客運專線鐵路沉降位移觀測畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　為確保高速列車的行車安全，盡量滿足旅客對舒適度的要求，并減少日常維修工作，客運專線路基工后沉降控制標準越來越高。本文主要介紹了鐵路路基沉降的控制標準，影響鐵路路基沉降的因素以及控制鐵路路基沉降的控制方法。</p><p>　　建立了有限元模型，模擬逐級加荷條件下路基的沉降變形，為路基填筑施工控制提供了科學

2、的參考；分析軌道與列車荷載特點，對軌道、列車荷載在穩(wěn)定、沉降計算中的考慮方式與簡化形式提出了建議，同時用分離式和復合模量兩種方法對某高速鐵路客運專線段復合地基加固路基在列車荷載作用下的沉降特性進行了有限元分析，計算結果驗證了黃土復合地基剛度加固設計的可靠性；介紹了沉降設施的布置原則和技術要求及工后沉降量推算計算方法；以武廣鐵路客運專線實測數(shù)據(jù)為基礎，分析了超載預壓路基沉降規(guī)律及特征，總結了與之相適應的評估技術要求和經(jīng)驗；通過對各種基礎形

3、式的荷載傳遞特性、復合地基的形成條件等內(nèi)容的研究，提出客運專線路基沉降控制分析應根據(jù)路堤基底墊層形式、加固樁的類型，采用復合地基或復合樁基理論進行；對管樁網(wǎng)結構復合地基的變形特征和影響因素進行了分析。</p><p>　　關鍵詞：沉降控制；路堤填筑；列車荷載；超載預壓；復合地基</p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

4、t;　　To ensure high-speed train traffic safety, to meet the requirements of visitors comfort and reduce routine maintenance work: the controlling standards of the post— construction settlement of passenger dedicated line

5、is increasingly . the article briefly introduces the standard of the control of the railway embankment settlement, the factors of affecting the railway embankment settlement and controlling methods for the settlement of

6、the railway . </p><p>　　The article establish finite element model to simulate the subgrade under the conditions of Progressive Loading Settlement , then provide a scientific reference for construction contr

7、ol of embankment filling . It analysises the characteristics of the track and the train loading , consider the form of recommendations on the track, the train load in the stability of settlement calculation and simplifie

8、d way . At the same time it finite element analysis to a high-speed dedicated passenger railway e</p><p>　　Key words: settlement controlling ; filling embankment ; train load ; Surcharge preloading

9、; the cushion form of the embankment base</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 緒論- 5 -</p><p>　　1.1 我國鐵路橋梁建設現(xiàn)狀- 5 -</p><p>　　1.2 課題研究的意義- 5 -</p>

10、<p>　　第2章 路基沉降控制標準- 6 -</p><p>　　2.1 路基沉降控制的目的- 6 -</p><p>　　2.2 路基沉降控制的標準- 6 -</p><p>　　第3章 影響路基沉降因素- 7 -</p><p>　　3.1 路堤填筑- 7 -</p><p>　　3

11、.1.1 工程概況- 7 -</p><p>　　3.1.2逐級加荷有限元模型的建立- 8 -</p><p>　　3.1.2.1 建立有限元分析模型- 8 -</p><p>　　3.1.2.2計算參數(shù)- 9 -</p><p>　　3.1.2.3 路基逐級填筑的模擬- 10 -</p><p>

12、　　3.1.3 數(shù)值計算結果分析- 11 -</p><p>　　3.1.3.1 模擬計算結果與實測沉降比較- 11 -</p><p>　　3.1.3.2 有限元模擬施工水平及豎向位移- 12 -</p><p>　　3.2 列車運行- 13 -</p><p>　　3.2.1 列車荷載作用下的穩(wěn)定驗算與沉降計算- 13

13、 -</p><p>　　3.2.2 列車荷載作用下的復合地基的沉降特性分析- 14 -</p><p>　　3.2.2.1 某工程概況及參數(shù)- 14 -</p><p>　　3.2.2.2 分析方法- 15 -</p><p>　　3.2.2.3 計算模型及荷載- 16 -</p><p>　　3.2

14、.2.4 計算結果分析- 17 -</p><p>　　第4章 路基沉降控制方法- 18 -</p><p>　　4.1路基沉降觀測- 18 -</p><p>　　4.1.1 路基沉降觀測的目的- 18 -</p><p>　　4.1.2 沉降觀測裝置的布置原則- 18 -</p><p>　　4

15、.1.3 沉降觀測裝置的埋設- 18 -</p><p>　　4.2超載預壓- 20 -</p><p>　　4.2.1 超載預壓法- 20 -</p><p>　　4.2.2 典型超載預壓段的變形特征- 20 -</p><p>　　4.2.3 沉降變形分析評估的技術要求和經(jīng)驗- 22 -</p><

16、p>　　4.3 復合地基- 23 -</p><p>　　4.3.1 復合地基的定義與本質- 23 -</p><p>　　4.3.2 客運專線路基地基加固常用形式與分析- 25 -</p><p>　　4.3.3 復合地基沉降量計算- 25 -</p><p>　　第5章 結論- 27 -</p>&

17、lt;p><b>　　致謝- 28 -</b></p><p>　　參考文獻- 29 -</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 我國鐵路橋梁建設現(xiàn)狀</p><p>　　鐵路橋梁是一種功能性的建筑物。我國自改革開放以來，鐵路橋梁建設得到了飛速的發(fā)

18、展，對改善人民的生活環(huán)境，改善投資環(huán)境，促進經(jīng)濟的騰飛，起到了關鍵性的作用。</p><p>　　我國鐵路橋梁的建設正處于一個迅速發(fā)展的階段，從材料的開發(fā)應用、科研成果的應用，到設計水平、制造水平、施工技術水平的提高，都越來越與鐵路橋梁建設的規(guī)模相適應。目前我國在建的鐵路橋梁，無論從建設跨度、建設規(guī)模，還是建設難度、建設水平都達到了一個新的高度。我國先后建成了武漢長江大橋（1957年建成）、南京長江大橋（1968

19、年建成）、九江長江大橋（1993年建成，位于江西九江）和蕪湖長江大橋（2000年建成，位于安徽蕪湖）4座里程碑式的公鐵兩用特大鋼橋，實現(xiàn)了全部自行設計、制造和施工。目前正在興建的武漢天興洲長江大橋（位于湖北武漢）是當今世界跨度第一的公鐵兩用斜拉橋（主跨為504m），是世界上第一座按四線鐵路修建的大跨度客貨公鐵兩用斜拉橋。這幾座標志性橋梁的建設，顯示了我國當前在公鐵兩用橋梁建設方面已經(jīng)具備了世界先進水平。</p><p

20、>　　1.2 課題研究的意義</p><p>　　橋梁建設飛速發(fā)展的同時，旅客對火車平穩(wěn)舒適度要求也逐漸提高，這必然要求逐漸提高鐵路橋梁路基沉降控制的標準，但是目前的地基處理理論與設計方法主要事針對傳統(tǒng)的軟弱土地基，并不完全適合鐵路橋梁路基工后沉降的設計計算與地基加工處理，為確保告訴列車的行車安全，盡量滿足旅客對舒適度的要求，并減少日常維修工作，應提出更合理沉降變形控制體系。</p><

21、;p>　　第2章 路基沉降控制標準</p><p>　　2.1 路基沉降控制的目的</p><p>　　客運專線路基沉降控制的主要目的是控制路基的工后沉降，以確保高速列車的行車安全。所謂路基的工后沉降，是指軌道工程鋪設后在路基荷載和列車荷載作用下，路基發(fā)生的剩余沉降，即最終形成的總沉降量與路基竣工鋪軌開始時的沉降量之差。</p><p>　　2.2 路基

22、沉降控制的標準</p><p>　　客運專線路基工后沉降控制標準的確定，既要考慮列車對路基的要求及線路維修能力，也要考慮前期建設投資與后期養(yǎng)護費用的經(jīng)濟比較，在保證客運專線列車高速、安全與平穩(wěn)運行的前提下，應取得經(jīng)濟上的合理平衡。</p><p>　　目前，我國客運專線建設建設實踐中采用的工后沉降控制標準如表1所示。</p><p>　　表1 路基工后沉降控制標準

23、</p><p>　　注：——軌面圓順的豎曲線半徑（m）；——設計最高速度（km/h）。</p><p>　　從表1可以看出，同普通鐵路、高速公路相比較，客運專線（特別是無砟軌道客運專線）路基工后沉降控制標準要嚴格得多。因此，在路基工后沉降控制設計中，除傳統(tǒng)的軟土、松軟土地基外，還需對可能發(fā)生較大沉降變形或不均勻沉降的其他土質地基進行必要的分析計算和加固處理。</p><

24、;p>　　第3章 影響路基沉降因素</p><p>　　路堤填筑和列車運行是影響路基沉降的兩個主要因素。理論上講路堤填筑或列車運行必然引起地基內(nèi)附加應力產(chǎn)生，從而使地基土層壓縮變形引起路基下沉。</p><p><b>　　3.1 路堤填筑</b></p><p>　　路堤是路基的主要結構型式之一。路堤的穩(wěn)定與沉降關系到路堤是否能完成

25、其預定功能的重要條件，也是路堤設計的主要內(nèi)容。隨著我國高等級鐵路建設不斷向山區(qū)延伸，會越來越多地遇到在斜坡地基上填筑路堤的工程問題，對于此類問題，路基失穩(wěn)和不協(xié)調(diào)變形是兩種種常見病害。</p><p>　　路基沉降施工控制是公路修建質量的重要保證常規(guī)的路基體應力變形計算中，假定路基體一次到，荷載一次施加，則荷載的每一部分都由全結構來承。而實際上，路堤或者路堤逐級加荷過程中，施工到一高度，只有該高度以下已填筑土體來

26、承擔這部分載，對尚未填筑的上層土體沒有任何作用，上層土體受下層土體的影響 。下面結合河南省嶺南高速公路路基斷面監(jiān)測成果，探討了逐級填筑作用下路基沉降變形數(shù)值仿真技術。</p><p>　　3.1.1 工程概況</p><p>　　以河南嶺南高速公路第六標段里程K16+675處橫斷面填方路基工程為研究對象進行觀測，編號01，該處路基原地面標高為2l1.646m，需填筑4m。填料為風化碎石，

27、具有一定的代表性。路堤段為低山區(qū)，巖性為元古界黑云斜長片石夾斜長角閃片石，第四系坡洪積碎石土、砂礫土。無不良巖土。片巖表面強風化，風化層厚5～10m。在該斷面的路中和左右路肩分別埋設有沉降板，如圖1所示。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在施工填筑期，地基沉降較快，尤其是沉降板cjl，由于其靠近農(nóng)田，地基下土層為較厚的硬粘性土層，施工期間的總沉降量和沉降速率均稍偏大，最大沉降速率達11mm／d，發(fā)生在填筑高度為4.0m時，總沉降達100mm；沉降板cjl3靠

28、近一個山坡，其下的地基土質較好，為粉土質砂，因此沉降速率和總沉降量都比較小。填筑期間通過邊樁監(jiān)測到左側地面略有上升。</p><p>　　圖1 填方路基斷面沉降觀測元件布置圖(單位：m)</p><p>　　逐級加荷有限元模型的建立</p><p>　　采用有限元軟件PLAXIS8．2進行計算，其功能為仿真分析土體在非線性或者與時間相關狀態(tài)下的行為?？赡M巖土及混

29、凝土材料，模擬逐級加荷條件下路基的變形過程，而且還可以得到路基在各級荷載作用下地基不同位置的應力、應變數(shù)值和圖形。</p><p>　　3.1.2.1 建立有限元分析模型</p><p>　　建模的過程就是對實體進行有限元單元網(wǎng)格劃分并定義材料的性質。采用自動網(wǎng)格劃分法，在路堤土和地基土的接觸面以及地基土和基巖的接觸面上采用共節(jié)點單元處理。考慮到材料的非線性性質，塑性變形區(qū)域采用足夠的網(wǎng)

30、格密度。</p><p>　　(1)計算區(qū)域的選定</p><p>　　所選路基斷面為非對稱，該斷面左側地基土為較深厚的粘土層(麥田)，右側地基土為粉質砂土，附近為一山坡。計算中地基深度方向取填筑高度的4倍，約21m；長度方向取路堤底面的4倍為180m。</p><p>　　(2)邊界條件的確定</p><p>　　如圖2按照平面應變建立有限

31、元模型。邊界條件為左右兩側水平約束，下部固定，上部為自由邊界。根據(jù)高路基填筑的具體情況，可將其劃分為如圖2所示的3個區(qū)域。圖中A區(qū)為路堤填筑體，B區(qū)為地基土，C區(qū)為基巖。</p><p>　　圖2 路基橫截面分區(qū)及邊界條件示意圖</p><p>　　(3)單元劃分類型的選擇</p><p>　　對于2D有限元分析(該文為平面應變問題)，軟件可以選擇6節(jié)點或者15節(jié)

32、點三角形單元。6節(jié)點單元劃分是程序默認的網(wǎng)格劃分方式，單元的插值為二階，單元剛度矩陣是通過3個高斯點進行數(shù)值積分計算得到的。l5節(jié)點三角形單元是一種非常精確的單元，對各類問題能得出精度很高的應力計算結果。單元的插值為四階，積分過程采用12個高斯點。結構單元和界面單元類型將自動和土單元類型相匹配。使用15節(jié)點三角形單元需要較大的內(nèi)存，計算和運行相對較慢。主要用于對應力結果要求非常高的2D有限元分析，6節(jié)點三角形單元對于很多問題的計算精度要

33、求已經(jīng)足夠。網(wǎng)格的生成是基于穩(wěn)定的三角分割程</p><p>　　序，形成的是“非結構化”網(wǎng)格。這些網(wǎng)格看上去可能較混亂，但是其數(shù)值計算一般優(yōu)于規(guī)則(結構化)網(wǎng)格。計算分析選用6節(jié)點平面三角形單元進行計算。</p><p><b>　　計算參數(shù)</b></p><p>　　結合河南嶺南高速公路工程地質勘察資料和粗顆粒室內(nèi)大尺寸試驗成果，并參考國

34、內(nèi)相關文獻，計算所用參數(shù)指標如表2所示。</p><p>　　表2 有限元模擬計算參數(shù)表</p><p>　　3.1.2.3 路基逐級填筑的模擬</p><p>　　在路堤的填筑過程中，填筑體的荷載不是一次性施加的，反映在有限元的建模過程，也采用分層填筑的實際模擬算法，逐層進行計算，每層填筑體施加時，將其所有材料參數(shù)和幾何模型激活，進入計算步，如此直到計算結束。

35、并將計算值與實際觀測的每層沉降進行對比分析。用分步施工功能實現(xiàn)路基的分層填筑。</p><p>　　分步施工是荷載輸入最重要的類型，它的一個特點就是允許通過關閉或再次激活在幾何圖形輸入里建立的荷載、塊類組或結構對象，來修改幾何圖形和荷載設置。分步施工可以對各種加載、施工和開挖過程進行較準確和符合實際的模擬。這一選項還可以用來對材料數(shù)據(jù)組重新賦值，或者在幾何圖形里修改水壓分布。要執(zhí)行分步施工計算，首先要建立一個幾何

36、模型，它包含了計算要用到的全部對象。那些在計算一開始不需要用到的對象，應當在輸入程序結束時的初始幾何構造里關閉來模擬實際工程問題，如路基填筑、開挖隧道、橋梁施工等。</p><p>　　要達到關閉結構對象的效果，程序并不是將“關閉”的單元從模型中刪除，而是將其剛度(或傳導，或其他分析特性)矩陣乘以一個很小的因子，關閉的單元載荷將為0，從而不對載荷向量生效(但仍然在實際的單元載荷中出現(xiàn))。同樣，關閉單元的質量和其他

37、類似效果也設為0值。關閉單元的質量和能量將不包括在模型求解結果中。單元的應變在“關閉”的同時也將設為0。</p><p>　　與上面的過程相似，如果使單元處于“激活”的狀態(tài)，并不是將其加到模型中，而是重新激活它們。用戶必須在建模時生成所有單元，包括后面要被激活的單元。在求解器中不能生成新的單元，要“加入”一個單元，先關閉它，然后在合適的載荷步中重新激活它。</p><p>　　當一個單元被

38、重新激活時，其剛度、質量、單元載荷等將恢復其原始的數(shù)值。重新激活的單元沒有應變記錄。</p><p>　　施工斷面采用“分層輪加法”施工，每次填筑50～60 cm，對有限元計算而言，相當于單元數(shù)目隨著施工進程逐步增加，若嚴格按照每次填筑高度劃分單元，雖然更精確地模擬了施工過程，但勢必大大增加單元數(shù)目及計算工作量。</p><p>　　3.1.3 數(shù)值計算結果分析</p>&

39、lt;p>　　3.1.3.1 模擬計算結果與實測沉降比較</p><p>　　對分層填筑的施工過程進行模擬，在每層荷載作、用下，計算該層下各填筑體以及路基和基巖的整體變形，并將此計算結果與實測數(shù)據(jù)進行對比。該填筑體共分5層填筑，每層填筑高度相等。高填方路基在分層填筑的過程中，有限元模擬施工沉降的計算結果與實測沉降的結果比較如圖3所示。根據(jù)計算結果可知，有限元計算的結果比實測結果偏小。</p>

40、<p>　　經(jīng)過計算，沉降板所埋設位置處，3點的總沉降量分別為：78、33、23 mm。</p><p>　　cj1的模擬結果與實測結果開始比較接近，誤差有逐漸加大的趨勢，最大差值達到22 ，這是因為沉降板Cjl中間被撞斷一次，后雖又接上，卻帶來一定的誤差。cj2的模擬結果與實測結果比較接近，施工過程中，沉降觀測設備的保護較好。cj3的模擬結果與實測結果總體趨勢一致，模擬結果略小于實測結果，可見采用有

41、限元法實現(xiàn)分級加載的模擬有較高的可信度。</p><p>　　從圖3可以看出，采用有限元軟件對模擬出的沉降結果比實測結果小，而且施工前期很小，但隨著施工進程日趨增大。這是因為隨著施工的進行，應力水平不斷提高，另外根據(jù)地質資料獲取的計算參數(shù)也難以完全地反映現(xiàn)場實際情況，導致誤差累積。</p><p>　　(a)cj1 （2）cj2

42、 (3)cj3</p><p>　　圖3 沉降板有限元模擬結果與實測結果對比圖</p><p>　　3.1.3.2 有限元模擬施工水平及豎向位移</p><p>　　通過有限元模擬得到了該路基水平位移、豎向位移云圖如4、5所示，相對剪應力圖如圖6所示。</p><p>　　由圖4、5可以看出，由于左側路基下地基有較厚的

43、粘性土層，豎向位移和水平位移均較大，地質條件的差異導致整個路基斷面的差異沉降很大。建議后續(xù)施工中考慮左側路基沉降較大，應稍微加厚鋪筑厚度，以平衡差異沉降，同時應延長每層填筑之間的停歇時問，使其充分沉降。</p><p>　　圖4 有限元模擬水平位移云圖</p><p>　　圖5 有限元模擬豎向位移云圖</p><p>　　圖6 有限元模擬相對剪應力圖</p&g

44、t;<p>　　受右側山體影響，最大剪應力出現(xiàn)在路基中部和左側坡腳處，但是未出現(xiàn)剪切破壞情況。對斜坡地基上的路堤，塑性區(qū)發(fā)源于路堤與地基的交界部位，隨路堤的填筑逐漸向上擴展，且塑性區(qū)面積在上部也逐漸增大，而在下部則主要分布于路堤與地基的接觸面處。</p><p>　　在填筑加載期，坡腳處由于路堤填筑的加載作用有隆起現(xiàn)象，某級荷載填筑完畢后，該處即發(fā)生隆起，一旦重新填筑，該處又有新的隆起，這與實際情況

45、相符。</p><p><b>　　3.2 列車運行</b></p><p>　　3.2.1 列車荷載作用下的穩(wěn)定驗算與沉降計算</p><p>　　對行駛列車的荷載，在穩(wěn)定驗算與沉降計算方面是應該區(qū)別對待的。對穩(wěn)定驗算來說，失穩(wěn)是在外部荷載超過地基抗剪強度的某個位置某個時刻發(fā)生的，所以要選擇最不利的荷載組合，對于客運專線，應考慮雙線有車，

46、也就是應考慮 2個荷載換算土柱。</p><p>　　從沉降變形的角度來看對列車荷載的影響，應考慮荷載作用的連續(xù)性，因為沉降變形的發(fā)生不是在某一荷載瞬間作用下完成的。公路部門在做路面設計時，對于行駛的汽車荷載，采用當量標準軸載的方式進行考慮，有一定的合理性?？紤]到路基上軌道與列車荷載的特點，在進行客運專線的路基沉降計算時，并不宜直接套用公路部門的做法，合理的做法應該是考慮雙線的軌道荷載，對于列車荷載則可以考慮單個

47、荷載。</p><p>　　3.2.2 列車荷載作用下的復合地基的沉降特性分析</p><p>　　近幾年來，我國廣泛采取復合地基的方法進行軟土地區(qū)的地基處理，通過這種方法可以有效地提高地基承載力、減小沉降，在軟土層的地質條件下，混凝土剛性樁復合地基更是一種有效的地基加固方法，但目前針對黃土鐵路路基加固區(qū)動力響應的研究并不多，特別是以測得真實列車荷載對復合地基的動力分析研究。下文將以行車

48、舒適性為評價標準，進而研究黃土地區(qū)路基剛度加固措施、沉降控制標準，驗證了黃土復合地基剛度加固設計的可靠性。</p><p>　　3.2.2.1 某工程概況及參數(shù)</p><p>　　某客運專線的路堤橫斷面如圖7所示，Ⅲ為堤身，Ⅱ為地基處理區(qū)地基 ，處理方法為擠密樁，I為處理區(qū)以下的地基。</p><p>　　圖7 復合地基加 固路堤斷面</p>&

49、lt;p>　　路堤本體高度為6m，頂面寬度為13.6m，路基填料分4層材料及參數(shù)如表3所示。</p><p>　　表3 路堤填料參數(shù)</p><p>　　路堤下部土體分為兩層：1)砂質黃土，厚度20m；2)粉質粘土，分布在20m以下。地基采用水泥樁加固處理，樁徑為0.6m，樁間距為1.05m，樁長為22m，正三角形布置，材料及參數(shù)如表4所示。</p><p>

50、;　　表4 路堤下部材料參數(shù)</p><p>　　3.2.2.2 分析方法</p><p>　　利用計算機有限元軟件，采用分離式和復合模量兩種方法計算該客運專線某段復合地基加固路基在列車靜、動荷載作用下的沉降，分離式計算將樁體視為線彈性材料，樁間土的本構關系采用Drucker-Preger模型，在有限元分析方法中 Dp材料需要三個參數(shù)，即粘聚力c、內(nèi)摩擦角膨脹角(文中取0)，以上角度單

51、位是度，對于DP材料，其受壓屈服強度大于受拉屈服強度。如果已知單軸受拉屈服應力和單軸受壓屈服應力，則內(nèi)摩擦角和粘聚力可表示為：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　上式中和與受壓、受拉屈服應力的關系為：</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　復合

52、模量法把加固區(qū)視為一種均勻的材料，計算中可將復地基加固區(qū)中增強體和基體兩部分視為一復合土體，采用復合縮模量來評價復合土體的壓縮性，豎向增強體復合地基復土壓縮模量通常采用面積加權平均法計算，即：</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　其中，為樁體壓縮模量；為土體復合模量；為土體縮模量；m為復合地基量換率，m=(三角形布置)；d為樁體直徑；l為樁

53、間距。 </p><p>　　該工程計算值 E =76.8 MPa。 </p><p>　　動力計算的基本控制方程為：</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　其中，M 為體系總質量矩陣；C為體系總阻尼矩陣；K為體系總剛度矩陣；為體系結點加速度向量；為體系結點速度向量；為體系結點位移向量；為體系動

54、荷載列陣。</p><p>　　3.2.2.3 計算模型及荷載</p><p>　　路基模型簡化為二維平面問題，寬度取 160 m，高度取 90 m計算機軟件 自動劃分網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格見圖4，其中圖 4a)為分離式有限元網(wǎng)格，共有 18 077個結點，5 910個單元；圖 4b)為復合模量法有限元網(wǎng)格，共有5 047個結點，1 624個單元，有限元網(wǎng)格兩側水平方向約束，豎直方向自由，底部

55、邊界采用水平方向，豎直方向約束的邊界條件。單元選擇四邊形單元。</p><p>　　圖8 復合地基加固路堤的有限元模型</p><p>　　靜力計算中列車及軌道荷載計算分別根據(jù) ZK標準活載，以及結合實際的設計圖進行計算。均布后的面分布荷載集度為 q=18.09 kN／。動力計算荷載采取實際測得的列車動荷載。</p><p>　　3.2.2.4 計算結果分析&l

56、t;/p><p>　　計算所得兩模型在列車靜荷載作用下的最大沉降值，分別為6.0mm和 6.5 mm，僅差了0.5 mm，證明兩種方法計算基本一致。由于分離式有限元網(wǎng)格的結點和單元數(shù)目遠大于復合模量法，計算速度明顯低于復合模量法，因此在動力分析中，采用復合模量法進行計算，節(jié)省計算時間。計算中兩軌道作用相同的列車動力荷載，列車荷載時間選取約為2 S，時間步長為 0.000 5 S，計算路基上不同點縱向位移隨時間的變化曲

57、線。</p><p>　　圖4給出了路基中線及離路基中線最近軌道處的沉降隨時間變化曲線，從中可以看出，沉降從零時刻開始迅速增大，到1 左右時達到最大值分別約為5 l'nln和6.4 l'nln，在路基中線處曲線是平滑的，說明振動不明顯，而在軌道處明顯可以看出振動跡象大約每隔0．2 S出現(xiàn)一次波動，圖中波動幅值很小，能滿足列車乘客的舒適要求。</p><p>　　圖9 沉降

58、與時間的關系</p><p>　　第4章 路基沉降控制方法</p><p>　　客運專線鐵路路基沉降控制標準高，主要從加強路基沉降觀測，對地基進行超載預壓和采用復合地基來嚴格控制路基沉降。</p><p><b>　　路基沉降觀測</b></p><p>　　4.1.1 路基沉降觀測的目的</p>&l

59、t;p>　　保證路堤施工的安全和穩(wěn)定，控制路基填土速率，推算工后沉降的發(fā)展趨勢，調(diào)整完善設計，進行設計再優(yōu)化，使地基處理達到預定的控制要求，為路基的交工驗收提供收據(jù)。</p><p>　　4.1.2 沉降觀測裝置的布置原則</p><p>　　沉降觀測斷面路堤全部內(nèi)路堤中心不大于50m設置沉降板，橋涵過渡段必須設置沉降板，原則上每個工點不少于2個監(jiān)測斷面，根據(jù)現(xiàn)場地質情況適當加密。

60、邊坡兩側坡腳外側2m、10m按順線路方向各布置一排地表水平位移樁（邊樁），樁與樁間距20~50m，在填筑成型的路堤路肩設置沉降觀測樁。</p><p>　　4.1.3 沉降觀測裝置的埋設</p><p><b>　?。?）沉降板</b></p><p>　　沉降板由沉降鋼板（600mm×600mm×10mm）、觀測桿（Ф2

61、0~30mm鍍鋅鋼管）、保護套管（Ф100~150mm）組成。觀測桿與沉降鋼板焊接固定，并用3根直角鋼筋加強固定，使測桿與鋼板相互垂直。沉降板埋設在路基底面或碎石墊層下面，埋設前在下面鋪設一層 5cm厚的中粗砂，整平壓實，將沉降板平放在砂層上面，表面及四周用中粗砂壓實并用水準尺校正板面水平。為了使沉降觀測桿不受損壞，將保護套管垂直套進測桿并使其與鋼板間隔 15 cm的距離。測桿和保護套管隨著填筑的高度而相應接高，每節(jié)長度不超過 50 c

62、m，兩端用螺紋接頭與管箍相接。接高后的測桿應略高于保護套管口5～10 cm，套管頂用鐵皮帽封住，防止填筑施工時土粒落入管內(nèi)而影響測桿的自由沉降。</p><p>　　(2)水平位移樁(邊樁)和觀測樁 </p><p>　　邊樁采用Ф100mm的硬質圓木，長度為1000 mm并浸泡瀝青進行防腐保護，樁頂設金屬測頭，樁頂露出地表10 cm，四周并用砼保護，確保邊樁埋設穩(wěn)定。 觀測樁采用預制混凝

63、土樁(150 mm x 150 mm×1 000 m)，樁頂預設金屬測頭，待路基填筑成形后設置在設計路肩線內(nèi)0.3m的位置，縱向間距 20—50 m。</p><p>　　（3）沉降觀測方法及頻率</p><p>　　路堤沉降板、觀測樁的標高沉降監(jiān)測采用蘇光（DSZ2型）精密水準儀，配用煙瓦水準尺觀測，路基水平位移樁的坐標采用徠卡（TC2003）全站儀觀測。</p>

64、<p>　　在路堤填筑期間，每天監(jiān)測一次，中間如因各種原因暫時停工期間，前2天每天監(jiān)測一次，以后每3天監(jiān)測一次，第15~30天每星期監(jiān)測一次，第30~90天每15天監(jiān)測一次，以后每個月監(jiān)測一次直至交驗鋪軌。如果觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應停止施工，及時分析，必要時可進行卸載處理，待穩(wěn)定后再繼續(xù)填筑施工。沉降觀測測量精度按照二級水準測量要求。</p><p>　?。?）地基基底沉降觀測</p>&

65、lt;p>　　沉降板的測桿標高觀測方法采用幾何水準測量方法，測量技術應嚴格按照《鐵路測量技術細則》的要求，確定測量精度，誤差應小于1mm。每次觀測完成后及時整理，匯總測量結果，繪制填土高度--時間--沉降量關系曲線。路基中心沉降值每晝夜大于10mm的限值時，應停止填筑，及時分析原因，待穩(wěn)定后再進行繼續(xù)填筑施工。</p><p>　　（5）水平位移邊樁及觀測樁觀測</p><p>　　

66、坡腳水平位移邊樁及觀測樁沉降觀測采用徠卡(TC2003)全站儀測量，利用單三角前方交會法與視準線法相結合的方法，對邊樁位移坐標進行精準定位量測。根據(jù)當天測量數(shù)據(jù)，及時整理匯總并繪制填土高度--時間--水平位移關系曲線。當邊樁水平位移超過5mm／d時，應立即停止填筑，必要時進行卸載處理，待恢復穩(wěn)定后再進行填筑施工。 </p><p>　　路基兩側路肩頂面觀測樁同地基沉降觀測精度一樣，及時整理當天測量數(shù)據(jù)并繪制荷載-

67、-時--沉降關系曲線，進行研究，評估路堤頂面沉降變形情況 。</p><p><b>　　超載預壓</b></p><p>　　4.2.1 超載預壓法</p><p>　　超載預壓法是處理土層的方法之一。超載作為時荷載，在持續(xù)作用一定時間滿足使用荷載下的工沉降要求后，須卸荷到使用荷載水平，其效果可以從載卸除后地基在建筑物荷載作用下的后續(xù)變形大

68、小到反映，后續(xù)變形小，則處理效果好。</p><p>　　由于鐵路運專線無砟軌道鋪設對工后沉降提出了嚴格的要求設計上多采用CFG樁、注漿、旋噴樁等措施對原軟土地基進行加固處理，然后再通過超載預壓來加速地基土層的壓縮變形，以減小工后沉降。另外，超載預壓路基的一個關鍵問題是卸載時機的確定，它直接影響超載預壓的工程效果。</p><p>　　高速鐵路超載預壓路基的沉降變形評估與一般路基在控制標準

69、上是一樣的，均要滿足《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》的相關要求，但由于超載預壓路基經(jīng)歷了二次堆載、預壓和卸載的過程，基底沉降變形觀測 曲線會隨著荷 載的變化而出現(xiàn)轉折，其卸載時機的合理性和工程沉降的計算分析較常規(guī)路基要復雜得多。</p><p>　　4.2.2 典型超載預壓段的變形特征</p><p>　　下面以武廣鐵路客運專線堆載預壓路基沉降實測數(shù)據(jù)為基礎，總結分析超載預壓

70、路基的沉降變形規(guī)律和特征，分別采用有效應力面積比法和基于實測數(shù)據(jù)回歸擬合的卸載控制方程，對超載預壓路基的卸載時機和沉降進行分析，探討與高速鐵路超載預壓路基沉降特征相適應的沉降評估技術。</p><p>　　實測數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)超載預壓路基段的沉降變形發(fā)展過程基本相同。其典型斷面的沉降變形過程曲線如圖10所示。</p><p>　　圖10 DK1 671+426.46典型堆載預壓后卸載斷面

71、的沉降變形過程曲線</p><p>　　從圖10中可以看出，路基從填筑到卸載可分為三個階段 ： </p><p>　　第一階段：為堆載階段，堆載后沉降變形明顯增長，沉降速率增大，在沉降過程曲線上表現(xiàn)為下凹曲線。 </p><p>　　第二階段：為預壓階段，此時停止加荷載，但沉降變形繼續(xù)增長，沉降速率變緩，在沉降過程曲線上表現(xiàn)為上凸曲線。 </p>&l

72、t;p>　　第三階段：為卸載階段，卸載后沉降速率明顯減小，沉降變形趨于穩(wěn)定，且未出現(xiàn)明顯的回彈跡象，在沉降過程曲線上表現(xiàn)為一條平緩的曲線。 </p><p>　　從以上變形規(guī)律可以看出，超載預壓路基的變形特征主要體現(xiàn)為：對于填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面，超載施加時，基底沉降變形發(fā)生突變，沉降過程曲線出現(xiàn)明顯的拐點；對于路基本體和超載連續(xù)填筑完成的觀測斷面，沉降過程曲線相對光滑，與常規(guī)路基無明顯的差異；卸

73、載后，沉降變形速率明顯減小 ，沉降變形很快趨于穩(wěn)定；對于填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面，由超載引起的沉降增量與超載之比，一般要小于路基本體填筑引起的沉降增量與本體荷載之比。上述變化規(guī)律反應出堆載預壓措施能加速基底壓縮土層的變形，從而減小工后沉降是有效的。</p><p>　　4.2.3 沉降變形分析評估的技術要求和經(jīng)驗</p><p>　　超載預壓路基段的沉降變形分析評估應充分考慮以上

74、變形特征，在滿足常規(guī)路基評估技術條件的基礎上 ，還應充分考慮以下控制要求 ： </p><p>　　(1)超載高度和預壓時間 </p><p>　　超載高度和預壓時間均要達到滿足設計要求，設計預壓時間一般不小于6個月。 </p><p>　　(2)沉降預測方法 </p><p>　　在沉降預測方法的選擇上，不建議采用拓展雙線法。這主要是由于拓

75、展雙曲線法引入了荷載系數(shù)的概念來反映荷載的變化，但其前提是加載量和加載速率基本相同，而超載浮土的填筑速度一般與路基本體填筑速度存在明顯差異，若采用拓展雙曲線法進行預測分析，可能帶來較大的誤差。故不建議采用，可以選擇三點法、常規(guī)雙曲線法進行預測。 </p><p>　　(3)預測時間起點和時間段 </p><p>　　對于路基本體填筑完成后直接進行堆載的路段沉降預測起點和時間段與一般路基無明

76、顯的差異，即取填筑完成后或沉降曲線出現(xiàn)突變后的觀測數(shù)據(jù)，進行分析預測；對于路基本體填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面，由于超載會引起沉降曲線出現(xiàn)明顯的拐點，因此建議采用拐點之后的觀測數(shù)據(jù)進行預測分析。</p><p>　　(4)最終沉降量的預測計算 </p><p>　　最終沉降量是指設計荷載條件下路基最后的沉降量，對于超載預壓路基，原則上應根據(jù)卸載以后的觀測數(shù)據(jù)進行預測分析。但由于鐵路客運

77、專線路基已進行</p><p>　　過處理，在經(jīng)過堆載預壓后，其沉降變形量很小，甚至有可能發(fā)生回彈變形，采用卸載后的數(shù)據(jù)進行預測分析的難度較大。若采用荷載系數(shù)來對前期觀測數(shù)據(jù)進行修正，卸載后會出現(xiàn)明顯的回彈變形，這與實際變形觀測結果存在較大的差異。因此，建議采用超載預壓階段的數(shù)據(jù)預測的最終沉降量代替設計荷載條件下的最終沉降量，很顯然超載條件下的最終沉降量要大于設計荷載條件下的最終沉降量，這對于工程是偏于安全的。&

78、lt;/p><p>　　(5)工后沉降的計算</p><p>　　工后沉降是由鋪設無砟軌道結構 自重引起的沉降和鋪軌后至運營完成所發(fā)生的沉降兩部分組成，即 </p><p>　　=s()—s()+ (5)</p><p>　　式中：為預計鋪設無砟軌道時間點 ；為預定運營完成的時問點(=十100

79、年)；s()—s()為路基在鋪軌后至運營完成所發(fā)生的沉降；為鋪設無砟軌道結構自重發(fā)生的沉降。</p><p>　　對于超載預壓路基而言，超載一般明顯要大于結構層荷載，在經(jīng)過較長時間的預壓并趨于穩(wěn)定后，其歷史荷載水平已經(jīng)超過了使用荷載水平，按超載條件下</p><p>　　觀測數(shù)據(jù)預測的最終沉降量實際已包含了結構層引起的沉降量。因此，對于超載預壓路基，當采用超載預壓階段的數(shù)據(jù)預測最終沉降量時

80、，不再計入結構層引起的沉降量。而按超載階段的數(shù)據(jù)來預測鋪軌時間點沉降時，應將其轉換為路基本體荷載條件下的預測值，因此，應在預測時間段的選擇上考慮卸載后的觀測數(shù)據(jù)</p><p>　　實際操作過程中，當卸載階段沉降已趨于穩(wěn)定或有回彈的情況下，可以取鋪軌前的最終觀測值代替。</p><p>　　根據(jù)以上原則 ，超載預壓路基的工后沉降按下式計算 </p><p>　　=s

81、(—s( (6)</p><p>　　式中：s(璀為按超載階段觀測數(shù)據(jù)計算的運營完成時間點的沉降量；s(為按卸載階段計算的預計鋪軌時間點的沉降量，當卸載階段沉降已趨于穩(wěn)定或有回彈的情況下，可取鋪軌前的最終觀測值。</p><p><b>　　4.3 復合地基</b></p><p>　　客運

82、專線鐵路路基沉降控制標準高，地基處理多采用 cFG樁、管樁、灌注樁等半剛性或剛性樁進行加固，下面從復合地基的定義、各種地基基礎的荷載作用等方面進行一些探討。</p><p>　　4.3.1 復合地基的定義與本質 </p><p>　　復合地基是指天然地基在地基處理工程中部分土 體得到增強或置換，或在天然地基中設置加筋材料，加固區(qū)是由天然地基土體和增強體兩部分組成的人工地基。 </

83、p><p>　　下面通過分析淺基礎、樁基礎和復合地基在荷載作用下的荷載傳遞特性來認識復合地基的本質，并討論淺基礎、樁基礎和復合地基三者之間的關系。對淺基礎，荷載通過基礎直接傳遞給地基土體，如圖11所示。樁基礎可分為摩擦樁基礎和端承樁基礎2大類。對摩擦樁基礎，荷載通過基礎傳遞給樁基礎，樁體主要通過樁側摩阻力將荷載傳遞給地基土體；對端承樁基礎，荷載通過基礎傳遞給樁體，樁體主要通過樁端端承力將荷載傳遞給地基土體。因此可以說

84、，對樁基礎，荷載通過基礎先傳遞給樁體，再通過樁體傳遞給地基土體，如圖12所示。對復合地基，荷載通過基礎將一部分荷載直接傳遞給地基土體，另一部分通過樁體傳遞給地基土體，如圖13所示。因此，淺基礎、樁基礎和復合地基三者的荷載傳遞特性是不同的，復合地基的本質是樁和樁問土共同直接承擔荷載。</p><p>　　淺基礎、復合地基和樁基礎三者之間其實并沒有嚴格的界限。如采用土擠密樁加固地基，當樁土應力比等于1時，也可視為淺基

85、礎；又如考慮樁土共同作用的摩擦樁基，則可以認為是樁基礎，也可以看作剛性樁復合地基。</p><p><b>　　圖11 淺基礎</b></p><p><b>　　圖12 樁基礎</b></p><p><b>　　圖13 復合地基</b></p><p>　　4.3.2

86、 客運專線路基地基加固常用形式與分析</p><p>　　在荷載作用下，增強體與天然地基土體通過變形協(xié)調(diào)共同直接承擔荷載作用是形成復合地基的基本條件。圖14反映的是 目前客運專線路基沉降控制中常采用的的幾種地基加固形式，下面進行簡要分析。</p><p>　　圖14 客運專線路基地基加固常用形式</p><p>　　在圖14(a)中，在路堤荷載作用下，剛性筏板基

87、礎的存在基本可以保證樁和土共同直接承擔荷載，加固樁采用 CFG樁或低強度素混凝土樁時，可以按復合地基進行設計計算；加固樁采用預制管樁或鋼筋混凝土灌注樁時，一般按復合樁基進行設計計算。</p><p>　　在圖14(b)中，在剛性筏板基礎下設置一定厚度的柔性墊層，通過柔性墊層的協(xié)調(diào)，可以保證樁和樁問土共同承擔荷載，柔性墊層的存在可以減少樁土荷載分擔比，充分發(fā)揮樁問土的承載潛能。因而，一般按復合地基進行設計計算。&l

88、t;/p><p>　　在圖14(c)中，路堤下直接設置碎石加筋墊層，其作用與剛性筏板基礎的柔性墊層的作用正好相反，碎石加筋墊層的剛度比路基本體要大，它的存在可以提高樁土荷載分擔比，充分發(fā)揮樁的承載潛能，可按復合地基進行設計計算。</p><p>　　根據(jù)復合地基 、復合樁基理論進行客運專線路基沉降控制分析可以參照《建筑地基基礎設計規(guī)范》《建筑樁基技術規(guī)范》進行。</p><

89、p>　　4.3.3 復合地基沉降量計算</p><p>　　管樁樁網(wǎng)復合地基的沉降量由兩部分組成，一部分是地基土在管樁加固固結壓縮后引起的加固區(qū)沉降量，另一部分是樁土復合地基加固區(qū)下臥持力或軟土層沉降量。</p><p>　　S=+ (7)</p><p>　　其中：采用復合模量法計算，采用

90、分層總和法。 </p><p>　　管樁加固區(qū)沉降量采用復合模量法計算，將復合地基加固區(qū)中的管樁群體和土體假想成一個復合實體基礎，加固區(qū)的沉降即為該實體基礎 的壓縮變形量，選用壓縮模量進行計算：</p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　式中，一第 i層復合土上附加應力增量</p><p>　　一第

91、 i層復合土層的厚度； </p><p>　　m一復合地基面積置換率； </p><p><b>　　一樁體壓縮模量； </b></p><p><b>　　一土體壓縮模量。</b></p><p>　　管樁樁土復合地基加固區(qū)下臥持力層或軟土層沉降量 s 采用分層總和法計算，在分層總和法計算中，下臥

92、層土體的附加應力采用等效實體法，即將復合地基加固區(qū)中的管樁群體和土體假想成一個復合實體基礎。如下式壓縮層厚度按附加應力等于0.1倍的自重應力來確定。</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　式中，一第i層厚度；</p><p>　　一第 i層中點 自重應力所對應的孔隙比；</p><p>　　一第

93、 i層中點 自重應力與附加應力之和對應得空隙比。</p><p><b>　　第5章 結論</b></p><p>　　客運專線路基沉降控制標準高，目前地基處理的理論與設計方法主要是針對傳統(tǒng)的軟弱土地基，并不完全適合客運專線路基工后沉降的設計計算與地基加固處理，隨著工程實踐的日益增多，特別是工程試驗和沉降觀測成果的積累，客運專線路基沉降控制理論與設計方法將不斷得以完

94、善，目前在沉降控制分析工作中，可以按以下建議進行設計：</p><p>　?。?）有限元“分級加載”模擬結果與實測結果趨勢基本一致，誤差在工程精度允許范圍內(nèi)。說明提出的路基沉降逐級填筑加荷的數(shù)值仿真方法是可行的，對高路基填筑施工控制具有一定的指導意義</p><p>　　(2)對于軌道與列車荷載，在穩(wěn)定檢算時，采用雙線有載；在沉降分析時，考慮雙線軌道荷載和單個列車荷載。</p>

95、<p>　　(3)堆載預壓措施能加速基底壓縮土層的變形，從而減小工后沉降是有效的。</p><p>　　(4)客運專線路基沉降控制分析，應根據(jù)路堤基底墊層形式、加固樁的類型，采用復合地基或復合樁基理論進行。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而對于我的人生卻只是

96、一個逗號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將完畢之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的導師。我不是您最出色的學生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉

97、的學術目標，領會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導,經(jīng)由您悉心的點撥,再經(jīng)思考后的領悟,常常讓我有“山重水復疑無路,柳暗花明又一村”。 感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！ 同時也感謝學院為我提供良好的做畢業(yè)設計的環(huán)境

98、。 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設計中曾經(jīng)幫助過我的</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 屈曉輝，崔俊杰．客運專線鐵路路基設計技術 [M]．北京 ：人民交通出版社，2oo8． </p><p>　　[2] 地基處理手冊編委會．地基處理手冊 [K]．3版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，20o8． </

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