第一讲高速铁路路基工程与沉降观测技术

第一讲高速铁路路基工程与沉降观测技术高速铁路对轨道的平顺性提出了更高的要求，而路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车荷载的基础，它也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节，路基几何尺寸的不平顺，自然会引起轨道的几何不平顺，因此需要轨下基础有较高的稳定性和较小的永久变形，以确保列车高速、安全、平稳运行。高速铁路路基工程一、路基的断面形式（1）路堤：当铺设轨道的路基面高于天然地面时，路基以填筑方式构成，这样的路基称为路堤。（2）路堑：当铺设轨道的路基面低于天然地面时，路基以开挖方式构成，这样的路基称为路堑。（3）半路堤：当天然地面横向倾斜，路堤的路面边线和天然地面相交时，路堤体在地面和面相交线的以上部分无填筑工作量，这样的路基称为半路堤。（4）半路堑：当天然地面横向倾斜，路堑路基面的一侧无开挖工作量时，这样的路基称为半路堑。（5）半路堤半路堑：路基一部分以填挖方式构成而另一部分以开挖方式构成时，这样的路基称为半路堤半路堑。（6）不填不挖路基：当路基的路基面和清理后的天然地基面平齐，路基无填挖土方时，这种路基称为不填不挖路基。二、高速铁路路基填料（1）基床表层使用的材料大致有：级配砂砾石、碎石，级配矿物颗粒材料（高炉炉渣）和各种结合料（如石灰、水泥等）的稳定土。（2）基床底层的填料应严格按现行规范执行，只能使用A组、B组填料和改良土。（3）路堤下部的填料应满足三个基本要求：①在列车和路堤自重荷载作用下，路堤能保持长期稳定；②路堤本体的压缩沉降能很快完成；③其力学特性不会受其他因素影响而发生不利于路堤稳定的变化。三、路基的压实与机械（1）压实机械的分类：静作用碾压机械、振动碾压机械、夯实机械（冲击夯实、振动夯实）。（2）压实机械的适用范围①光轮压路机：光轮压路机是一种静作用压路机按其质量可分为特轻型，轻型，中型，重型和特重型五种。这种压路机由于单位线压力小，压实深度浅，适用于一般的建筑工程。光轮压路机按其质量的应用范围。②羊足（凸块）碾：羊足（凸块）碾有较大的单位压力（包括羊足的挤压力），压实深度大而均匀，并能挤碎土块，因而有很高的压实效果和较高的生产率。它广泛用于黏性土的分层压实。但不适用于非黏性土和高含水量粘土的压实。③轮胎碾：轮胎碾机动性好，便于运输，进行压实工作时土与轮胎同时变形，接触面积大，并有揉合的作用，压实效果好。它适用于压实黏性土,非黏性土及沥青混合料的复压。④振动碾：振动碾单位线压力大，振动影响深，因此压实深度较大，压实遍数相应减少。振动碾种类繁多，应用广泛。光轮振动碾最适用于压实非黏性土（砂土、沙砾）、碎石、块石及不同类型、不同厚度的沥青混合料面层。这种压路机在断开振动机构后还可作为静作用压路机来进行整平作业。羊足（凸块）式振动碾即可压实非黏性土，又可压实含水量不大的粘性土和细颗粒砂砾以及碎石土。光轮压路机羊足（凸块）碾轮胎碾振动碾高速铁路路基沉降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据。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、填料的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。高速行驶中路基面的弹性变形是指列车高速行驶中动荷载短暂作用产生的，主要发生在基床部位，尤其在基床的表层，并直接反映到轨面弹性变形之中。路基的弹性变形是车轮、钢轨、道床、路基整个系统中各部分相互作用的结果。在能够保证高速行使安全性和乘车舒适性的前提下，不同刚度的路基对应的动弹性变形在3．5mm之内。路基填土的压密沉降属永久沉降，是由填土自重(包括上部轨道结构)引起的。铁路路基是一种由多种材料组成的组合体，对其变形分析也是一个高度非线性问题。在工程实际中，工后沉降常为工程界和业主所关心，它直接关系到整个工程在投入使用后所带来的一系列问题。一般情况下，工后沉降包括在施工阶段尚未完成的固结沉降和次固结沉降的大部分。路基沉降由两部分组成。一部分是填土在外荷载和自重作用下产生的压缩变形和不断增加的后期蠕变变形；另一部分是地基土在路堤荷载作用下，将产生的压缩和固结变形。现介绍目前应用最广的几种方法。（1）分层总和法：分层总和法是一类沉降计算方法的总称。它将压缩层范围内的土层分成若干层，分层计算土体竖向压缩量，然后求和得到总的竖向压缩量，即总沉降量。（2）应力路径法：土体中一点的应力状态可以用应力空间中的一个应力点来描述。在荷载作用下，土体中一点的应力状态的改变过程可以用对应的应力点在应力空间的运动轨迹来描述。应力点在应力空间的运动轨迹称为应力路径。传统的分层总和法计算沉降只考虑压缩变形，而在土体发生变形过程中不仅存在竖向压缩变形，还存在剪切变形。剪切变形使地基土的模量随着剪应力的增大逐步减小。压缩变形使土体进一步固结，地基土模量不断增大。因此，合理的设计方法应同时考虑这两种变形的作用。在一般工程条件下，土体因其所处位置不同而经受不同的应力路径，且在加载过程中应力路径也是变化的，所以应力路径的变化应在地基模型中加以考虑。应力路径法的基本概念是用应力轨迹表示工地现场在施工前、施工期间以及完工后地基内部的应力变化情况。土体中任一单元的应变、孔隙压力和强度都与应力路径有关，所以应力路径法能够从土体内部应力变化来推测土的变形和强度，清楚阐明土力学中地基沉降与稳定两个课题中各种计算公式的内涵，并把这两个课题有机地联系起来。软黏土受荷载作用后，往往有两个过程：首先是形变，然后是体变。加荷初始，孔隙水一时来不及排出，孔隙水压力上升，这就相当于固结不排水过程，体积不变。随着孔隙水压力的消散，体积压缩，有效法向应力增加，而偏应力不变，这相当于固结排水过程。因此，沉降就可分成两部分计算，通过模拟现场实际加荷条件，进行室内固结不排水和固结排水试验、分别量测不排水应变和排水应变，由此求得不排水沉降与固结排水沉降。应力路径法对于认识沉降机理，分析常规计算中可能产生的误差趋势，都是很有益的。实用应力路径法，可以解释为在常规土工试验中土样的应力变化的内部实质情况。（3）有限单元法：有限单元法可以考虑复杂的边界条件、土体应力应变关系的非线性特性、土体的应力历史、水与骨架上应力的耦合效应，可以模拟现场逐级加荷和处理超填土问题，能考虑侧向变形、三维渗流对沉降的影响，并能求得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙应力和有效应力的变化，使得计算所得总沉降量及沉降速率等结果越来越接近实测结果。有限元分析时，将路堤和地基作为整体划分网格，取孔隙应力、竖向位移和水平向位移为基本未知量，采用理论上较严密的比奥固结理论，在路堤荷载作用下，根据土体的劲度和渗透性建立方程组，从而解得孔压与位移。理论上，这一方法可适用于任意的边界条件和加载方式，可计入土层的不均匀性和土层性质的非线性特征等。（4）差分法：这也是一种数值计算法，目前法国、加拿大和美国的一些学者在常规计算方法的基础上，用差分法把土层的不均匀性，土性参数的非线性变化等因素纳入到计算程序中。因而它是传统计算方法的改进，但较有限元法易于使用。从沉降变形分析和现场实测数据分析来看，沉降变形分析往往与实测结果存在一定距离，对工后沉降变形要求越高，其影响就越大。