车辆行车荷载对铁路路基加速度响应情况分析

韦少东 郭智斌

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

随着我国经济技术的发展，一些基础设施例如铁路、道路、机场等设施进行了如火如荼的建设。铁路运输系统凭借其运输能力强、运行速度快、列车运行不受自然条件的限制且可运输各种类型的货物等优点在我国得到了大力的发展，形成了八纵八横的铁路运营骨架。铁路路基作为铁路线路的重要组成部分，是线路安全运营的基础。通过对路基病害的分析发现，产生病害的原因相对较为复杂，且各种病害病理并不相同，总体可以分为“地质环境”与“列车振动荷载和气候变化”两个方面[1]。

Auersch研究表明，当列车行驶速度接近瑞利波速时，轨道和地基中会产生共振现象，从而带来过大的振动[2,3]，使得铁路路基产生病害，目前，对于列车运行过程中产生的振动对路基造成的影响研究主要有模型试验[4,5]和现场试验研究分析。例如：薛富春等[6]采用精细化和多尺度建模技术，建立了双线高速铁路轨道—路基—地基非线性耦合系统，归纳了移动荷载作用下高速铁路轨道—路基—地基系统中振动加速度频谱的衰减特性；GALVIN等[7]使用三维多体—有限元—边界元模型，研究了有砟轨道和无砟轨道上列车引起的振动。

屈畅姿等[8]通过分析武广高速铁路路基振动情况，总结试验段路基动力响应的分布规律，并结合小波分析方法对路基的振动特性进行了频域分析,提出了引起路基振动的主要原因；王子玉等[9]对通过大庆铁路在冻结期、春融期和正常期列车行驶过程中路基振动加速度的现场监测，分析发现季节冻区路基振动加速度有效值衰减速曲线可用负指数函数拟合；张光明等[10]对成灌铁路某桥梁段地面振动进行现场测试,分析了不同测点地面振动加速度时程特点及频谱特征；马利衡等[11]通过对沪宁城际高速铁路进行现场试验和数值分析，从时域和频域两方面对测试数据进行处理分析；陈建国等[12]针对轨道交通引起的环境振动污染问题，研究了运行列车引起的地面振动及其传播规律。

本文主要在前人研究的基础上，以陇海线上某段发生路基沉降的线路为例，通过加速度响应情况来分析铁路路基的病害情况以及列车振动加速度的衰减特性和规律。

1 试验背景

试验所选线路为陇海铁路的某一段，属于黄土填方路堤，由于近期降雨频繁，该段路堤在持续的列车荷载作用下，出现了较为严重的沉降，为了不影响线路的正常运营，采用袖阀管注浆技术对该段线路进行加固处理。此次加速度的测定是在袖阀管注浆之前测定的，试验现场图如图1所示。

2 现场试验设计

2.1 测试原件简介

试验所采用TST120A500压电加速度传感器，直径26 mm、高28.6 mm、测量范围：10 g、轴向灵敏度：495.743 7 mV/g、最大横向灵敏度不大于5%，工作电压为+18 V～+28 V，工作电流为+2 mA～+10 mA，现场加速度传感器布设如图2所示。

加速度信号采集系统采用TST3827E动静态信号测试分析系统。该系统具有实现各通道同步采样，同步传输、实时存盘的优点。加速度信号采集系统如图3所示。

2.2 现场试验布设

为了研究在客、货两种不同类型车辆的行车荷载作用下，对铁路路基的扰动情况，以及荷载作用下路基压力的消散时间与传感器与轨道距离之间的关系。本次试验沿着陇海线铁路某段线路方向布设A1，A2，A3彼此间距为3 m三个传感器，在垂直线路方向布设B1，B2，B3共三个加速度传感器，传感器布设纵断面图如图4所示。

3 试验概况及加速度响应分析

3.1 试验概况

加速度采集时间为16:12:40～16:48:17，采集频率为50 Hz，在该段时间内共有包括客车、货车及单机车头共三种类型的车通过，通行车辆具体信息如表1所示。

表1 测试段列车通行表

3.2 加速度响应分析

绘制出A3，B1测点的加速度时域曲线图，如图5，图6所示，在图上用不同的线形标示出列车信息。由图5，图6可知，在列车通过测点的时间段内，测点加速度幅度波动变化较大，各点振动上下基本对称，货车的加速度变化幅度大于客车，客车的加速度变化幅度大于单机车头的，这说明列车对铁路路基的加速度响应情况与列车重量相关。对比图7中的A2加速度时域曲线，当通过的第二列客车和第三列客车在车型和车厢数基本相同的情况下，第二列客车的加速度振幅大于第三列客车的振幅；因此说明路基振动加速度和速度有关。当速度越大时路基振动加速度越大，速度增加20%，加速度增加了30%，说明车速对加速度的影响比较明显。在列车没有通行时间段内，测点处的加速度值在一个较小的稳定范围内变动，说明轨道上只要有列车通行时，列车振动波会对整个铁路线路都有扰动，这种持续性的扰动会造成铁路路基的损害，如图中区域Ⅰ所示。

由于编号为1的货车和编号为2的客车经过测点的时间相距较近，所以两列车在16:13:37～16:13:50这段时间内会产生加速度叠加效应，加速度叠加效果图如图7所示。

图7中区域Ⅱ为货车经过测点前的加速度响应情况，区域Ⅲ为两列车加速度叠加响应情况，区域Ⅳ为客车通过后加速度衰减情况。由以上各图中的区域Ⅱ可知，货车经过测点的前5 s加速度响应情况由一个较为稳定的波动范围变得较为剧烈，由区域Ⅳ可知，列车经过测点5 s左右后，行车荷载对加速度的响应情况回归到无行车荷载的加速度响应范围值，且区域Ⅱ和区域Ⅳ的存在与测点离轨道的距离无关。

区域Ⅲ为两列车叠加后的加速度响应情况，由图可知，该区域的加速度响应情况较为剧烈，其波动范围与客车2通行时产生的加速度波动幅值范围相差不大，该叠加加速度的存在使得线路处在一种长期扰动现象，从而造成铁路路基的病害。

为了分析客、货两种类型的列车在上下行过程中其加速度衰减幅度与测点离线路距离之间的关系分别提取出列车经过A2，B1～B3四个测点处的加速度峰值，如表2所示。

表2 各测点加速度峰值

由表2可知，无论对于客车还是货车其加速度峰值都随着测点离线路的距离而逐渐减弱。此外，对于客车2和3，上行方向的客车加速度峰值大于下行方向客车的加速度峰值，这可能是由于加速度采集点更加靠近于上行线所导致的；而对于同为上行方向的客车3和6而言，客车3的加速度峰值大于客车6的，该种情况的产生可能与列车通行速度及列车车厢数有关；同为上行方向的货车1和4，货车4的加速度峰值大于货车1的加速度峰值，可能是由于货车的载重量、通行速度及货车车厢数影响的。

提取各测点到达峰值加速度所用的时间，如表3所示。

表3 各测点加速度到达峰值所需时间

由表3可知，沿着线路横向布置的A1，A2，A3三个测点，由于传感器之间存在3 m的间距，且传感器的布设离沉降的路基较近，所以其达到加速度峰值所用时间相差较大；而沿着线路纵向布置的A2，B1，B2，B3四个测点，传感器加速度达到峰值所用的时间基本一致，说明该处的路基依旧保持其稳定性，并未发生沉降。

4 结论

本文以陇海铁路K1462+780～K1462+1900段路堤处理为工程背景，现场采集并分析了发生沉降破坏的路堤在行车荷载下的加速度响应情况，得到了如下结论：

1)列车行车荷载对路基加速度的响应情况随着测点离线路变远而逐渐减弱；此外，当线路上有列车通行时，列车荷载产生的振动叠加作用会对整个线路造成扰动，从而造成铁路路基的病害。

2)当先后通过线路的两列车通行时间相距较近时，会在两列车的通行间隙产生加速度叠加响应，且叠加后的加速度值较大。

3)列车行驶对铁路路基产生的加速度响应情况与列车类型、车辆载重、行驶速度及车厢数有关。

4)通过分析A2，B1，B2，B3四个测点的加速度响应情况，可以得知在所设测点位置处铁路路基未发生沉降，沉降产生位置只在线路正下方附近。

5)车速对加速度的影响显著，随着车速提高，加速度明显增大，速度为102 km/h时，加速度达到最大值为0.072。