高速铁路路基沉降控制技术

高速铁路路基沉降控制技术李燕山2高速铁路路基沉降控制技术摘要高速铁路代表了世界铁路现代化发展的大趋势，是21世纪交通运输的重大成果，是人类的共同财富。随着经济的迅猛发展，交通运输需求激增，我国铁路客运专线建设已经进入一个高速发展的时期，由于高速铁路运行速度快、技术标准高、对路基的要求严格，控制路基变形沉降已经成为客运专线路基的最大特点。路基变形最明显、危害最大的问题是路基沉降。路基沉降控制是一个涉及因素较多、具有较大不确定性的工程难题。路基沉降包括路基施工沉降和工后沉降，工后沉降尤其发生几率大、危害严重。本论文从黄土的性质和特性，路基沉降的原因、危害，控制路基沉降的措施、路基工后沉降的机理，控制路基工后沉降的必要性、步骤、措施、各种措施的特点，路基沉降计算、监测等方面分析了路基沉降。关键字：黄土路基工后沉降控制方式沉降计算监测3第1章绪论1.1铁路路基铁路路基是经过开挖或填筑形成的直接支撑轨道、满足轨道铺设和运营条件而修建的土工结构物，是铁道工程的重要组成部分。它承受着轨道及机车车辆的静荷载和动荷载，并将荷载向地基深处传递扩散，因此路基应具有足够的强度和稳定型，应能抵抗自然因素的破坏而不至于产生有害变形【1】。1.1.1我国铁路路基现状长期以来，我国新建铁路没有把路基当成土工结构来对待，而普遍冠名为土石方。在“重桥隧，轻路基，重土石方数量，轻质量”的倾向下，路基翻浆冒泥、下沉、边坡坍滑、滑坡等病害经常发生，使新建铁路交付运营多年仍不能达到设计速度与质量，经济效益与社会效益较差。运营铁路路基技术状态不佳，强度低，稳定性差，严重威胁铁路运输和安全，已成为铁路运输的主要薄弱环节。如今，全国铁路网已相继完成四次提速，开发了一批最高运行速度为140～160KM/h的“快速列车”。运营时速为200KM的秦沈客运专线的建成通车，使我国铁路路基设计施工水平有了较大幅度的提高，极大地促进了路基工程的进步。1.1.2国外铁路路基现状国外铁路发展的方向是重载及高速铁路。发展重载铁路(250～360KN)的国家有美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯等；发展高速铁路的国家有法国、日本、德国等。这些国家制订了较高的路基标准和严格的施工工艺。其特点如下：(1)结合路基工程规定了详细的岩土分类，要求进行详细地调查，为设计、施工及养护提供必须的依据资料。(2)加强了轨道基础的路基机床部分，包括路堤、路堑及不填不挖地段，特别是对机床表层的材料(日本新干线要求设置加强机床，很多国家设置基层或防护层、垫层)有严格条件并规定了强度要求。(3)对路堤各部分的填土规定了相应的填料标准，填土质量标准要求较高。(4)为控制路基发生过大的下沉，对路堤填土提出了规定及处理要求。(5)加强路基的排水系统、边坡和灾害的防护【1】。41.2黄土通常将具有以下特性的土称为黄土；颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；颗粒组成以粉粒(0.05～0.005mm)为主，含量一般在60%以上；有肉眼可见的大孔隙、较大孔隙，一般在1.0mm左右；富含碳酸盐；垂直节理发育。公路工程中，根据黄土沉积年代不同，可将黄土分为新黄土(如马兰黄土Q3、Q4)、老黄土(离石黄土Q12、Q22)、红色黄土(午城黄土Q1)三类；根据黄土的湿陷性又分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土。1.2.1黄土的颗粒组成会及结构黄土的颗粒组成以粉粒为主，其含量可达50%以上，其中粗粉粒(0.05～0.01mm)含量大于细粉粒(0.01～0.005mm)含量。黄土中的粘粒、细粉粒和腐殖质胶体，大部分被胶结成集粒或浮在砂粒及粗粉粒的表面，或聚集在大颗粒间的接触点处。黄土中的粉粒和集粒共同构成了支承结构的骨架，较大的砂粒“浸”在结构体中由于其排列比较疏松，接触连接点少，构成了一定数量的架空孔在结构体中，而在接触连接处没有或只有少量的胶结物质。常见的胶结物质有聚集在连接点处的粘粒，易溶盐及沉积在该处的CaCO3、MgCO3等。研究表明，黄土的粉粒含量越大，其孔隙比越大，干密度越小，其湿陷性越明显。粘粒的存在对湿陷性有抑制作用，当粘粒含量大于30％时，湿陷性几乎减弱到不复存在，当然这与粘粒的结构、性质及分布有关。在颗粒大小中，小于0.01mm的颗粒对湿陷性的影响更加明显。1.2.2黄土的多孔性黄土中的孔隙，呈垂直或倾斜的管状，以垂直为主，上、下贯通，其内壁附有白色的胶结物，一般为CaCO3,这种胶结对黄土起着加固作用。一般将黄土的孔隙分为以下三类：①大孔隙，直径约0.5～1.Omm，肉眼就可辩识；②细孔隙，是架空结构中大颗粒的粒间孔隙，肉眼看不见，可在放大镜下观察到：③毛细孔隙，由大颗粒与附在其表面上的小颗粒所形成的粒间孔隙，肉眼更看不见。由这三种孔隙形成了黄土的高孔隙性，故又将黄土称为“大孔隙土”。黄土孔隙率一般在35％～60％之间，有沿着深度逐渐减小的趋势；在地理位置上，自东向西，自南向北，黄土孔隙率有增大的规律。一般认为黄土的孔隙是引起黄土湿陷的主要原因，但有资料表明压实黄土仍存在大孔隙，也具有湿陷性，表明这不是黄土湿陷的根本原因，但它为黄土湿陷提供了足够的空间【6】。51.2.3黄土的湿陷性与变形特性湿陷性是指土在自重或附加应力与自重共同作用下受水浸湿后产生急剧而大量的下沉。浸水湿陷只在士体自重作用下产生的黄土称为自重湿陷性黄土，而浸水湿陷在土体自重与附加应力共同下产生的黄土称为非自重湿陷性黄土。根据自重湿陷量与总湿陷量可对湿陷性场地进行湿陷等级与湿陷类型划分。非自重湿陷性场地的湿陷起始压力一般大于土的饱和自重压力，湿陷敏感性较弱，湿陷性事故较少，自重湿陷性场地的湿陷起始压力小于其上覆土的饱和自重压力，湿陷敏感性较强，湿陷性事故多。黄土与其它粘土的区别在于黄土对含水量的变化极为敏感，含水量的高低严重影响土的湿陷性和承载力的高低，含水量低时，土的湿陷性强烈，但承载力却很高，随着含水量的增加，土的湿陷性逐渐减弱，承载力随之急剧下降，而压缩性却得以提高。根据大量土样的试验资料统计结果表明，黄土的湿陷性与饱和度成直线反比关系，见表l-l，即饱和度愈低，土的湿陷性愈强，土的湿陷性随着饱和度的增大而降低。表1-1饱和度Sr与湿陷系数6s的关系饱和度Sr(％)湿陷系数s范围湿陷系数s中值＜300.09～0.1370.12030～400.04～0.1180.08640～500.02～0.1000.06050～60＜0.02～0.0840.0460～700～0.0600.03＞700～0.03s＞0.015者只占3.4%黄土的压缩性反映黄土地基在外荷载作用下产生压缩变形的大小，主要取决于土的密实程度和含水量，三者的关系见表l-2。表1-2黄土变形模量与含水量和孔隙比的关系土类含水量（%）孔隙率（%）变形模量（Mpa）黄土10～1747～4822.5～32.06～846～4822.0～28.08～1447～4919.0～22.0黄土状粉质粘土12～1843～4510.0～40.022～2545～488.0～1.525～3040～457.0～1.361.2.4黄土的结构性问题结构性应该是描述土物理本质中比粒度、密度、湿度重要的一个侧面。它的重要性早为太沙基所指出，也早为一系列学者所重视。如果说结构性对任何土都是重要的，那么，对黄土就更是不可避免的，具有更大的意义。研究黄土的结构性及其在力和水作用下的变化规律对整个土力学研究的对象都会有很大的辐射作用。目前，将黄土受力、水作用后结构由损伤到破坏作定量描述的固体力学方法，因其可以回避在寻求独立表示土结构性参数上的困难，使结构性关系的建立出现了新的跳跃。但它仍然遇到了建立不同湿密状念土在受到外力作用过程中损伤变量正确表述的困难．显然，如果能够找到一个能合理反映土的结构性及其随水与力的作用而变化的土结构性参数，无疑会使问题的解决更加直观、更加灵活，会使土力学的参数体系更加完善．文献中关于综合结构势这一新指标的提出及对其合理性、灵敏性、稳定性与普遍性的检验的相关研究表明：(1)黄土的结构可视为一个由单粒、集粒或凝块等骨架单元共同形成的空间结构体系．它的单元形态(单粒的矿物碎屑与集粒或凝块)确定了力的传递性能和土的变形性质，它的连接方式(点接触、面接触)确定了土的结构强度，它的排列方式(大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙)确定了土的稳定性．单粒点接触、架空孔隙占优势的结构，湿陷性大；集粒或凝块，面接触、粒间孔隙占优势的结构，湿陷性小．(2)黄土结构性的研究，应既注意揭示土颗粒排列的几何特征(以孔隙分布特征最为敏感)，又注意揭示土颗粒联结(物理的和化学的，而以化学的为最敏感)的力学特征，同时将结构与组成相结合，探讨黄土的非均质性，各向异性．(3)从黄土力学的观点来看，结构性研究的根本目的在于揭示结构性对土力学行为的影响及内在联系，因此，将土的微观结构与宏观力学行为相结合是一条正确的研究途径．(4)黄土的结构性问题在其结构联结没有遭到破坏以前表现为它维持结构可稳性的能力，它和颗粒联结的特性与稳定性有关；在结构联结遭到破坏以后表现为结构可变性的能力，它和颗粒的排列特性与均匀性有关．1.2.5压实黄土的工程特性研究现状1.2.5.1压实黄土的湿陷性经过对原状土和压实土的湿陷性试验，得到：(1)湿陷性黄土经过压实后，如填筑含水量较低，填筑干密度较小时，仍具7有明显的湿陷性，并具有以下特征：①压实黄土与原状黄土的含水量和干密度都相同时，在较大的压力范围内，压实黄土的湿陷性要比原状黄土的大②压实黄土的湿陷性，随填筑含水量的减小而增大，反之，随填筑含水量的增大而减小；③即使压实黄土的填筑干密度较大，而含水量都较低时，仍具有一定的湿陷性，并在较大的压力范围内随压力的增加而增大．(2)压实黄土填筑含水量不应低于最优含水量的2～3倍，同时要以最大干密度来控制施工质量，否则将会在工程运营期间受水浸湿后出现不同程度的湿陷变形，进而危及工程的正常使用。1.2.5.2压实黄土的压缩性质压实黄土的压缩性质，也用土的压缩系数、压缩模量、固结系数等指标表示，在室内用压缩仪测定．根据有关资料表明，西北黄土在击实饱和情况下，当垂直压力为0.1～O.47MPa时，其压缩系数平均值介于(0.0137～0.0199)×10-5Pa1之间，为中等压缩性土，其平均压缩模量介于11.18～24.2MPa之间．当垂直压力为0.4～1.6MPa时，其平均压缩系数为(0.0057～0.0175)×10-5Pa-1之间，多数为低压缩特性，其压缩模量介于42.44～23.67MPa之问，平均固结系数介于1.092×10-1～5.50×10-3㎝2/s之间。8第2章路基沉降2.1路基沉降路基裸露在自然界中，整个路基经常受到自重、列车荷载和各种自然因素的作用。由于水、温度和各种荷载的作用，路基的各部分将产生可恢复和不可恢复的变形，那些不能恢复的变形，将引起路基标高和边坡坡度、形状的改变，甚至造成土体位移和路基横断面几何形状的改变，危及路基及其各组成部分的完整和稳定，形成路基的危害2.1.1高速铁路路基沉降特性分析的研究现状铁路路基沉降变形主要包含运营阶段行车引起的基床累积下沉，列车行驶中路基面的弹性变形，路基本体填土及地基的压密下沉三个方面。大量的调查表明，路基沉降是由土性、压实度、饱和度、环境和外载等多方面因素综合作用的结果，但主要是由路基本身和地基的排水固结变形引起的。地基的沉降变形与地基土的性质和地基处理方法有关，而路基本体的变形通常与填料的性质、填料含水量和压实系数有关，地基的沉降变形直接影响到路基的变形。基床累积下沉是由列车通过道床传递到基床面的动荷载引起的，主要发生在基床部位，特别是基床表层。设计时若能限制列车荷载在基床表面产生的动应力在基床填料的临界动应力以内，则累积下沉量在经过一段时间行车后(例如一年)能够逐渐趋于稳定而不会继续发展的。2.1.2路基沉降的原因2.1.2.1路基填土压实度不足由于压实度不足，往往导致填方路基的不均匀沉降变形，路基两侧出现纵向裂缝，路基土体压实度不足的主要原因有以下几点:(1)施工受实际条件的限制。路基施工时，天气太干燥，局部路堤填