铁路客运专线路基设计施工关键技术.doc

铁路客运专线路基工程2第一章 国内外高速铁路路基发展现状2第一节 路基工程技术特点2第二节 .国外高速铁路路基结构4第三节 .我国客运专线的发展6第四节 .客运专线暂规的主要变化6第二章 铁路客运专线路基基床结构设计8第一节 动力测试试验结果8第二节 基床设计方法12笫三章 客运专线工后沉降控制14第一节 工后沉降控制的意义14第二节 观测仪器比选15第三节 沉降测试方法17第四节 观测数据处理及工后沉降预测22第五节 沉降控制动态设计23第四章 客运专线路基施工工艺25第一节 路基构造25第二节 路基填筑工艺试验25第三节 路基填筑施工工艺流程及技术要点32第五章 客运专线路基加固39第一节 硬化层技术39第二节 复合土工膜隔水技术39一、铺设目的39二、施工工艺391、路基面检测及整平392、铺设底层砂垫层403、铺设二布一膜404、摊铺上层砂垫层41第三节 土工格栅地基补强44第四节 固土网垫边坡防护44第六章 客运专线地基加固46第一节 地基条件46第二节 地基处理46第三节 地基处理方法46第七章 客运专线桥涵过渡段51第一节 概述51第二节 过渡段形式52第三节 级配碎石过渡段填筑工艺53铁路客运专线路基工程第一章 国内外高速铁路路基发展现状第一节 路基工程技术特点图1-2 标准路堑横断面图1-1 标准双线路堤断面高速铁路要达到高速、舒适、安全运送旅客的目标，必须确保轨道结构几何尺寸的高度平顺和稳定，而这依赖于给轨道结构提供一个坚固、耐久、稳定的路基，见图1-1路堤,图1-2路堑。具体要求是：1）基床的强度高、刚度大；2）地基沉降很小或没有沉降。3）路基刚度纵向平顺变化；4)良好的耐久性。以上几点要求，目前的普通铁路路基是不能满足的。而高速铁路必须在路基结构、路基材料及路基施工工艺等方面采取一系列与普通路基不同的技术标准才能实现。因此，高速铁路对路基的高标准要求，给铁路的设计、施工和养护提出了新的挑战。必须将路基作为结构物对待，用全新的观念来设计、施工这种高标准土工结构物。一、强度高、刚度大的基床结构在列车运营时，路基不仅承受轨道结构和附属构筑物的静荷载，还要承受列车荷载的长期反复作用。同时，由于路基直接暴露在自然条件下，需要抵抗气温变化、雨雪作用、地震破坏等不良因素的影响。路基工程必须在这些条件的长期作用下，其强度不会降低，弹性不会改变，变形不会加大。真正做到长寿命，少维修。只有这样，才能高速行车，减少维修费用，并增加运行的安全性。客运专线将路基作为一土工结构物来进行设计与施工，对填筑材料、压实标准、变形控制、检测要求等较现行铁路有很大提高，同时强化了基床结构，特别是基床表层。基床表层是路基直接承受列车动荷载的组成部分，也是路基中的最重要部分。基床表层不但给轨道提供了一个坚实的基础，同时也对其下的土路基提供保护，因此基床表层必须有足够的强度和刚度，同时还要有较好的稳定性和耐久性。作为基床表层的材料，需要有较好的力学性能，充分压实后要能在长期动力作用下保持稳定，并有很好的水稳定性和较小的渗透性。二、严格控制地基的沉降变形高速行车需要高度平顺和稳定的轨下基础，控制变形是客运专线路基设计的关键。在高速行车情况下，路基因重复荷载作用所产生的累积沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影响列车运行速度和舒适度，并增加线路养护工作量。由于受调整能力的限制，无碴轨道对路基沉降尤其是不均匀沉降的要求更为严格。工后沉降或不均匀沉降过大是导致路基铺设无碴轨道失败的主要原因，而地基的不确定性是潜在的风险。三、在轨下基础刚度变化处设置过渡段铁路线路由不同特点的结构物（桥、隧、路基等）和轨道结构构成，这些结构在强度、刚度、变形等方面都有很大的差异，因此在路桥、路涵、路堤与路堑等相连地段，纵向轨下基础刚度的变化必然影响路基轨道车辆系统刚度的均匀性，导致高速铁路系统振动的加剧，也加大了对轨下基础的动力作用，影响高速行车的平稳和安全。路基与桥（涵）连接处一直是铁路路基的一个薄弱环节。一方面路基与桥梁刚度差别较大而引起轨道刚度的突变，另一方面由于路基与桥台的沉降差而导致轨面不平顺。在路堤与桥（涵）间设置一定长度的过渡段，以控制轨道刚度的逐渐变化，并最大限度地减少由于路基与桥涵的沉降不均匀而引起的轨道不平顺，保证列车高速、安全、舒适运行。 四、基床表层设置强化层或排水层。加强基床排水，保证基床的在列车动载作用下的长期稳定性。第二节 .国外高速铁路路基结构国外发展高速铁路的国家都制定了较高的路基技术标准和严格的施工工艺，其特点如下：图1-3 德国高速铁路路基标准横断面一、强化路基基床：包括路堤、路堑及不填不挖地段，特别是对基床表层的填料和强度有严格要求。如日本在新干线上设置了强化基床表层，采用级配矿碴层或增设沥青混凝土表层等，并用直径为30cm的平板荷载试验求出的地基系数k30控制压实效果；法国在制定tgv线路技术条件前曾对全国既有铁路的路基进行了详细、全面的调查，发现轨枕下道床加垫层的厚度对防止路基病害的产生有重要作用。当总厚度超过60cm时，线路良好，基床病害的发生概率很小。德国高速铁路在路基（见图1-3）表面设置保护层（pps层），厚2030cm，保护层下设一层防冻层。两层厚70cm，基床厚度为2.0m。pps层具有抗渗性，渗透系数应小于10-6m/s，除此还具有抗冻性，具有高承载力和良好的夯实性。可以说，各个国家都根据本国的情况进行研究，采用不同的结构形式和强度标准对路基基床进行强化，根据土质、承载能力、防冻要求、线路等级、运输荷载条件（轴重、运量、速度）以及线路上部结构的条件设计路基基床结构。二、严格控制路基填筑标准：包括对路基填料的分类、填筑压实标准和检测方法等，并开发了一系列的检测设备和施工机械。各个国家根据本国的特点对路基填料进行了详细的划分，并对每类填料的力学性能进行试验研究，从而确定它的适用范围。对路基填土质量标准，多数采用物理和力学性能双指标控制。如日本采用k30标准和压实系数k控制填筑质量；德国采用ev2和压实系数k控制压实质量，并研发了可随时监控压实系数的碾压机械。日本、法国分别提出用贯入仪及落球回弹法等快速检验法。三、沉降控制。各国在高速铁路建设过程中，对线路容易发生不平顺的部位特别加以重视，从结构设计到施工组织，从工期安排到质量检测等方面都采取了措施，严格控制轨道的刚度变化和由于沉降、不均匀沉降引起的轨道下沉和轨面弯折，以达到线路的平顺性，保证列车高速运行的安全和稳定。为了控制路基不发生过大的下沉，对路堤填土的地基条件提出了新的要求。为了调整接近桥台时路堤的刚度，对桥头路堤规定了更高的标准。国外路基施工以时间换沉降。四、加强路基的防排水措施，加强边坡和灾害的防护。要求防护工程与主体工程同时完成，增加路基的坚固和稳定性，避免运营期间发生病害。日本在基床表层设置5cm的沥青混凝土层，就是防止雨水渗入路基土层，从而引起路基病害。德国和法国分别在基床表层中设置了隔水层，也是防止雨水下渗，保护路基。重要启示：在基床表面设置防水设施是十分必要的。国外高速铁路发展已经做过了漫长的道路，走过了很多弯路，积累了一些成熟的经验值得借鉴。强化基床表层防水是各国高速铁路的共同特点，只是采用的方式不一样。有的是路基面硬化层，兼有防水效果，如日本；有的是直接设置隔水层，如德国和法国。我国的客运专线如果不采用路基面排水措施，运营期间可能会出现路基病害，如冻胀，基床表层软化等等。其主要原因是，运营期间，实践证明级配碎石表层不能完全隔水。因此，设置排水措施非常必要，例如设置沥青混凝土硬化层、放置复合土工膜隔水层或采用整体道床。第三节 .我国客运专线的发展我国在九十年代的“八五”、“九五”时期，就对高速铁路展开了大规模研究。最初的客运专线铁路路基的技术标准，是在上述研究成果的基础上，吸收了国外高速铁路路基施工和建设的经验；在设计过程中借鉴、消化、吸收了国外铁路设计新方法和新标准；结合秦沈线的实际情况，并经有关部门多次组织国内专家的论证而最终确定的。秦沈客运专线路基工程进行了大量的现场试验测试，取得了许多宝贵的第一手资料，也取得了一些经验和教训。通过秦沈客运专线的工程实践，铁路技术人员对路基工程有了新的认识，路基工程的设计和施工达到了新的水平和标准。在此基础上，形成了现行的客运专线路基工程技术标准。第四节 .客运专线暂规的主要变化一、填料路基基床表层采用级配碎石，增加了其强度和刚度；增设了沥青混凝土强化层，以加强防水和防冻。基床表层应考虑防排水层。路基基床由表层和底层组成,表层厚度应为0.7m；底层厚度应为2.3m，总厚度为3.0m。其中，基床表层由510cm厚的沥青混凝土和6560cm厚的级配碎石或级配砂砾石组成。规定高速铁路路基应优先选用a、b组填料和c组块石、碎石、砾石类填料，当选用c组细粒土填料时，应根据土源性质进行改良；二、过渡段路桥、路涵过渡段采用纵向正梯形断面形式，取消加筋土过渡段的结构形式，补充了所有路涵均需设置过渡段的规定，并按节单独编制；三、工后沉降利用工后沉降对路基变形提出严格控制。对路基工后沉降控制标准及其地基条件结合国际咨询意见进行了修改； 现标准原标准秦沈线一般地段(cm)51015过渡段(cm)3510沉降速率(cm/年)235四、监测手段对路基基床表层和过渡段填料补充了evd检测标准；级配碎石基床表层：填料厚度（m）压实标准备注地基系数k30（mpa/m）动态变形模量evd（mpa）孔隙率n级配碎石0.71905518%路堤级配碎石0.551905518% 当为软质岩、强风化的硬质岩及土质路堑时中粗砂0.1513045 级配砂砾石evd50（mpa）；过渡段evd50（mpa）第二章 铁路客运专线路基基床结构设计基床是路基承受列车动荷载和自然力最大的部位，因此基床设计主要考虑列车荷载隔水防渗条件。第一节 动力测试试验结果在“八五”、“九五”期间，我国铁路的科研、设计、施工等部门在参考国外高速铁路设计、施工资料的基础上，结合我国过去已取得的研究成果和经验，对高速铁路路基荷载条件、基床表层的受力特点、基床表层材料的动力特性和基床底层厚度、材质、防渗特性和质量控制标准等多方面进行了较为系统和深入的研究，并提出了相应的建议。其中不少建议已被京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定和时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定所采纳。但是，对于所提出的标准是否切合实际、建成后路基能否保证其上部轨道结构的稳定与平顺，保证行车安全与乘车舒适度，基床表层是否具备长期的动力稳定性和水稳定性，以及厚度和结构是否合理等一系列问题迫切需要通过实践检验。秦沈客运专线综合试验为此提供了极好的条件。 通过多次行车动载试验测试，针对不同厚度的基床表层，研究不同机车车辆和行车速度条件下作用在路基面上的动应力和路基产生的动力响应，检验路基的状态，为路基的设计、评价及理论分析提供验证资料，为进一步完善路基设计积累数据。动测试验成果表明：实测的路基最大动应力低于暂规中提出的设计参考值。表1是两次行车试验实测的路基面动应力汇总。经过对所有测试结果的统计，路基面动应力最大值为84kpa，小于暂规提出的基床表层设计值93kpa。实测结果也说明，动应力实测值的离散性是很大的，部分传感器测得的路基面动应力只有几个kpa。而且由于本次动应力传感器大部分埋设是在铺轨前进行，在埋设的平面位置、离轨枕底面距离方面，都会与预定的理想位置存在着一定的偏差。所以实测值偏小是必然的。考虑到上述因素，可以认为暂规中提出的设计值还是比较合理的。图4表明动应力与轴重关系最为密切，正比关系。路基面动变形测试结果见表2。国缺少实测数据。暂规要求动变形小于3.5mm。本次实测表明，路基面的动变形均在lmm以内，远小于3.5mm。因此，表1 路基动应力(kpa)序号工况土压力盒埋设位置dk274+800断面dk274+920断面dk275+000断面车头车尾车头车尾车头车尾92002年12月05日9时35分，中华之星+4节车厢，下行线下行,车速为212km/h1路基面上里碴脚33.97/65.23/59.88/2路基面上线路中线7.42/42.96/16.47/3路基面上外碴脚15.16/83.95/58.88/4基床表层底面里碴脚16.37/5基床表层底面内轨下17.46/6基床表层底面外轨下13.78/7基床表层底面外碴脚5.45/102002年12月05日10时34分，奥星+4节车厢+中华之星，下行线上行,车速约为200km/h1路基面上里碴脚42.0734.5389.7679.5965.5952.512路基面上线路中线11.549.5553.9547.1017.8715.133路基面上外碴脚25.8919.48116.63106.5463.5558.884基床表层底面里碴脚21.0517.44/5基床表层底面内轨下22.4918.65/6基床表层底面外轨下20.9617.16/7基床表层底面外碴脚9.047.30/表2 路基动变形序号工况车速km/h传感器埋设位置dk274+800dk274+920dk275+000位移计891拾振器（位移档）位移计891拾振器（位移档）891拾振器（位移档）外轨下0.2360.1440.2290.2370.2359中华之星+4节车厢, 绥中北沈阳212内轨下/0.034/线路中/0.251/外轨下0.1680.140.245无信号0.17110奥星+4节车厢+中华之星，沈阳绥中北200内轨下/线路中/0.242/外轨下0.1350.1200.190无信号0.21111中华之星+4节车厢, 绥中北沈阳237内轨下/0.027/线路中/0.260/外轨下0.1960.1650.2900.2300.18113奥星+4节车厢+中华之星，沈阳绥中北200内轨下/0.04/线路中/0.226/外轨下0.1620.1290.190无信号0.219有必要对原有的路基面动变形计算方法进行探讨。轴重和车速的影响。实测基床表层动应力随列车轴重的变化见图4；基床动变形随车速的变化见图5。增加而稍有增加。基床的动应力、动变形及加速度均有随车速增大的趋势，其变化规律还与机车车辆类型和轨道结构的状况有关。路堤试验段实测基床动应力与轴重和行车速度之间存在以下关系： =2.4p(1+8.310-5v)。 =2.6p 准静态(车速5kmh)时。 （1-1）测试结果说明，轴重对动应力的影响较大且较为稳定，而车速的影响则相对较小，且离散性较大。图4 轴重与动应力的关系路基体中动应力随深度的衰减变化规律。根据本次和以往的实测资料和计算分析，得到如图6所示的动应力随深度的衰减变化规律。与其它试验工点的测试结果也相当接近，可供设计使用。第二节 基床设计方法一、 基床表层材料 作为基床表层的材料，需要有较好的力学性能，充分压实后在长期动力作用下保持稳定，并有很好的水稳定性和较小的渗透性。国外各主要高速铁路普遍采用级配砂砾石和级配碎石，它是用粒径大小不同的粗细砾石（碎石）材料和砂各占一定的比例的混合料，其颗粒组成符合密实级配要求，其中包括一部分细颗粒土，填充空隙并起粘接作用，经压实后形成密实结构，其强度是靠粒料间的摩擦力和细颗粒的粘结力形成的。国内外实践表明，只要保证组成材料的质量，使混合材料具有良好的级配，并控制好细颗粒土的含水量和塑性指数，在施工中将混合料搅拌均匀，在最佳含水量下压实，达到要求的密实度，就能形成较高的力学强度和水稳性。因此，客运专线基床表层材料根据沿线具体情况采用级配碎石或级配砂砾，其颗粒粒径、级配、材质及密实度等方面均有严格要求，特别是为了防止翻浆冒泥，保证轨下基础动力稳定性，不同材料之间的粒径级配还需满足太沙基（terzaghi的反滤准则。二、基床表层厚度的确定基床表层厚度由以下两个原则确定：变形控制：在列车荷载作用下路基顶面变形量不大于规范限值。变形控制的目的是使列车运行平顺，要求基床表层产生的应变不会导致塑性变形过大，保证列车平稳运行。根据boussinesq理论，长方形均布荷载作用在双层弹性地基上，均布荷载中心点的沉降可用下式计算：式中，p0为荷载强度；m=a/b；n1=h/b；q=e1/e2。根据上述公式就可以算出在不同基床土弹性模量和基床表层材料弹性模量的基础上，满足路基变形条件的基床表层厚度。确定了基床表层材料和基床底层材料的弹性模量以后，就可以根据图2-1确定需要的基床表层厚度。强度控制：作用在基床表层下填土的动应力不大于填土允许动应力。图22中的三条线是根据动三轴试验结果，考虑侧压力与法铁建议的维修系数（k30.8）折减后得到的允许强度线，图中曲线为动应力衰减线。由图22，当压实系数k1.0时，基床表层厚约0.6m左右，当压实系数k0.95时，则需基床表层厚0.8m左右。 综合上述两方面的要求，本次线基床表层厚度采用0.6m。三、基床厚度确定列车荷载由轨道、道床传至路基基床表层，作用于路基的动应力沿深度逐渐衰减。将路基上部受动应力影响较大的部位定为路基基床。基床压实土的动三轴试验表明，当动静应力比在0.2以下时，加载10万次产生的塑性累积变形在0.2以下，而且很快能达到稳定。基床厚度一般按列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比小于、等于1/5的原则确定。因为当动应力水平1/5时，列车荷载的影响很小。考虑到线路基的填料与填筑压实标准均较高，故将基床厚度定为动静应力比为1/5。当深度在2.42.5m时，动静应力比0.2，因此基床厚度定为2.5m。图2-1满足变形条件的基床表层厚度与基床表层材料、土基模量的关系图2-2 基床表层厚度的确定笫三章 客运专线工后沉降控制 第一节 工后沉降控制的意义路基沉降变形主要包括三个方面：列车行驶中路基面产生的弹性变形；长期行车引起的基床累积下沉；路基本体填土及地基的压缩下沉。客运专线基床表层采用级配碎石，压实标准较高，表层弹性模量可达200 mpa以上，路基面弹性变形在1.0mm之内；路堤填土压密下沉量为路堤高度的0.20.4，而且在一年左右完成。由此可见，只要满足基床及路基本体填筑材质、压实标准，列车行驶中弹性变形、运营阶段的塑性变形及路基填土压缩量都是有限的，而且也可得到控制。因此，控制路基沉降变形特别是工后沉降的关键，在于控制支承路基的地基沉降。松软、软土地基由于地基土层强度低、压缩性大、渗透系数小等特性，在其上修筑路基时，地基的沉降问题突出，过大的沉降量影响轨道的稳定和平顺，而且持续时间较长，因此，在这种地基上修建路基，应将其工后沉降量和沉降速率控制在允许范围内，使其不影响列车高速、舒适、安全地运行。路基上铺设无碴轨道的核心问题是沉降控制。无碴轨道对沉降变形特别敏感，特别是不均匀沉降。无碴轨道铺设后对路基沉降变形的调整范围是极其有限的，一般局部的沉降应在扣件的可调整范围，大范围的均匀沉降应该满足线路竖曲线圆顺的要求。对于调高量为30mm的扣件，如果允许在施工中调高6mm和4mm，那么只剩20mm可以调整，再考虑轨道结构变形要留有5mm的余量，实际留给运营部门的可用于路基沉降调整的仅为15mm。这是局部调整的极限。对于20m范围内的情况，德国的经验和规范的规定可以到20mm。对于更大范围的均匀沉降德国的经验是，最大沉降为扣件的运营可调整范围的3倍时是可以圆顺的，规范要求为扣件可调整范围的2倍，也就是30mm。过渡段沉降的逐渐过渡和折角的要求也在于控制不均匀沉降。由于对沉降控制的要求较高，而影响沉降计算的影响因素较多，沉降控制已完全超出了处理方法的计算精度，因此，规定的工后沉降已不再是最初设计的预留值，是一个允许出现的误差值。由于无碴轨道对不均匀沉降的严格要求，如预留沉降，路基与桥梁及隧道是很难协调的，只有在共同追求不产生工后沉降的基础上才能较好地实现各种过渡，也就是零沉降的概念。工后沉降实际上是零沉降控制基础上的允许偏差。这一点对于软土地基处理的思想和方法都有较大的影响。由于沉降计算是不够精确的，不足以控制无碴轨道的工后沉降。为保证精度和有效的控制，应进行系统的观测与分析评估。系统的观测在于有一定的数量和设定在恰当的断面，并以合理的观测周期进行观测。观测断面的数量平均50m一处，且在过渡段是沿线路纵向连续观测的，系统的分析评估依据沉降观测曲线进行。表3-1列出各规范中的工后沉降限值。表3-1 各种规范中工后沉降控制限值序号规范或标准一般路基工后沉降过渡段工后沉降年沉降速率0高速公路301561秦沈客运专线暂规15842时速200公里客货共线15843时速200-250公里客运专线10534京沪高速铁路暂规5325时速300-350公里客运专线3纵向平顺度每20m小于20mm第二节 观测仪器比选一、观测桩 用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪抄平，即可测量地表面的沉降量。此方法最简便，但只能测定建筑物表面的沉降值，无法测试土体内部某位置的沉降，对填土施工有干扰。二、沉降杯将盛水密闭容器置于土中，容器上接出进水管、排水管和排气管至填土以外。进水管外部与观测量杯相连。容器灌水以后，容器内部的水位与外部观测水杯的水位一致，则可通过观测量杯中的水位得到容器的沉降。其优点是构造简单，造价低廉，缺点是三根管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易形成气泡阻塞水管，使测试无法进行。此方法比较少用。三、沉降板由底板和测杆、护套组成。底板为边长约50cm厚度3cm的钢筋混凝土板。测杆为直径40mm左右的钢管，第一段垂直固定于钢筋混凝土板的中央，随着填土高度的增加，分段以丝扣接长测杆。测杆外套接塑料管保护，以免测杆受外来扰动变形。沉降板是目前沉降观测的最常用的手段。其优点是造价低廉，操作简便，易于测试。但其弱点也很明显，主要是影响填土压实施工，压实机械经过时必须绕道而行，极为不便，机械经常撞坏沉降杆，且形成压实死角，降低压实质量。其次是一个沉降板只能测量路堤中一点的沉降。一个断面上多放几个沉降板影响压实施工的矛盾更突出。另外一个缺点是损坏后的补救非常困难。四、水压式剖面沉降仪 由沉降管和二次测试仪器组成。沉降管为一般的pvc管，二次测试仪器由探头、注水管、注水架组成。其工作原理见图3-1.图3-1 剖面沉降仪工作示意图沉降管记录仪注水系统探头内的主要元件是静水压力传感器。由于地基沉降的原因，探头处于不同位置时，静水压力传感器所受到的静水压力是不同的，记录不同的静水压力，据此可得到不同位置的高程，从而得到沉降值。剖面沉降仪测试的优点，1）能够测定任意一点的沉降值，甚至可以测试整个剖面的连续的沉降曲线，配置自动记录仪即可实现。2）测试成本低。除了一次性投入二次仪器约2万元外，每次使用只需购买廉价每米5元左右的pvc管即可。3）对填土施工无干扰。但其缺点也比较突出。首先精度比较低。若要提高精度，需根据待测沉降的大小范围，配置若干不同灵敏度的探头，增加了二次仪器的造价。第二个缺点是测试操作比较复杂。整个系统不能方便携带，测试时需取水和注水。第三个缺点是受气候干扰大，风使测试数据不稳定；温差大改变了水的密度，影响精度。五、水平测斜仪 与水压式剖面沉降仪相似，水平测斜仪也由沉降管和二次测试仪器组成。不同的是水平测斜仪无需注水系统，其沉降管是特制的pvc管。工作原理见图3-2图3-2 水平测斜仪的工作示意图沉降管记录仪探头电缆探头内的主要元件是伺服加速度传感器。由于地基沉降，探头处于倾斜方向，通过重力加速度在敏感水平轴上的投影，可精确测量探头的倾角，再根据探头长度得到探头两端的高程差，从而得到沉降值。其优点：1）精度高。每次读数的误差小于0.1mm，36米长剖面测试的累计误差小于2mm。2）操作方便。整个测试系统可由一个人携带，移动非常方便。测试操作仅需两个人即可，一个人记录，一个人拉线。3）可得到整个剖面的沉降曲线，测点间距最小为0.5m。4）对填土施工无干扰。5）不受气候影响。二次仪器一次性投资约二万元。水平测斜仪的不足主要是特制的pvc管造价比较高，每米25元左右，约为普通pvc管的四倍。第三节 沉降测试方法一、水平测斜仪工作原理水平测斜仪具有常规测试技术无法比拟的独特优点。解决了全断面量测、不影响施工等问题，而且还具备耐严寒、抗干扰特性、便于操作等优点，因而很受工程界欢迎。水平测斜仪测试原理见图3-2。水平测斜仪以高精度的伺服加速度计为敏感元件，可广泛用于观测路基、土石坝、岩土边坡、建筑物基坑、堤防、地下建筑、港务工程等土体内部的垂直位移，是土木工程中必备的精密测量仪器。测试原理：在待测土体中水平向预埋带槽测斜导管，此导管可随土体一起变形；测斜探头具有一定长度，一般为0.5m，两端装有导轮，探头中心安装了精密加速度计，当水平测斜仪的导轮沿测斜导管的导槽移动到某个位置时，探头中的加速度计的重力矢量在水平轴上的分量被测定，从而确定了探头与水平轴的倾角。倾角与探头的长度之积即为探头两端的高程差。ii-1图3-3 水平测斜仪原理图=i如图3-3所示：当加速度计敏感轴在水平方向时，矢量g在敏感轴上的投影为零，加速度计的输出为零。当加速度计敏感轴与水平方向存在一夹角时，加速度计的输出电压信号为：式中：k0为加速度计初始偏值，仪器出厂时给定。（1）k1 为加速度计电压因数g 为重力加速度为了消除k0的影响，可将探头调转180度，在该点进行第二次 测量得：（2）（1）（2）得：（3） 由图1可知：sini/l式中：i 为探头在某个位置时，两端的高程差值。l 为探头长度（m），即两个导轮的间距则： 用导线拖拉探头前进，每隔0.5米（探头长度）记录一个高程差i，则任意位置相对于测试起始点位置的高程差即为此距离内所有读数的代数和：二、水平测斜仪误差处理由上述公式（1）（3）可知：伺服加速度传感器的初始位置与基准位置的偏离误差为k0。正反向拉测两次，然后相减，即可消除k0。实际上，这种方法可以消除绝大部分各种原因产生的误差，使测试达到mm级精度。基准桩测量精度。沉降观测按等水准要求，在动态设计中，采用的仪器为自动安平电子水准仪（瑞士，na3003）并配备专用的因瓦水准尺。观测中误差为1mm/krn，在实际测量过程中，根据现场情况，采用闭合水准路线或附和水准路线，允许闭合差控制标准为：三、 埋设工艺图3-4 路堤压缩量及地基沉降量测试布置图基床表层基床底层沉降变形管沉降变形管二布一膜观测桩沉降管布置位置见图4-7。图3-5 测斜管的埋设 图3-6 保护管(1)当被测标高以上填筑一层并压实以后，在被测断面处开挖宽20cm，深30cm的沟槽，槽底刚好是被测标高。将特制pvc管埋设在沟槽内的被测位置。导槽方向对准铅垂方向，整个断面上的沉降管连接后，尽量保持平直，以便使探头容易牵引，见图3-5。(2)沉降管端头用带盖的钢管保护筒保护，沉降管应尽量位于保护筒的中心，保护筒平日用螺栓将盖封死，用土覆盖，测量时将盖打开即可，这样可避免人为破坏,见图3-6。四、测试方法将特制pvc管埋设在被测位置，导槽方向对准铅垂方向。(1)将电缆一端接记录仪，一端接探头。(2)用普通6号铁丝将探头及电缆拉至沉降管的起始端，然后拉铁丝，每0.5米刻度线处读数一次，直至沉降管的终止端。然后将测斜仪水平掉转180度，从另一端在前次同样的测点位置上进行第二次测试，读数。注意每次测试读数都要把电缆拉紧，位置要拉准确，以防读数不稳。通常采用正反测试的目的是提高精度，可以抵消探头的初始值和沟槽倾斜偏差等因素所造成的系统误差。(3)用水准仪和现场的水准基点抄平，得到沉降管起始端的标高，从而根据沉降差可得到各读数点的标高。第一次测试推算出各点的标高，即为未来测试的基准标高，即初始标高。现场操作表明：采用双向拉测法使水平测斜仪具有不影响施工，不受天气的影响，操作方便、轻捷、灵活，精度高等优点，为及时、准确的测试路基沉降，提供了保障。现有数据处理方法及程序满足现场数据的录入及后期的数据整理工作的要求，数据处理简捷方便。测试实例见图3-7。第四节 观测数据处理及工后沉降预测各断面路基中心地基面处的沉降与施工过程的关系见图3-8。将填土加荷过程对应画在沉降曲线的上方，便于对照分析。工后沉降预测采用双曲线法。沉降与时间的关系可表示为：变换为直线形式：根据式（5）变换测试数据，得到一组直线。则1/b即为最终沉降量。见图3-9。根据最终沉降量和图3-8中的竣工沉降量，就可求出预测工后沉降值。dk274+800dk275+920dk275+000双曲线参数a580.38977.164014.5双曲线参数b7.07397.366516.711测试竣工后沉降0.11590.10660.0344预测最终沉降(m)0.14140.13570.0598预测工后沉降(m)0.02550.02910.0254第五节 沉降控制动态设计目前设计过程中沉降计算主要采用的是分层总和法，它是建立在地基为半无限均质弹性体假设基础之上的，但由于土体的非线性本构关系及成层性与假设不相符，且地基的变形不只与土性有关，尚与施工的加载速率、土体所受的应力水平及取样、试验过程诸多影响因素有关，理论计算总沉降量及考虑加载速率对总沉降量的修正并不能完全反映这些因素。基于以上原因，理论计算的总沉降量及分时沉降量只能是一个估算值，大量的工程实例表明理论计算值与地基实际所发生的沉降值有时有较大的差别。例如广深铁路个别工点，软土地基沉降作为课题立项研究。但是，运营多年后，实际沉降量达到当初计算值的近两倍；沪宁高速公路，为控制沉降科研部门做了大量的研究计算工作，运营多年后，沉降量还是远远超过了计算估计值。要使沉降严格控制在设计要求之内，必须开展动态设计。所谓动态设计就是首先利用现有方法计算路基固结沉降和总沉降，然后对所埋设的沉降观测设备按规定频率及精度进行观测，从而得到地基沉降-时间-荷载的变化曲线，通过对此曲线的分析推算，预测工后沉降。根据预测值，决定是否调整、修改设计，并以调整后的设计去指导施工，再利用施工过程中反馈回来的信息再次重新调整、修改设计并指导施工，如此循环往复直至竣工，以达到有效控制工后沉降及沉降速率的目的。 见图3-10。图3-10第四章 客运专线路基施工工艺第一节 路基构造路基基床由表层和底层组成。表层厚度应为0.7m，底层厚度应为2.3m，总厚度为3.0m。基床表层应采用级配碎石或级配砂砾石等材料，压实标准应符合：地基系数k30190（mpa/m），动态变形模量evd55（mpa），孔隙率n18%；基床底层应采用a、b类土或改良土，压实标准应符合：地基系数k30110150（mpa/m），动态变形模量evd40（mpa）；孔隙率n28%，压实系数k0.95；路基本体应采用a、b或c类土，压实标准应符合：地基系数k3090130（mpa/m），孔隙率n31%，压实系数k0.90。见图4-1。图4-1 客运专线路堤填筑要求第二节 路基填筑工艺试验秦沈客运专线在全线路基大面积填筑施工前，选取了有代表性的路基试验段先期开工，进行现场填筑工艺和土工试验以及改良土填筑试验。确定一套从基底处理、路基本体填筑到基床表层施工的施工工艺和检测方法。 一、一般填料的路基填筑（）填料的选择粗粒土中小于0.1mm的细颗粒含量较多（一般大于10）时，这些含细粒土的粗粒土具有与细粒土相类似的可击实性，对这些粗粒土除了测定土粒密度指标和颗粒级配以外，还进行击实试验，测取其最大干密度和最佳含水量。 （二）施工机械及检测设备的选择客运专线与一般的线路相比，压实标准更高更严，击实标准均采用重型击实，填土压实系数要求达到0 . 90 0 . 95 ，孔隙率 n 小于 20 一 25 % ，必须在施工中应用大型施工机械，并进行优化组合。工艺试验中选用 wb1803d 自行式和 yzt18b 拖式振动压路机为主的压实机械和以 t140 推土机和 py - 160c 平地机为主的摊铺机械。检测设备采用 k30荷载仪、核子密度湿度和容积仪（灌砂、灌水法）。（三）试验的实施及结果分析依据技术标准、压实机械性能、填料类别，分别选取 100 m 300m路基 ，经基底处理合格的平缓地带，作为工艺试验段。 细粒土细粒土工艺试验填料，制作成依次相连接的含水量和厚度不同的试验块，使用 wb18o3d 振动压路机，每振动碾压两遍用灌砂法进行一次密度检测，当压实系数达到0.90时，再检测地基系数k30 。（1）虚铺层厚。根据层厚碾压试验的检测统计数据绘制不同虚铺厚度的压实系数（k）随振动碾压遍数（ n ）变化的关系曲线，如图4-2 所示。从图4-2可以看出，静碾压2遍后再振动碾压4遍，三种厚度均可以达到k0.90，其中厚度30 cm需再振碾2遍，从单方成本和施工进度综合考虑，宜采用40cm为虚铺层厚。 （2）压实功与含水量。不同含水量条件下压实系数（k）与振动碾压遍数（n）试验的关系曲线见图4-3。可以看出，从振动碾压第2遍到第8遍，土体的密实度随碾压遍数增加而增加，而8遍以后，土体密实度基本不增加或增加缓慢。所以，以压路机振碾第8遍时的压实功作为试验的最大有效压实功，以此压实功对应的压实曲线作为标准压实曲线，见图4-4。由图4-4和k30试验结果可以得出，将该粉粘土碾压到k0.90、k3090 mpam的压实施工控制含水量上限为14.8、下限为5.80。（3）碾压遍数：由图4-2和k30试验结果可以得出，当填土含水量接近最佳含水量时，只需34遍振动碾压，就可达到k0.90、k3090 mpam的设计要求。当含水量接近施工控制含水量上、下限时，需要6遍以上，所以，合理的振动碾压遍数为46遍。图4-2图4-3图4-4砂类土选取粗粒土样作为工艺试验填料，采用与细粒土相同的方法铺设试验块。使用 yzt18d 拖式振动压路机，碾压方式与细粒土工艺相同，每振动碾压两遍，用灌水法进行一次密度检测，当压实系数达到 0 . 90 、 0 . 95 或孔隙率 n 25 、 n 20 % ，再检测地基系数 k30 。试验结果表明，该砂类土具有与细粒土相类似的压实特性。 ( 1 ）虚铺层厚根据层厚碾压试验的检测统计数据，采用与细粒土类同的分析方法可以得出，静碾 2 遍后再振动碾压 4 遍， 30cm 、 40cm 和 50cm 三种厚度均可达到 k0.90 、k30110 mpa / m ，继续增加振动碾压直到 14 遍，只有 30cm 、 40 cm 两种厚度分别在振动碾压 6 遍和 8 遍后达到 k 0 .95 、 k30120 mpa / m 。经核算比较，选单方成本较低的 40cm 。 ( 2 ）施工控制含水量范围用于基床以下路堤的填筑，要达到 k 0.90 、 k30 110 mpa / m ，施工控制含水量范围为 5 .0 一 15.6 。用于基床底层的填筑，要达到 k 0.95 、 k30110150 mpa / m ，施工控制含水量范围为6. 9 一 13.5 。 ( 3 ）碾压遍数试验结果表明：对于试验所选用的或性质类似的粗粒土，当填料用于基床以下路堤填筑，要达到 k0 .90 、k30110 mpa / m 时，需要碾压 3 5 遍。当含水量偏离最佳含水量较多或接近施工控制含水量上、下限时，一般要碾压 6 8 遍。用作基床底层填料要达到 k0.95 、 k30 120 mpa / m 时，需碾压 6 8 遍，当含水量接近于施工控制含水量上、下限时，一般要碾压 8 10 遍。 砾石类土砾石类土填料多数为角砾土，其中含有较多的大于 60 mm的颗粒，而小于0.1mm的颗粒较少，难以用击实试验的方法测定最大干密度和最佳含水量。通过测定角砾土的视比重和毛体积相对密度，以及现场检测填筑压实后的干密度，计算求得角砾土的孔隙率n，可以反映其填料的压实程度。由现场碾压试验检测统计数据分析得知，使用yztl8b振动压路机作为压实机具时，砾石类土如要达到不同填筑部位所要求的颗粒间孔隙率n和地基系数k30，必需的振动碾压遍数为：填料用于基床以下路堤填筑时，合理的摊铺厚度为45 cm，要达到n25%、k30110 mpam，需振动碾压57遍。用作基床底层填料时，合理的摊铺厚度为40 cm，要达到n20%、k30120 mpa/m，需振动碾压68遍。（四）通过以上各种填料工艺试验及现场检测对比试验结果的分析，可得出如下结论：1对小于0.1mm的细颗粒含量较多、含水量大于10的一般粗粒土，以压实系数k和地基系数k30两个指标来控制填料的压实质量较为合理。2.对于砾石土和碎石类土，由于难以进行击实试验，可通过测定其毛体积密度，用颗粒间孔隙n结合地基系数k30以及动态模量evd来控制路基压实。 二、改良土填筑试验（）粉粘土改良 粒径均匀，级配不良的粉粘土可以采用级配改良试验，试验方案分为以下二种： ( 1 掺15粉煤灰、5 消石灰； ( 2 掺 20 25 中、粗砂（大于 0 . 1 mm颗粒小于 50 仍为细粒土）。经试验，两种方案均可达到设计规定的要求，经反复比较，第（ 2 方案无污染，简单易行，且造价低，所以选择第（ 2 方案。 （二）细砂土改良试验改良试验方案分以下6种：（1）83细砂掺15粉煤灰，2水泥；（2）80细砂掺15粉煤灰，5白灰；（3）砂掺圆砾（各种比例）；4）80细砂掺20粉粘土； （5）细砂掺砾砂（各种比例）；（6）细砂掺水泥（3、4、8）。经反复试验，其中（1）、（2）、（3）三种方案地基系数k30可达到设计规定的要求，但仅有第（3）种方案掺50圆砾，颗粒间孔隙率n和地基系数k30均可满足要求，再经反复优化后采用并实施该方案。三、 基床表层级配碎石填筑试验（）原材料的选用路基基床表层级配碎石的料源可选块石和天然卵石、砂砾石。经破碎、筛选并按比例混合组成的级配碎石混合料的粒径、级配及品质指标符合规定的要求。（二）配合比设计和相关系数的确定原材料分级用块石或天然卵石、砂砾石破碎的混合料须经筛选分级，再将几种粒径大小不同的分级集料，按一定的比例混合组成粒径级配符合要求的级配碎石。破碎块石或天然卵石、砂砾石混合料通过筛选一般分为四种或三种集料。配合比的确定取其品质指标符合要求的四种或三种集料，根据各自的筛分结果，采用电算法或图解法进行理论计算。计算出的合成级配按以下原则作必要的配合比调整：( 1 ）接近标准曲线范围中限（尤其应使 0. 075 mm、 0 .1 mm和 16 mm筛孔的通过量接近中限） ； ( 2 ）曲线比较圆滑。另选两种偏离“中限”但粒径级配符合技术要求的配合比做比较试验。最佳的配合比须通过填筑工艺试验来确定。 室内击实试验，按经计算及调整后的理论配合比和比较试验用配合比方案取样，分别进行室内击实试验。通过击实试验确定的级配碎石的最佳含水量般为 5 7 % （料源为卵石和砂砾石的级配碎石为 6 8 % ）。（三）施工机械及检测设备的选择填筑工艺试验设备选用正式施工时拟用的机械设备。摊铺设备选用德玛克 140 型摊铺机、 py 一160c 型平地机配合 t140 型推土机，摊铺机一般用于基床表层的上层施工，平地机和推土机一般用于基床表层的下层施工。碾压设备选用 wb1803d 和 yz12 型自行式振动压路机。检测设备采用 k30荷载仪、核子密度湿度仪和容积仪（灌水法）。（四）填筑工艺试验的实施及分析结果根据计算分析所选的配合比，按室内击实试验确定的最佳含水量，进行级配碎石填筑工艺试验。试验段的长度一般为 100200m 。级配碎石填筑厚度一般分为 35 cm 和 25 cm 两种， 35 cm 厚度用于基床表层的下层填筑工艺试验， 25 cm厚度用于基床表层的上层填筑工艺试验。通过对试验区段