高速铁路路基冻害防治中保温层动载试验研究

朱忠林，蔡德钩，陈峰，闫宏业，姚建平

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

高速铁路路基冻害防治中保温层动载试验研究

朱忠林，蔡德钩，陈峰，闫宏业，姚建平

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

采用保温法防治高速铁路路基冻害时，埋设在路基中的保温板在列车动载长期作用下的动力性能、耐久性需要通过动载试验进行研究。在哈大高铁沈大段附近修建含有保温层的路基试验段，采用动载试验机模拟高速列车产生的动荷载，测试保温板的动应力、动变形，分析保温板应用于高铁路基的适应性。研究结果表明:施加1 000万次动载后，保温层累积变形的增长量为0.06 mm，数值很小，不会影响高铁线路。

路基冻害 保温板 动载试验

在我国冻土地区，保温法是高速铁路冻害防治措施之一。将XPS保温板埋设在路基中，能够隔断低温向路基中渗透，减小路基体在低温下产生的冻胀变形，保证线路的平顺性。高铁列车经过时，路基中的保温板会受到动荷载的作用。其动力性能是否适应高铁线路需要，在动载长期作用下材料本身耐久性是否会受到影响，需要通过动载试验研究。

在正线上进行动载试验会对高铁运营产生较大影响，难以实施。为保证动载试验条件与实际情况高度相似，在哈大铁路沈大段DK140附近修建路基试验段开展模拟动载试验，借此研究保温材料的动力特性和耐久性。

1 试验段路基

试验段路基按高速铁路路基要求填筑，基床表层为掺5%水泥级配碎石，厚度0.7 m，基床底层厚2.3 m，施工时按要求进行了检测，达到了高铁路基的填筑要求。基床表层与底层间满铺0.1 m厚XPS保温板(图1)。

图1 试验段路基结构

2 传感器的埋设

动载试验主要测试动应力、动变形、累积变形，为此埋设了动土压力盒、沉降板，分两层埋设，分别在保温层下部和上部。同时还设置了沉降基标。位移测量采用高精度电涡流位移计，能够同时测试保温层的弹性变形与累积变形。

位移计要安装在沉降板的引出导杆上，位移计的基点安装在最下层沉降基标的引出导杆上，如图2所示。

图2 沉降板及位移计安装

3 加载方案

3.1 激振设备

动载设备采用SBZ30型动载试验机(图3)。该试验机通过激振台座安装于线路上，能够输出各种激振力，模拟高速列车产生的动荷载。模拟动载连续施加，可在一定的时间内达到实际列车长期运营的动载次数。动载试验机供电电源为380 V三相交流电，电源通过大功率变频器连接动载试验机上部电机，电机驱动试验机内振动偏心块旋转产生振动力。调节变频器的频率可控制动载试验机的振动频率，调节动载试验机侧边的对位齿轮能够改变振动偏心块的力矩，由振动频率与振动力矩的配合调整能够得到设计要求的激振力。将振动试验机安装在高铁线路上的激振台座上，其激振力施加在线路上，从而模拟高速列车产生的动荷载。

3.2 激振台座

激振台座为用现浇钢筋混凝土制作的位于加载路基上的长方体结构，功能是将动载试验机产生的激振力传输到线路上。台座在浇筑时预埋螺栓，螺栓位置与试验机底板安装孔位相对应，并与台座内钢筋焊接牢固，四角的螺栓比四边的螺栓直径大，以使试验机工作时更加稳定。

3.3 动载施加与测试

激振力与偏心矩、动载频率有关。偏心矩可以在激振机上调节，动载频率可以通过变频器调节。通过测试路基中的动应力、动位移，经过分析能够更准确、直接地得到激振频率。根据高铁路基动应力的实测数据，长期动应力值为11～16 kPa，本次在10～25 kPa范围内进行动力特性试验。

长期动载试验加载次数达到1 000万次。数据测试频率为每10万次采集一次数据，同时测试静态沉降。数据采集采用多通道24位高精度数据采集仪，采集频率为1 024 Hz，每次采集的时间为5 s，以保证采集的数据量能够满足数据分析的要求。

图3 动载试验机

4 路基动应力

加载过程中保温层处典型应力波形如图4所示。

首先进行各种应力的动载试验，测试保温材料的弹性变形和累积变形。在掌握了其规律后，按标准应力(11～16 kPa)进行长期动载激振试验，以进一步研究保温材料的耐久性与动力性能。试验测量的长期动载下保温板处动应力见图5。

图4 典型动应力波形

图5 长期动载下保温板处动应力

5 动载作用下的弹性变形

5.1 弹性变形的测试情况

保温层弹性变形由安装在沉降板引出杆上的电涡流位移计测量。首先测量保温板上及板下相对于沉降基杆的动位移，再计算出板上与板下动位移的差值，即可获得保温板的弹性变形值。典型的动位移波形如图6所示。

图6 典型动位移波形

5.2 不同动应力水平下的弹性变形

保温板的弹性变形与动应力大小关系曲线如图7所示。试验中施加的最高动应力约是高铁列车动应力的2.5倍。从图7可知，保温层的弹性变形与动应力基本呈线性关系，表明保温层仍然处于弹性变形状态。

图7 保温板的弹性变形与动应力关系曲线

在高铁列车动应力水平下，保温层的动变形在0.08 mm以内，对线路不会产生影响。

6 长期动载作用下的累积变形

6.1 累积变形的测试情况

保温层累计变形与弹性变形测量采用同一传感器，由安装在沉降板引出杆上的电涡流位移计测量。在每10万次进行动态数据采集后，暂停激振，迅速进行沉降板的静态测量，然后快速恢复激振。

由静态测量初值以及每次的静态测量值计算出埋设在保温板上部与下部相对于沉降基标的沉降值，再计算出保温板上下沉降差值，即可获得保温板的累积变形值。

6.2 累积变形测试结果

保温层在动载作用下的累积变形是其是否适应高铁要求的指标之一，其值越小越有利于维持高铁线路的高程与平顺性。图8是长期动载下保温层累积变形曲线。

在多种动应力水平的加载过程中，达到较高动应力水平时，累积变形有发展的趋势，发展速度较慢。在高铁动载作用下，保温的累积变形能够趋于稳定，施加1 000万次动载后，保温层累积变形增长0.06 mm，数值很小，与弹性变形的测试结果一致。可见处于弹性变形范围内的保温层，其累积变形很小，不会影响高铁线路。

图8 长期动载下保温层累积变形

7 结论

本文采用模拟动载试验的方法开展路基动载试验，在较短的时间内模拟了列车动载的长期作用。主要研究结论如下:

1)在高铁列车动应力水平范围内，保温层处于弹性变形阶段，弹性变形很小，对线路不会产生影响。

2)在列车动载长期作用下，保温的累积变形能够趋于稳定，施加1 000万次动载后，保温层累积变形增长0.06 mm，其值很小，不会影响高铁线路平顺性。

［1］张景龙．用聚苯乙烯泡沫板整治路基冻害［J］．路基工程，1996(3):59-62．

［2］胡宇，邓荣贵，张平．EPS保温板抗路基冻害特征分析［J］．路基工程，2003(3):32-36．

［3］王秋枝．季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施［J］．铁道勘察，2009(3):22-25．

［4］马伟斌，韩自力，朱忠林．高速铁路路桥过渡段振动特性试验研究［J］．岩土工程学报，2009(1):124-128．

Dynamic load test study on warm-keeping layer against freeze-caused damage of subgrade of high speed railway

ZHU Zhonglin，CAI Degou，CHEN Feng，YAN Hongye，YAO Jianping
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

As thermal insulation approach is used in frost prevention for HSR subgrade，it is required that the embedded insulation board under the persistent dynamic influence of the train be put under dynamic load test for dynamism and durability inspection．T he paper chooses a trail subgrade section-with insulation layers embeddedadjacent to the ShenyangDalian section along the HarbinDalian line as the study object．Afterwards，it simulates the dynamic loading imposed as the HSR train passes by to test the dynamic stress and deformation，so as to further analyze the adaptability of the board in HSR operation．T he results indicate that as the loading is imposed 107times，board deformation increases by 0.06 mm，which is highly insignificant，therefore its impact on the overall HSR line can be overlooked．

Subgrade frost;Insulation board;Dynamic load test

U416.1+67

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．26

1003-1995(2015)04-0098-03

(责任审编李付军)

2014-10-26;

2014-11-28

铁道部科技研究开发计划项目(Z2012-062，2012G009-D);中国铁路总公司科研试验(Z2013-038)

朱忠林(1971—)，男，吉林九台人，副研究员。