路基脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法及监测系统

技术领域

本发明涉及无砟轨道监测技术，具体涉及一种路基脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法及监测系统。

背景技术

近年来，随着轨道交通的快速发展，盾构隧道下穿既有铁路线路导致路基沉降的情形越来越普遍。高速铁路要求极高的轨道平顺性和稳定性，因此一般采用无砟轨道结构形式。无砟轨道对下部基础结构的变形十分敏感，当路基产生不均匀沉降时，路基以上各层结构在重力作用下产生跟随沉降，严重时路基脱空，轨道产生较大的竖向变形，严重影响列车运营安全。

针对路基脱空的检测问题，目前常见的脱空检测装置多用来检测路基某点处是否有脱空现象产生，以及该点处的路基沉降量。当地表产生沉降，轨道下方路基脱空时，已有的脱空检测方法难以检测出具体的脱空范围，例如脱空区沿轨道纵向的长度，以及脱空区各点处轨道的竖向变形。同时，根据传统的检测方法得到的变形数据，难以对路基上部轨道变形做出合理评价。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的路基脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法及监测系统解决了现有的监测方法不能对脱空区各点处轨道的竖向变形进行监测的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种路基脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法，其包括：

S1、获取埋于无砟轨道的待监测区域路基处所有测力装置的压力值；

S2、判断是否存在测力装置的压力值等于零；若是，进入步骤S3，否则返回步骤S1；

S3、将压力值等于零、且连续的测力装置划分为一段脱空区，根据每段脱空区测力装置的数量，计算每段脱空区的道床-轨道组合梁长度；

S4、获取根据瑞利-里兹法构建的挠曲线函数w(x)的计算模型：

w(x)＝c

其中，l为道床-轨道组合梁长度；x为道床-轨道组合梁上任一点到梁端点的距离；w

S5、根据道床-轨道组合梁的力学参数和道床-轨道组合梁长度，计算挠曲线函数w(x)中的待定系数c

其中，E为道床-轨道组合梁的弹性模量；S为道床-轨道组合梁的横截面面积；I为道床-轨道组合梁的截面惯性矩；q为道床-轨道组合梁的自重均布荷载；

S6、根据挠曲线函数w(x)的计算模型及待定系数c

第二方面，提供一种应用于路基脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法的脱空监测系统，其包括仪表显示器和若干测力装置，每个测力装置均与信号放大器和激励电源连接，所述信号放大器与动态信号过滤器连接，所述仪表显示器分别与所述动态信号过滤器和激励电源连接。

第三方面，提供一种脱空监测系统的安装方法，其包括：

完成路基的堆填和压实后，在路基上表面等间距固定若干测力装置；

在路基表面浇筑混凝土支承层，测力装置与支承层紧密结合为一体，测力装置仅下表面与路基表面接触；

支承层上端铺设砂浆垫层，砂浆垫层上端铺设轨道板，轨道板上安装有钢轨；

之后依次连接测力装置、信号放大器、动态信号过滤器、仪表显示器和激励电源，连接测力装置与激励电源。

本发明的有益效果为：本方案通过测力装置反馈的压力值测量出无砟轨道的脱空长度，之后基于脱空长度及本方案构建的脱空条件下上部轨道变形的计算公式，可对路基脱空导致上部轨道变形进行定量计算，可作为养护维修人员制定养护维修策略的参考依据。

本方案的脱空监测系统在线路投入运营前便将测力装置埋设于容易发生脱空区域的路基表面，在线路运营阶段，无需投入大量人力携带额外的现场监测设备，根据仪表显示器显示的压力数值，即可判断路基脱空情况，实现对无砟轨道运营全周期的路基脱空实时监测，可以较为精确地确定脱空位置与脱空范围。

附图说明

图1为路基脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法的流程图。

图2为本方案的路基脱空范围监测测点布置示意图。

图3为本方案脱空监测系统内部结构图。

图4为本方案计算算例得到的轨道挠曲线。

其中，1、钢轨；2、轨道板；3、砂浆垫层；4、支承层；5、路基；6、测力装置；14、接线电缆，15、信号放大器；16、动态信号过滤器；17、仪表显示器；18、激励电源；601、圆柱式压力传感器；602、壳体。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了路基脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法的流程图，如图1所示，该方法S包括步骤S1至步骤S6。

在步骤S1中，获取埋于无砟轨道的待监测区域路基5处的所有测力装置6的压力值；

在步骤S2中，判断是否存在测力装置6的压力值等于零；若是，进入步骤S3，否则返回步骤S1；

在步骤S3中，将压力值等于零、且连续的测力装置6划分为一段脱空区，根据每段脱空区测力装置6的数量，计算每段脱空区的道床-轨道组合梁长度：

其中，n为脱空区中测力装置6的数量；a为脱空区中连续的测力装置6数量为1时的脱离长度，a＜s；s为相邻两个测力装置6之间的间距。

本方案中的每段脱空区的道床-轨道组合梁模型视为材料力学中两端固定，并承受有自重均布荷载的梁模型。

在步骤S4中，获取根据瑞利-里兹法构建的挠曲线函数w(x)的计算模型：

w(x)＝c

其中，l为道床-轨道组合梁长度；x为道床-轨道组合梁上任一点到梁端点的距离；w

在步骤S5中，根据道床-轨道组合梁的力学参数和道床-轨道组合梁长度，计算挠曲线函数w(x)中的待定系数c

其中，E为道床-轨道组合梁的弹性模量；S为道床-轨道组合梁的横截面面积；I为道床-轨道组合梁的截面惯性矩；q为道床-轨道组合梁的自重均布荷载；

在步骤S6中，根据挠曲线函数w(x)的计算模型及待定系数c

每段脱空区都要执行步骤S3、S5和步骤S6。

本方案通过采集的脱空区域长度，结合构建的挠曲线函数w(x)的计算模型及计算挠曲线函数w(x)中的待定系数c

实施时，本方案优选路基5脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法还包括确定每段脱空区道床-轨道组合梁的最大挠度值w

当w

通过得到的每段脱空区的挠曲线，维修人员可以快速确定每段脱空区的最大挠度值，以此而准确地确定出无砟轨道的最佳运行安全，保证列车的运行安全及无砟轨道的使用寿命。

如图3所示，本方案还提供一种应用于路基5脱空导致的无砟轨道竖向变形计算方法的脱空监测系统，其包括仪表显示器17和若干测力装置6，每个测力装置6均与信号放大器15和激励电源18连接，所述信号放大器15与动态信号过滤器16连接，所述仪表显示器17分别与所述动态信号过滤器16和激励电源18连接。脱空监测系统中的各个部件之间均通过接线电缆14连接。

由于列车荷载会导致测力装置6输出的电信号突然增长并迅速恢复，所以动态信号过滤器16用于过滤掉这部分动态变化的电信号。

地表土层沉降影响路基5与测力装置6的接触时，压力值会发生明显改变；当发生脱空的区域，路基5与该处的测力装置6会脱离接触，此时压力值显示为0，根据圆柱式压力传感器601的序号和数目可以判断脱空区的位置及范围。

其中，测力装置6为圆柱式压力传感器601和包裹于圆柱式压力传感器601外表面的壳体602，且圆柱式压力传感器601存在一个表面未被壳体602覆盖。壳体602主要是对圆柱式压力传感器601进行保护，避免外界物质侵蚀圆柱式压力传感器601，延长监控系统的使用寿命。

本方案还提供一种脱空监测系统的安装方法，其包括：

完成路基5的堆填和压实后，在路基5上表面等间距固定若干测力装置6；

在路基5表面浇筑混凝土支承层4，测力装置6与支承层4紧密结合为一体，仅下表面与路基5表面接触；

支承层4上端铺设砂浆垫层3，砂浆垫层3上端铺设轨道板2，轨道板2上安装有钢轨1；

之后依次连接测力装置6、信号放大器15、动态信号过滤器16、仪表显示器17和激励电源18，连接测力装置6与激励电源18。

本方案的脱空监测系统的测力装置6安装完成后的示意图，可以参考图2。

为突出本方案的技术方案的可行性，下面以一个算例的形式对脱空区无砟轨道挠度进行求解：

假定在某线路路基5脱空监测试验段，测力装置6间距为s＝1m，有21个相邻的压力传感器压力值发生明显变化，仪器显示脱空，则路基5脱空区纵向长度为：L＝(n-1)s＝(21-1)×1＝20m。

脱空区道床-轨道组合梁模型各项力学和几何参数如下：

组合梁横截面面积：S＝1.321m

将上述参数代入步骤S5中计算挠曲线函数w(x)中的待定系数c

根据牛顿迭代法原理，编制MATLAB程序计算上述二元非线性方程组，可通过迭代计算到c

将待定系数c

w(x)＝1.372×10

＝(1.372x

＝(1.372x

根据函数绘制挠曲线，可以得到脱空区轨道各点位置的挠度，从而确定轨道挠度最大值w

在本算例中，w