既有铁路路基K30和Ev2检测辅助装置及方法＊

狄宏规，冷伍明，赵春彦，余志武

(中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

我国既有铁路线路长而分布广，既有线存在着较多已经存在或潜在的病害问题［1］。随着列车向快速、重载方向发展，列车动荷载大幅度提高，路基内应力水平、分布状态和作用方式显著改变，原有动态平衡破坏，进一步产生病害［2］。研究快速、可靠、全面的既有线路基检测技术和方法成为迫切需要解决的问题［3］。目前既有线路基检测中使用较多的方法有挖探、地质雷达法、瑞雷面波法、轻便静力触探、轻型动力触探法、高密度电阻率法、核子密度仪和取样土工试验［4－5］，目的主要是调查翻浆冒泥和下沉外挤成因、探测路基几何变异和隐蔽性危害、评估路基承载能力、获得填料力学指标等。在新筑路基压实检测中，一般采用K30和Ev2来控制路基变形［6］。随着货运重载对铁路路基的变行和强度的要求越来越高，在既有线路基检测中引入K30，Ev2和 Evd指标，就显得极具意义。

既有线在行车条件下，进行标贯、静力触探、K30，Ev2和 Evd等试验比较困难［2］。试验困难主要表现在:(1)表层:行车危及试验人员人身安全;(2)底层及以下路堤:1)测试面为斜面，不便于摆放仪器设备;2)对于K30和Ev2试验，缺少简便的反力装置。在现场路基检测的荷载板试验(K30和Ev2)中，新线路基检测通常利用振动压路机或铲车等重型车辆来提供反力;而对于既有线路堤检测，由于受行车、边坡倾斜等影响，利用车辆来提供反力几乎不可能实现，因此设计使用少干扰或不中断行车的简便有效的试验反力装置及试验台是十分必要和迫切的。

1 反力装置与试验台

1.1 反力装置

在既有线路基的K30和Ev2检测中，反力装置的选择关系到试验的精度，甚至决定着试验的成败。因此，采用合理的反力装置尤为重要。由于既有线路肩作业面狭小、路堤边坡倾斜等原因，利用车辆来提供反力几乎不可能实现，为此，笔者设计了地锚加反力梁的简便反力装置(图1)以解决这一难题。反力装置组成部件包括地锚、反力梁和销栓。该装置构造简单、构件轻便，便于人工的搬运、架设与拆卸(2～3人即可);在进行地锚埋设时，仅需铁锹、捣实器等铁路工务段具备且常见的工具，具有埋设、安装和拆卸快速方便的优点;地锚杆上设有3排销栓孔，可以调节梁底面到测试点距离，可以在一定范围内调节地锚的埋深，从而调节反力的大小;整个试验过程中测试人员和仪器均在道床外侧，既不影响运营线路行车，也充分保障了试验人员的安全。

图1 反力装置示意图Fig.1 Counter－force device

图2 地锚尺寸示意图(单位:cm)Fig.2 Dimensions of the ground anchor(Unit:cm)

1.1.1 地锚

采用直拉式地锚:由底板、加固板、锚杆组成。锚杆上设置3排销栓孔，销栓孔直径(r=18 mm)，孔中心间距(d=25 cm)，见地锚尺寸示意图2。

1.1.2 反力梁与销栓

反力梁是反力装置的重要组成部分，采用I 20a工字型钢，梁长2.5 m，两端设有2个半径为3 cm圆孔，孔中心间距2.3 m。将千斤顶置于横梁中心正下方时，地锚与荷载板中心间距1.15 m，符合规程［7－8］要求。销栓采用 φ 18钢筋。

1.2 试验台

针对路肩工作面狭小、边坡斜面上仪器安放困难的问题，设计了简易的试验平台(图3)，从而构建了便于安放仪器的水平工作面。试验台构件主要包括:可拼接支杆、角钢、木板、扣件和螺栓。此试验台构造简单、轻便实用，只需十字螺丝刀即可快速完成安装与拆卸;由于拼接支杆的长度和扣件高度可调节、木板也可前后移动，从而保证了K30和Ev2仪器的支脚能在三维空间自由移动和定位，故完全解决了K30和Ev2仪器在斜面上安放困难的问题。借助上述的辅助装置，可将路堤边坡斜面上的试验水平面化，顺利地把K30和Ev2指标引入到既有线的路基检测中。

图3 试验台示意图Fig.3 Test bed of the side slope

由于K30和Ev2试验仪器较轻，试验台不作强度验算，构件尺寸及数量见表1。

表1 试验台构件尺寸及数量Table 1 Dimension and quantity of the parts

2 反力装置埋深和强度验算

假设反力装置为简支梁，参考Ev2及K30试验相关规程［7－8］要求，试验加载最大至 0.5 MPa，反算出反力装置主要内力:横梁中部反力F=35 kN，安全考虑富余15 kN，按50 kN计算;地锚拉力N=25 kN;工字梁中心截面弯矩为Mx=28.75 kN·m;梁剪力Vy=25 kN。

2.1 地锚埋深的确定

地锚的抗拔力主要包括:土柱与周围地层的摩阻力Fs，土柱自重G，地锚的自重(较小可忽略)。土柱与周围地层的摩阻力Fs拟参考摩尔～库伦强度公式计算，假设地锚埋深(土柱高度)为0.8 m，其他计算参数选取参考取样土工试验或《工程地质手册》［9］。以粉质粘土为例，计算参数参考值见表2。

Fs+G=34·4＞N=25 kN，地锚抗拔强度满足试验要求。

2.2 反力装置强度验算

反力装置强度验算特征参数取值见表3，各构件强度设计值见表 4［10－11］。

表2 计算参数值Table 2 Value of parameters

表3 计算参数取值表Table 3 Value of parameters

表4 各构件强度设计值Table 4 Designed strength values of the parts

(1)地锚抗拉可按截面有削弱的轴心受拉构件进行强度计算，截面正应力σ为

(2)工字钢抗弯按边缘屈服准则分析，截面边缘正应力为σ为

工字钢截面上的剪力主要由腹板承受，可用下式近似计算剪应力τ

(3)销栓采用φ 18，假设剪力引起的切应力均匀分布于剪切面上，则剪应力τ为

由上知，反力装置各构件强度满足试验要求。

3 设备安装及试验

(1)开挖测试面:在倾斜边坡上开挖一个平行于路肩的矩形水平测试面，测试面沿线路方向长300 cm、垂直线路方向宽80 cm。

(2)开挖埋设坑:用卷尺在测试面上定出地锚的埋设位置，开挖2个直径为50 cm、中心间距230 cm、埋深约为80 cm的圆形埋设坑。在进行加固后的路基检测时，由于强度会有所增大，地锚埋深可考虑加至110 cm(直立地锚杆设有3排销栓孔，对应2个设计埋深分别为80 cm和110 cm)。将挖出的土堆在2个埋设坑之间，便于回填。

(3)埋设地锚:埋设坑挖好后，先将一个地锚放入埋设坑，用路基填料土分层回填并捣实，捣实工具宜用直径不大于18 cm的圆形捣实器。

(4)架设反力梁:将另一地锚放入埋设坑，在两地锚的销栓孔1上分别插上销栓，架梁，尽量保证工字梁底面平行于测试面，再在地锚销钉孔2插入销栓。梁架好后，再进行第2个地锚的埋填、捣实，从而保证梁端孔能够顺利套入地锚。

(5)铺设荷载板:铺荷载板之前应用细砂找平试验点，荷载板中心应在梁中心的正下方，当千斤顶加载后，确保横梁处于最佳受力状态(只在Y方向受弯)。

(6)架设试验台:1)先用螺丝将4块角钢连接成矩形框;2)将1 m长圆管用接头连成试验台的4个角支杆并套上扣件(一般前支杆长1 m，后支杆长2 m);3)将矩形框套入4个角支杆至预定位置时用扣件固定;4)将4个角支杆摆放在边坡上，并将2块木板置于矩形框面的合适位置;5)在试验台上安放实验仪器，通过调节支杆扣件、木板位置及K30和Ev2仪器架的3个支角来实现仪器三维移动。

(7)连接试验仪器、开始K30和Ev2试验。试验步骤参照规程［7－8］，试验完成后卸除千斤顶及仪器。

(8)卸除试验台装置及反力梁，将地锚从埋设坑中挖出。

(9)将挖出的路基土回填压实，还原路基边坡，减小对路基的损害。

4 应用实例

朔黄重载铁路K51+270～+280和K54+021～+031均为桥涵过渡段，由于刚性桥台结构物和柔性路堤连接处所产生的刚度差，桥台路堤连接地段在重载列车行车荷载的反复作用下，填土产生较大的不均匀沉降。基于863项目子课题《朔黄重载铁路路基加固前后检测》，对上述工点路堤进行加固前后路基检测，检测方法包括K30，Ev2，N10和Evd和压实度等。由于路肩硬化，只对基床底层及以下路堤进行了检测试验。K30和Ev2现场试验见图4，各点测试结果见表5。

图4 现场试验Fig.4 Site test on railway side slope

表5 K30及Ev2测试结果Table 5 Testing results of K30and Ev2

从朔黄铁路路基检测应用中不难看出，该辅助装置能够满足路堤K30和Ev2试验要求，借助反力装置及试验台在路堤上进行K30和Ev2试验是可行的。

5 结论

既有线路基状态的检测和评定，是安排路基维修计划、进行日常维修作业、指导路基改造的重要依据。为此，研究快速、准确、先进的检测方法及设备，同时建立符合中国国情的既有线路基检测与评价体系，满足既有铁路安全运营和维修作业的需要具有重要的工程实际意义。本文开发的既有线路堤检测辅助设备和检测方法具有如下特点:(1)该设备构造简单，埋设、安装、拆卸简便;(2)试验方法简单、快速;(3)该检测方法不影响正常行车，基本不损坏铁路轨道系统;(4)能够获得路基的强度和变形指标(K30，Ev2和Evd)，以直接评价路基的承载能力;(5)研究设备和试验方法具有推广价值。

［1］郭战伟.既有线提速路基的病害研究［D］.北京:北京交通大学土木工程学院，2006.GUO Zhan-wei.Research on the diseases of subgrade on existing railway［D］.Beijing:School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，2006.

［2］杨新安，周 青.铁路路基病害与动力触探试验研究［J］.中国矿业大学学报，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］杨新安，高艳灵，刘 征.论铁路既有线路基检测［J］.岩石力学与工程学报，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］杨新安，孟凡江，孙经川.路基检测技术综述［J］.铁道建筑技术，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］张千里，韩自力，史存林，等.既有线提速路基检测评估技术［J］.中国铁路，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］和民锁，李 亮，聂志红.客运专线路基压实指标的试验研究［J］.铁道科学与工程学报，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］中华人民共和国铁道部.TB l0102—2004，铁路工程土工试验规程［S］.北京:中国铁道出版社，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］铁建设［2005］188，变形模量 Ev2检测规程(试行)［S］.Construct of railway［2005］188，Code for strain modulus of Ev2［S］.

［9］工程地质编委会.工程地质手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.Compile Committee of Engineering Geology.Engineering geology manual［M］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，2005.

［10］沈祖炎，陈扬骥，陈以一.钢结构基本原理［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.SHEN Zu-yan，CHEN Yan-ji，CHEN Yi-yi.Fundamentals of steel structure［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，2005.

［11］刘庆潭，王修琼，刘 静，等.材料力学教程［M］.北京:机械工业出版社，2006.LIU Qing-tan，WANG Xiu-qiong，LIU Jing，et al.Material mechanics tutorial［M］.Beijing:China Machine Press，2006.