大准铁路点南线软土路基稳定性监控

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 大准铁路点南线软土路基稳定性监 控 摘要：结合点（岱沟）南（坪） 铁路煤炭专用线 K7+865为 K8+912 路基段为例，着重介绍路基稳定性的监 控方法。给出地层概况及断面传感器 埋设技术。研究填筑期软土路基稳定 控制标准。分析软基的监测方法。 考虑沉降预测模型的堆载卸荷标准，提 高路基沉降的预测精度。 中国论文网 /2/view-12794868.htm 关键词：铁路专用线；软土路基； 稳定控制； 中图分类号：U213.1 文献标识 码：A 文章编号： 1、引言 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 神华集团准格尔能源公司点南铁 路技术标准高，对路基变形与稳定性的 要求十分严格。而重载型软土地区的变 形与稳定性控制，是重载路基工程中的 主要技术难题。软土的物理力学性质差， 天然含水量大，强度低，透水性差，压 缩性高，易受扰动影响，土性参数取值 困难。在重载型软基铁路工程建设中， 路基稳定性和路堤的变形始终未能得到 很好的解决，造成桥头跳车，路基道床 早期破损，严重影响了煤炭运输的通车 能力和行车舒适性，同时带来安全隐患。 国外重载型铁路极少类似病害，其主要 原因在于：一是路基高度较低，路基工 后沉降较；二是重视软基处理，特别是 软土较厚时，甚至不惜成本进行处理。 例如，在桥头相当长的路段，用桩基路 堤法处理软基，使桥与路平稳过渡；他 们为处理软基最有效、最经济的方法是 提前施工，在地表上逐级填筑路堤，自 然沉降至路堤稳定。 软土路基在各级填土荷载作用下 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 的地基稳定性分析和煤炭运输沉降预测， 已经引起国内外学者的广泛关注。目前， 由于滑动面的位置及其强度参数难以准 确确定，使计算结果与实际情况存在较 大的差别。为了保证软基路堤既安全又 经济地顺利施工，通常采用现场观测和 试验报告对软土路基的稳定性进行综合 分析评价，以使结果更符合实际。 2、地层概况及断面传感器埋设 由中国铁建十六局集团承建、准 能公司质量监站督指导的点南铁路，施 工位于准格尔大饭卧铺附近山区沉积深 厚软土路基上，软土路基的厚度 5m 左 右，沿线相差较大，在地质上属第四系 Q4 上层，多为饱和正常压密粘土，土 的类别多为淤泥、淤泥质亚粘土层。路 基道床设计宽度为 8.4m，填筑高度 8.0m，边坡坡率为 11.5。典型地层概 况及断面传感器埋设如图 1 所示。 结合观测仪器埋设钻孔，对各土 层取样进行室内土工试验，包括： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 （1）天然含水率和密度；（2）比重、 液塑限；（3）颗粒级配分析；（4）压 缩（固结）特性；（5）渗透试验； （6）直剪固结快剪；（7）无侧限抗压 强度试验；（8）应力应变关系。 2.填筑期软土路基稳定控制标准 在软基上修筑路堤，路基基床的 稳定性预测与控制是每项工程都要面临 的十分重要的课题。路基基床的稳定性 预测与控制一般分 2 个阶段进行：第一 阶段是在施工图设计期间，对路基的整 体稳定性进行预估分析，并结合基床沉 降的计算，拟定施工加载计划；第二阶 段是在施工填土期间，对路基的竖向沉 降、水平位移、基床土中的孔隙水压力 进行观测。根据观测结果对路基基床稳 定性进行评价，并及时修改施工加载计 划，甚至对基床采取必要的补救处理措 施。这里着重对第二阶段的工作进行相 关研究。设计阶段的路堤填筑计划是根 据理论上的地基固结和稳定性分析确定 的。由于基床土的固结和强度指标很难 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 准确选取，分析方法也不一定完全适宜， 加上设计阶段的填土计划往往受到处置 政策、资源配置等因素的限制而不能按 时实施，因此设计阶段的填土计划往往 不一定能完全反应实施阶段的实际状况。 加之软土的强度很低，如果施工不当， 基床极易发生破坏，因而用原位观测来 控制基床施工期的稳定是非常重要的。 目前，路堤施工期对软土路基的 稳定性控制一般都采用现场观测的方法， 即通过观测地基在路基填筑期间所表现 出的各种特征，对路基基床的稳定性进 行预测，从而起到稳定性控制的作用。 一般主要有下面方法： （1）水平位移速率和沉降速率 控制方法。路基基床的水平位移和沉降 速率是随填土荷载大小、填土速率、路 堤形状及基陈情况等的不同而变化的。 大量的工程实践表明：基床在破坏前， 水平位移速率和沉降速率有一定的极限 值。因此可以根据以往或类似工程的经 验，规定基床的允许水平位移速率和沉 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 降速率，作为路堤施工时控制基床稳定 的标准。当然，确定这些标准的数据值 要结合具体的工程条件考虑，同时要留 有一定余地。经过大量工程实践后，采 用排水固结法处理软土路基的路堤填土 施工期间稳定性控制标准逐渐得到统一， 即用铁路软土路基路堤设计与施工技 术规范 （JTJ017-96）标准来控制填土 过程。 （2）地基基床侧向水平位移及 沉降绘制控制图。根据实测的地基基床 侧向水平位移及沉降绘制控制图控制施 工。这种方法是由日本的松尾提出的， 着眼于路堤中心处的地表沉降量 S 和路 堤坡脚附近的侧向水平位移 h。在对大 量的破坏实例进行分析后发现，很多路 基基床临近破坏时的沉降量 S 和 h/S 之间的关系大致落在一条曲线上，此曲 线称为破坏基准线。在获得路基基床的 破坏基准线后，将填土过程中实测的水 平位移及沉降绘制在 Sh/S 图上，如 （h/S ，S）的点接近破坏基准线，则 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 认为路基基床临近破坏；如 （h/S ，S）落在破坏基准线下方，并 远离破坏基准线，则路基基床稳定。这 种方法的关键在于确定某种路基基床的 破坏基准线，它需要以大量破坏实例的 观测资料为基础。 （3）水平位移系数。水平位移 系数方法是 Shibate 等根据日本的几条 高速公路路堤填筑经验提出的。设计路 堤某级填土荷载量为q，相应的在这级 荷载内路基基床产生了水平位移增量为 h，则称 q/h 为此级荷载的水平位 移系数。将路堤填筑过程中的q/h 值同相应的总填土荷载量 q 联系起来， 点绘出每级填土加载期间内q/h 随 q 的变化曲线。然后发现，在加载初期， 水平位移系数q/ h 较大，当填土荷 载量 q 达到一定值后，q/h 则随 q 的增大而线性减小。如将该段直线延长 交于 q 轴，便可获得该段填土期间的极 限荷载。在一些文献中建议以水平位移 系数不小于 200kN/m3 作为路基基床稳 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 定的控制标准。 （4）路基基床内的孔隙水压力 系数。早就有软基处理工程利用路基基 床内的孔隙水压力变化来控制路堤施工 期路基基床的稳定性，根据这种方法可 以由地基内某处的空隙压力变化情况判 断该处路基基床土体是否已进入塑性屈 服阶段，并进而由路基基床内的塑性区 发展情况控制地基的稳定。因孔隙水压 力测试技术要求比较高，一般工程中比 较难测准，截止目前为止还没有形成共 识。一般以综合孔隙压力系数 B=（ U/P）0.6 来控制加载量；以单级孔 隙压力系数 B0.4 或单级孔隙压力消耗 50%可加下一级荷载为加荷控制标准。 （5）坡脚水平位移与道中沉降 的比值。通过综合分析点南铁路 K7+865为 K8+912 路基段变形观测 资料及离心模型试验成果，得到坡脚水 平位移量与沉降量之比与稳定性的关系。 可以看出：通过原型观测，有效地控 制了沉降速率和水平位移速率，保证了 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 路堤填筑过程中的稳定性；大准铁路 某段最大沉降速率达 68mm/d，水平位 移速率达 17.4mm/d，仍保证了路堤的 稳定性；巴准铁路其中有一段大面积填 坡顶最大沉降率也达到了 25mm/d，仍 处在稳定状态；点南铁路 K10+265为 K12+422 段曾因加荷速 度加快及暴雨，在填土达 4.81m 时，出 现过局部滑坡的现象，失稳前 2d 所测 得的沉降速率及水平位移速率分别为 4mm/d 及 3mm/d，均小于规范所规定的 指标值；包神铁路转龙弯隧道进口段加 固工程，也出现过类似的现象；因此， 仅用规范规定的沉降速率及水平位移速 率来控制路堤稳定性是不充分的，仍不 能保证路堤在施工过程中的稳定性； 由图 2 可见，当 Sx 脚/Sy 中30%时， 路基基床均处于稳定状态，当 Sx 脚/Sy 中30% 时，路基基床处于极限状态或 失稳状态。点南铁路某段滑塌之前的特 征为：填土高度为 5.81m，道中沉降和 道肩沉降分别为 39.1cm 和 39.5cm，道 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 肩水平位移为 32.8cm，坡脚水平位移为 21.1cm，坡脚水平位移与道中沉降之比 为 32.5%。 由此可见：用坡脚水平位移 与道中沉降之比小于等于 25%作为稳定 控制的辅助标准是有意义的。在 K7+865为 K8+912 中的各试验断面 监测中，路堤的稳定性采用最大沉降速 率10mm/d、最大水平位移速率4mm/d 以及最大水平位移与沉降量之比20% 相结合的标准进行控制。在路堤填土施 工速率期间，通过适当调整施工间歇， 全面保证了该软基路堤段路基基床的稳 定性。 (a)处于失稳的铁路路基 （b）处 于稳定的铁路路基 图 2 路基边坡水平位移、道中沉 降之比与边坡稳定的关系 3、铁路软基的监测 3.1 观测频度。在路堤填土期间 每 3d 观测 1 次，填土间歇期每周观测 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 1 次，预压期间每月观测 1 次。 3.2 观测时间。软基处理试验段 的观测历时 10 个月。 3.3 观测内容。在各处理方案的 观测断面上，分别埋设了：（1）测斜 管，进行道肩及路堤坡脚的水平位移测 量；（2）分层沉降环，掌握路基各土 层的沉降规律；（3）沉降板及位移边 桩，用以观测原路基表面的变形； （4）孔隙水压力计，测试地基中的孔 隙水压力，评价软基处理的排水固结效 果。其典型断面的观测曲线如图 35 所 示。点南铁路某一段试验断面填土期 (包括砂垫层)历时 120d，填土厚度为 3.92m，平均填土速率为 2.63cm/d。预 压期 164d。填土高度达 3.0m 时，沉降 显著加快，其中最大沉降速率达到 9mm/d，接近稳定控制标准。采取控制 手段后，降到 3.57mm/d。 路基基床沉降主要发生在软塑状 的淤泥质粉质黏层，压缩量达 284mm，占总总沉降的 30.7%以上。而 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 下部由于插板未达到，压缩量较小，仅 占总沉降的 24.0%。 道肩处水平位移在填土结束时为 74.91mm，预压结束时为 117.35mm， 发生在地面以下 5m 处，明显变形部位 位于地面以下 2.513.0m，为第一层软 土。13.0m 以下基本无明显的水平位移。 填土阶段的水平位移速率为 0.40mm/d，预压期间为 0.27mm/d。而 在填土前期，土体有向内变形的情况， 这与测斜管埋设部位有关，因为紧靠施 工便道，使土体受到反向的荷载作用。 填土期水平位移量和表面沉降的比值为 0.15。 图 3 典型断面分层沉降曲线 图 4 断面分层沉降曲线 图 5 断面孔隙水压力曲线 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 4.铁路软基沉降预测方法 根据实测沉降数据来预测沉降的 发展在能源铁路建设中具有重要的意义， 沉降预测结果将决定预压期的长短和修 筑路面的时间，并最终影响通车后沉降 的大小。在本次软基处理试验沉降观测 数据的预测中，除采用常规的预测方法， 如双曲线法、三点法和指数函数法外， 重点将灰色理论的预测方法引入到沉降 预测当中来，并从一般灰色 GM（1，1）沉降预测模型拓展出考虑 参数时变的时变灰色 GM（1,1）沉降预 测模型，为提出高精度及适合中长期预 测的沉降模型奠定了基础7 。 4.1 沉降灰色 GM（1,1,）预测模 型 设有 N+1 个等时间间隔的沉降观 测数据（s0，s1，sN） ，相应的沉 降增量序列为（s0，s1，sN） ， 根据灰色建模理论，可建立沉降灰色 GM（1,1）模型的一阶微分方程如下： （1） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 式中：a,b 为常系数，方程系数 按下式确定： = BT B-1 BT yN(2) 式中： B=，yN= s1,s2,sNT 灰色 GM（1,1）模型（7.19）式 的通解为： s（t ）=s-( s- s0)e-at (3) 式中：s0 为 t=0 时刻的沉降；s 为最终沉降，s=b/a。当观测数据为非 等时间间隔时，B 矩阵应修正为 B=， ，j=1,N 4.2 沉降预测模型实例 以点南铁路某一段断面中心实测 沉降为例，上述预测模型的精度。图 6（a）为从加载开始至预压期结束的预 测曲线与实测曲线的比较，时变参数灰 色模型中 2 个参数均采用时间的线性函 数。从图中可以看出，时变参数灰色模 型的预测精度要高于灰色模型的预测精 度。