的动应交计在测试工作开始一周前粘贴。 由于受测试通道总数的限制，每个涵洞布置1 6 个测点。d k 4 9 + 6 8 9 涵洞 填土厚度较厚，为了研究士压力沿线路方向和沿深度的变化情况，共布置了 2 层共7 个土压盒，其它各布置了4 个涵洞盖板应力测点，5 个钢轨应力测点， 共1 6 个测点，各测点平面位置见图2 - 6 。 图2 - 6d k 4 9 + 6 8 9 涵洞各测点平面布置圈 d k 4 0 + 9 2 9 涵洞填土厚度较薄，不再设置土压盒，重点研究钢轨应力随线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 路方向和速度的变化情况，共布置了1 0 个钢轨应力测点，6 个涵洞盖板应力 测点，共1 6 个测点，各测点平面位置见图2 7 。 图2 7d k 4 0 + 9 2 9 涵洞各测点平面布置图 钢轨应力测点的布置是考虑要测出钢轨应力在涵洞范围、过渡段和正常 路期段各处的大小分布及其变化规律，涵洞盖板应力测点的布置考虑到要测 出盖板应力沿涵洞中心线方向上的大小分布及其变化规律。 2 4 4 2 土压盒 土压力传感器测试土压力的目的，是测定涵洞洞顶不同厚度时，列车荷 载对路基及涵洞的作用力沿线路纵向的变化规律。d k 4 9 + 6 8 9 涵洞布置压 力传感器7 个。具体测点位置见图2 7 、图2 8 及图2 - 9 。 图2 - 8 钢轨竖向力及土压力测点位置横断面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 - 9 钢轨竖向力及土压力测点布置纵断面图 2 4 4 3 钢轨应变计 钢轨应力测试主要测定在歹0 车荷载作用下，钢轨的竖向压力，该作用力 的均匀性是影响列车舒适度的重要指标，根据作用力沿线路纵向的变化情况， 可以了解涵洞洞顶填土厚度设置的合理性。 测设部位安排在铁路上行线左线左侧钢轨设定测点的钢轨内外侧轨腰 部位，具体测点位置见图2 - 6 、图2 - 7 及图2 8 。 2 4 4 4 涵洞盖板应变计 涵洞盖板应力测试的目的是了解涵洞盖板应力大小和分布，测定列车荷 载对涵洞盖板的冲击系数，为涵洞设计 提供合理参数。d k 4 0 + 9 2 9 涵洞，在涵 洞盖板底贴应变片，沿线路横向涵洞中 心线布置6 个动应变测点；d k 4 9 + 6 8 9 涵洞，在涵洞盖板底贴应变片，沿线路 横向涵洞中心线布置4 个动应变测点，2 个涵洞共布置1 0 个动应变测点，测点位 置见布置图2 - 6 、图2 7 及图2 一l o 。 涵洞土压力盒，d k 4 0 + 9 2 9 埋设在路 图2 - 1 0 盖税测点粘贴位置 肩面标高上；d k 4 9 + 6 8 9 埋设在涵洞洞顶和路肩面标高处两层，其中t l 和t 2 ， t 3 和t 4 分别为同一位置上的上下两个层面上的土压盒。 b 1 ( 4 0 + 9 2 9 涵洞各测点位置见表2 - 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表2 - 4d k 4 0 + 9 2 9 涵洞各测点位置 位置编号说明( “_ ”与“+ ”仅表示在上行线的不同侧) h l离上行线中心线一1 0 5 米 b 2离上行线中心线一0 0 5 米 涵洞h 3离上行线中心线+ o 0 5 米 盖板t 4 离上行线中心线+ l - 0 5 米 b 5离上行线中心线+ 1 1 5 米 h 6离上行线中心线+ 2 1 5 米 g 1离涵洞中心线0 米 g 2离涵洞中心线1 米( 沈阳侧、内轨) g 3离涵洞中心线2 2 米( 沈阳侧、内轨) g 4离涵洞中心线4 米( 沈阳侧、内轨) g 5 离涵洞中心线5 8 米( 沈阳侧、内轨) 钢轨 g 6 离涵洞中心线6 4 米( 沈阳侧、内轨) g 7离涵洞中心线7 米( 沈阳侧、内轨) g 8离涵洞中心线1 0 米( 沈阳侧、内轨) g 9离涵洞中心线1 3 6 米( 沈阳侧、内轨) g i o离涵洞中心线1 4 2 米( 沈阳侧、内轨) d k 4 9 + 6 8 9 涵洞各测点位置见表2 - 5 。 表2 - 5d k 4 9 + 6 8 9 涵洞各测点位置 位置编号说明( “一”与“+ ”仅表示在下行线的不同侧) h 1 离上行线中心线- 1 o 米 涵洞h 2 离上行线中心线0 米 盖板h 3 离上行线中心线+ 1 0 米 h 4 离上行线中心线+ 2 0 米 钢轨 g 1 离涵洞中心线0 米( 沈阳侧、内轨) g 2 离涵洞中心线0 米( 沈阳侧、外轨) g 3 离涵洞中心线1 5 米( 沈阳侧、外轨) g 4离涵洞中心线6 5 米( 沈阳侧、外轨) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 g 5离涵洞中心线1 3 5 米( 沈阳侧、外轨) t 1g 1 正下方，埋深0 7 3 米 t 2g 1 正下方。埋深l2 米 t 3g 2 正下方，埋深0 7 3 米 土压盒t 4g 2 正下方，埋深1 2 米 t 5g 3 正下方，埋深0 7 3 米 t 6g 4 正下方，埋深0 7 3 米 t 7g l 正下方。埋深0 7 3 米 2 4 5 测试仪器设备 本人所在课题组负责涵6 一l 和涵6 2 两个工点的土压力测试、钢轨应力 测试