（岩土工程专业论文）武广客运专线路基沉降规律试验研究.pdf

摘要 由于客运专线运行速度快、技术标准高、对路基的要求严格，因 此，控制路基变形已成为客运专线路基的最大特点。武广铁路客运专 线，是国内第一条全线铺设无砟轨道、设计时速达到3 5 0 k m 的铁路， 研究其路基沉降的产生机理和发展规律，有助于准确计算路基沉降 值，对于合理安排路基施工进度有一定的指导作用，同时，对于保证 客运专线的运行安全，降低运营维护成本，提高客运专线的经济效益 也具有重要意义。 本文在前人研究工作的基础上，以武广客运专线综合试验段为工 程背景，采用室内试验、现场监测、理论分析和数值计算相结合的方 法，对客运专线无砟轨道路基沉降特性进行深入研究，主要工作和成 果如下： ( 1 ) 基于对路基土体的变形性质、沉降机理以及影响因素的总结， 扼要分析了现有沉降计算方法的理论依据、求解步骤及适用范围。 ( 2 ) 全面分析了综合试验段路基型式、地质条件、地基处理方案 等实际情况，确定了现场变形监测项目，合理选择监测断面、监测仪 器和量测元件，制定了切实可行的路基工程变形监测方案。 ( 3 ) 基于对单点沉降计工作原理的分析，提出了具体的元件埋设 及保护措施。对1 8 个埋设于地基中的单点沉降计进行了自路基填筑 至“联调联试 的沉降监测，获得了路基工程施工各阶段为期5 7 5 天 的现场实测沉降资料。 ( 4 ) 结合各监测断面的路基施工组织情况，对实测变形数据进行 综合分析，获得了路堤、路堑、路桥过渡段在施工各阶段的地基变形 情况，探讨了客运专线无砟轨道路基的沉降特性和发展规律。 ( 5 ) 对现场原状土样进行了室内土工试验，获得其物理力学指标， 为有限元数值分析提供了依据。着重对地基土体强度随固结度的变化 情况及长期荷载作用下的蠕变特性进行了分析研究。 ( 6 ) 选择m o h r - c o u l o m b 本构模型模拟路基各结构层、地基土体 及c f g 桩，设置无厚度g o o d m a n 界面单元模拟c f g 桩及土工格栅 和土体之间的接触作用，建立典型断面有限元数值分析模型，并将数 值分析结果与实测沉降进行对比分析，验证了计算模型与计算参数的 合理性。 关键词：客运专线，无砟轨道，路基沉降，现场监测，土工试 验，有限元分析 l l a bs t r a c t d u et ot h er a p i d a l i t ya n dh i 曲t e c h n o l o g ys t a n d a r do fh i 曲s p e e d r a i l w a ya n dt h es t r i c tr e q u i r e m e n to fi t ss u b g r a d es e t t l e m e n t ，c o n t r o l l i n g t h ed e f o r m a t i o no fp a s s e n g e rr a i l w a yl i n es u b g r a d eh a sb e e nt h em o s t o b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c w u h a n g u a n g z h o up a s s e n g e rr a i l w a yl i n ei st h e f i r s tl i n ei nw h i c hb a l l a s t l e s st r a c ki sa d o p p t e di nt h ew h o l el i n e ，s ot h e r e s e a r c ho nt h ed e v e l o p i n gl a wa n dt h em e c h a n i s mo ft h es u b g r a d e s e t t l e m e n t ，a c c u r a t ea n dt i m e l yc o m p u t et h es u b g r a d es e t t l e m e n tw i l l p r o v i d ec e r t a i ng u i d a n c ef o rr e a s o n a b l yp l a n n i n gc o n s t r u c t i o ns c h e d u l e a n d a r r a n g i n gp a v i n gt i m e ，m e a n w h i l e ，t h e r e s e a r c hh a sa g r e a t s i g n i f i c a n c ei ng u a r a n t a n t e e i n gt h ep a s s e n g e rr a i l w a yl i n e so p e r a t i o n a l s a f e t y , r e d u c i n g t h ec o s to ft h el i n e s o p e r a t i o na n di m p r o v i n g i t s e c o n o m i ce f f i c i e n c y b a s e do nt h eo t h e rr e s e a c h e r s a c h i e v e m e n t ，t a k i n g t h e c o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a ls e c t i o no fw u h a n - g u a n g z h o up a s s e n g e r r a i l w a yl i n ea st h ep r o j e c tb a c k g r o u n d ，m e t h o d ss u c ha st e s t i n gi nt h e l a b o r a t o r y , m o n i t o r i n gs u r v e y i nt h e f i e l d ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e t c w e r e u s e di n t h i s p a p e r t om a k ea c o m p r e h e n s i v e ，i n d e p t hr e s e a r c ho nt h ec o m p u t a t i o na n a l y s i sa n ds p e c i a l c h a r a c t e r i s t i co ft h ep a s s e n g e rr a i l w a yl i n e ss u b g r a d es e t t l e m e n t i t sm a i n a c h i e v e m e n ta n dt a s k sw e r eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n gs t u d yr e s u l t s ，s u c ha s t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，d e v e l o p i n gd i s c i p l i n ea n de f f e c t i v ef a c t o r so f t h es u b g r a d es o i l ss e t t l e m e n t ，t h et h e o r yf o u n d a t i o n ，c a l c u l a t i o ns t e p sa n d a p p l i a n c ec o n d i t i o no ft h ee x i s t i n gm e t h o d st oc a c u l a t et h es u b g r a d e s e t t l e m e n tw e r ea n a l y z e d ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h es i t e s g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，f o u n d a t i o n t r e a t m e n ta n dt h ed e s i g n a t i o no ft h e p a s s e n g e rr a i l w a yl i n e ，t h e m o n i t o r i n gs e c t i o n s ，e q u i p m e n t sa n dd e v i c e so ft h ep a s s e n g e rr a i l w a y l i n e ss u b g r a d es e t t l e m e n tw e r ec h o o s e dr a t i o n a l l y , t h em o n i t o r i n gc h e m e w e r er e a s o n a b l yd e t e r m i n e d ( 3 ) b a s e do na n a l y z i n gt h e w o r kp r i n c i p l eo ft h em o n i t o r i n g d e v i c e s ，s p e c i f i cp r o t e c t i o nm e a s u r e sa n dt h ee q u i p m e n t si n s t a l l a t i o n p r o g r a m s w e r e p u t f o r w a r d a f t e rt h a t ，57 5 d a y s o b s e r v a t i o no ft h e e i g h t e e nm o n i t o r i n gd e v i c e sw e r ee x e c u t e d ，al a r g ea m o u n to ft h ef i e l d m e a s u r e m e n td a t ew e r eg a i n e d ( 4 ) c o m b i n e dw i t ht h ec o n s t r u c t i o ns c h e d u l e ，s y s t e m a t i cc o l l a t i o n a n da n a l y s i so ft h ef i e l dm e a s u r e m e n td a t ew e r ed o n e ，t h ef o u d a t i o n g d e f o r m a t i o no fd i f f e r e n ts u b g r a d et y p e su n d e rd i s t i c tc o n s t r u c t i o ns t a g e w e r eo b t a i n e d ，a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t s ，t h ed e v e l o p i n gp r o c e s sa n dl a w o ft h ep a s s e n g e r r a i l w a yl i n e ss u b g r a d es e t t l e m e n tw a s s t u d i e d ( 5 ) a s e r i e so fl a b o r a t o r ys o i lt e s t so nu n d i s t u r b e ds o i ls a m p l e sw e r e c a r r i e do u t ，b a s e do nw h i c ht h ep a r a m e t e rw a ss e tu pf o rt h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，m o r ei m p o r t a n t l y , t h es t r e n g t hp r o p e r t i e s u n d e rd i f f e r e n t c o n s o l i d a t i o nd e g r e ea n dt h er h e o l o g i c a lc h a r a c t e r su n d e rl o n g - t e r ml o a d o ft h es u b g r a d es o i lw e r ea n a l y z e d ( 6 ) m o h r - c o u l o m bc o n s t i t u t i v em o d e lw a sc h o o s e dt os i m u l a t et h e s u b g r a d e ，t h es o i la n dt h ec f gp i l e s ，t h ei n t e r a c t i o no fc o n t a c tb e t w e e n c f gp i l e s ，g e o g r i da n ds o i lw a ss i m u l a t e db yg o o d m a ni n t e r f a c eu n i t w i t h o u tt h i c k n e s s , u p o nt h ec o m p l e t i o no ft h e s ew o r k ，t h ef i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a lm o d e lw a sa p p l i e d ，t h er a t i o n a l i t yo fm o d e la n dp a r a m e t e r w e r ep r o v e db yc o m p a r i n gt h em e a s u r er e s u l t sw i t ht h ec a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：p a s s e n g e rr a i l w a y l i n e ，b a l l a s t l e s st r a c k ，s u b g r a d e s e t t l e m e n t ，s i t em o n i t o r i n g ，l a b o r a t o r ys o i lt e s t s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 硕七学位论文第一章绪论 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 1 9 6 4 年，世界第一条高速铁路日本东海道新干线建成并投入运行，以 其速度快，运能大，节省能源，确保安全准时，污染少等综合优势博得世人青睐， 极大地提高了世界各国发展高速铁路的兴趣，从而使铁路产业的发展进入了一个 兴旺时期。目前，高速铁路已成为世界铁路发展的总趋势，也成为一个国家和地 区发展交通运输的战略目标之一i l j 。 随着经济实力和综合国力的逐渐增强，从二十世纪九十年代开始我国也着手 高速铁路的技术研究，先后开展了大量科研项目的研究工作，取得了十分可喜的 成就。2 0 0 3 年l o 月1 2 日，我国自行研究、设计、施工的设计时速2 0 0 公里的 秦沈铁路客运专线开始营运；2 0 0 8 年8 月1 日，我国具有自主知识产权，设计 时速3 0 0 公里的京津城际铁路正式通车运营。目前，哈大，胶济，京沪等客运专 线项目正在如火如荼的进行施工，我国进入了大规模修建高速铁路的时期。 高速铁路的出现对传统铁路的设计、施工和养护维修都提出了新的挑战，在 许多方面深化和改变了传统的设计观念或思想。尤其是对铁路路基而言，过去一 般按照强度破坏进行设计，而现在强度已不成问题，但是在达到强度破坏前，路 基可能已经出现了不能容许的过大变形。然而，客运专线对轨道变形有着十分严 格的要求，需要为列车的高速运行提供高平顺性和稳定性的轨下基础，于是，控 制路基变形已成为客运专线路基的最大特剧2 1 。 我国幅员辽阔，在客运专线的施工建设过程中，会遇到各种复杂地形条件和 不良地质情况。为了满足客运专线对路基的高平顺性要求，武广铁路客运专线沿 线路基大都采用了不同形式的地基处理方法，如地基冲击压实、真空预压堆载、 c f g 桩桩一网复合地基等，在路桥、桥涵过渡段等一些地段还采用了土工格栅、 土工膜等土工织物加筋法措施。然而，施工过程中的加荷速率、预压时间、土体 性质等对路基沉降都有较大影响，诸多因素使得施工过程中路基实际发生的沉降 与设计计算沉降之间存在差距1 3 】。因而，深入分析路基沉降的发生规律，提高路 基沉降计算的准确性，并使计算方法相对简单、实用是目前亟待解决的课题。武 广铁路客运专线，是国内第一条全线铺设无砟轨道、设计时速达到3 5 0 k m 的铁 路，分析施工过程中的各种因素对路基沉降产生的贡献，研究路基沉降的产生机 理和发展规律，对于保证客运专线的运行安全，降低运营维护成本，提高客运专 线的经济效益具有重要意义。 硕七学位论文 第一章绪论 本文正是以此为出发点，以武广铁路客运专线综合试验段为工程背景，通过 对武广客运专线工程无砟轨道试验段内多个断面路基变形监测方案的实施，获得 了大量施工填筑期间路基沉降的实测数据，在整理和分析这些沉降监测数据的基 础上，研究了客运专线无砟轨道路基沉降的发生机理，分析了路基填筑施工过程 中沉降的发展规律，对深入研究客运专线路基沉降的形成机制有一定的参考价 值，对合理安排填筑施工工期和路基沉降控制措施具有现实的指导意义。 其次，通过对现场取回的原状土样的大量室内土工试验，取得路基土体的一 系列物理力学参数，分析了固结度对路基土体强度的影响，研究了路基土体的蠕 变特性。 最后，选择弹塑性本构模型中的m o h r - c o u l o m b 理论进行典型断面的有限元 数值模拟计算，并将数值计算结果与现场实测数据进行了对比分析，阐述了合理 选择本构关系模型，确定相关计算参数的重要性，对准确计算路基的沉降大小， 提高路基沉降的计算精度，保证客运专线安全高效运行也具有重要意义。 1 2 国内外相关研究现状 目前，国内外学者对土力学的研究大致可以分为地基变形、地基承载力和地 基的稳定性几个方面。本文主要研究客运专线路基的沉降问题，属于地基变形的 研究范畴，然而地基沉降主要涉及沉降计算和沉降预测这两方面的内型4 ，5 l ，现 将相关研究现状概述于下。 1 2 1 地基沉降计算 土是矿物颗粒的松散堆积体，是一种由固体、液体和气体物质组成的混合体。 当作用在土体中的应力发生变化时，土的体积就随之改变。对于地基土而言，地 基上部构筑物的修建，构筑物荷载通过基础传递给地基，这个过程将在地基内部 产生应力和变形，从而引起基础的下沉，在工程中将荷载引起的基础下沉称为基 础的沉降。 对于地基沉降的研究，人们经历了漫长的岁月。直到1 9 2 3 年，太沙基 ( t e r z a 曲i ) 提出了土力学中最重要的有效应力原理，才建立起量化的分析计算方 法。之后，在总结前人关于土的性状研究成果基础上，太沙基( t e 龙a 曲i ) 创建了 经典的土体单向固结理论，这种理论是建立在许多简化和假设基础上的1 6 1 ：土骨 架是线弹性变形材料，土孔隙中所含的是不可压缩流体，按达西定律沿单方向流 动，土体是单向压缩变形等。 后来，经过太沙基( t e 眩a g h i ) 和伦杜立克( r e n d u l i c ) 的发展n 得到三向固结 方程，可以考虑三向排水时的单向压缩，其中假设了固结过程中总应力( 正应力 之和) 为常量。对于简单的几何形状和边界条件可以得到解析解，对于较复杂的 2 硕士学位论文第一章绪论 边界条件和几何形状可以借助有限差分法求解。比奥( b i o t ) 【8 l 根据有效应力原理、 土的连续条件和平衡条件，进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用， 导出比较完善的三向固结方程。但是，由于比奥理论讲变形与渗流结合起来考虑， 大大增加了固结方程的求解难度，至今仅仅得到个别情况的解析解，不能在工程 上被广泛应用。 基于以上沉降计算理论的发展，目前，地基沉降的理论分析方法可归纳为两 种类型：一类是理论公式法，另一类是数值分析法【9 1 。 沉降计算的理论公式方法有很多种，包括分层总和法、考虑前期固结压力的 e l g p 曲线法【l o 】、s k e m p t o n b i e r r u m 方法【1 1 1 、以及l 锄b e 提出的应力路径法等。 然而这些方法均是建立在t e r z a g h i 一维固结理论基础上的，其中引入了许多简化 和假剧b j ，对地基的主固结沉降量进行了计算，而没有涉及瞬时沉降和次固结 沉降。这类方法具有简便、直观、计算参数少且易取得等优点，因而在工程中得 到了广泛应用。 2 0 世纪6 0 年代电子计算机问世后，计算技术有了划时代的飞跃，极大地推 动了岩土力学理论的发展，使得以往无法考虑的许多土的复杂的本构关系，有可 能被引入计算。在压缩变形的计算中，除土的线性弹性模型外，已经逐渐引用其 他各种模型：非线性弹性模型( 其中最著名的有邓肯张模型【1 4 1 ) 、弹塑性模型 ( 如剑桥模型【1 5 j ) 等。 在岩土工程中常常会遇到大量的偏微分方程的求解问题，许多具体过程都可 以用偏微分方程的定解问题来描述，例如渗流问题、土的固结问题等。然而除了 一些特殊情况外，要直接得到偏微分方程的精确解很困难。 数值分析法正是近代土力学研究与电子计算机技术相结合的产物，它可以较 全面地考虑土体的变形特性及复杂的地质条件和边界条件，理论上比较严密。为 了求解地基土的沉降，人们可以编制数值计算程序，通过计算机运算，得到比较 准确的数值结果。 作为一种求解偏微分方程定解问题的近似方法，有限差分法是最早被应用于 工程科学中的数学方法之一，在岩土工程中有着广泛应用。从2 0 世纪4 0 年代起， 国内外许多学者i 1 9 】用有限差分法解决了土木工程领域中的某些渗流及固结问 题，为采用差分法计算路基沉降提供了坚实的理论基础。 关金龙【2 0 1 针对光华地铁中洞的大断面，应用有限差分法对洞室拱顶及地表 的沉降进行了模拟，得出的预测沉降规律为施工顺利开展提供了指导。 刘祚秋1 2 l l 在几何非线性分析的基础上考虑软粘土的非线性本构模型，推导 出物质描述的一维非线性大变形固结的控制方程，采用有限差分法对非线性控制 方程进行了数值求解。 3 硕士学位论文第一章绪论 李勇f 2 2 j 等以沈阳地铁l 号线青年大街站为工程背案，借助三维有限差分数 值模拟软件f l a c 3 d ，分析工程降水引起的地面沉降。 廖红建【2 3 】等对重塑正常固结粘土进行了一系列固结试验，将试验结果与有 限差分解析方法的预测结果进行了比较，提出了一种新的考虑次固结影响的一维 固结方程，并用于计算粘土的压缩时间关系曲线。 有限单元法【2 4 j 出现于2 0 世纪5 0 年代，最初是作为一种处理固体力学的方 法提出来的。随着有限元理论的日趋成熟，应用效力的不断提高，有限单元法的 应用领域也越来越广，由最初的弹性力学平面问题扩展到固体力学的各个分支， 由平面问题扩展到空间问题、板壳问题等，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动 力问题和波动问题等；分析的对象也从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和 符合材料等，从固体力学扩展到流体力学、热力学、电磁学等连续介质领域。 于军【2 5 1 等依据苏锡常地区实际资料，通过典型钻孔土力学试验，确定出土 体在不同荷载条件下的弹塑性和蠕变特征方程以及土体渗透系数随孔隙度变化 的关系式，并在此基础上建立了研究区三维变系数地下水流模型及考虑土体垂向 不同变化特征( 弹塑变或蠕变) 的一维区域沉降模型，采用有限单元法对模型进 行了真正意义上的耦合求解。 张利生【2 6 j 等以鹏山水源地地下水系统作为研究对象，针对研究区地下水开 采引发的地面沉降问题，应用土力学和地下水动力学原理，建立了该水源地开采 条件下的含水层固结有限元模型，并对模型误差积累、误差分布和模型稳定性进 行了较全面的评估，使模型具有较高的可信度。 王瑞甫 2 7 1 等在前人研究的基础上，把理论分析与工程实际紧密结合，通过 对以往地基沉降计算方法的分析总结，结合有限单元法的具体计算，提出了基于 改进d p 弹塑性地基模型的沉降计算理论和方法。 任铭宇【2 8 】基于b i o t 固结理论有限元数值解和m e r c h a n t 粘弹性模型理论解析 解，建立了包括沉降、孔压以及侧向变形信息的目标函数，研究了各土性参数随 时间的变化趋势。 1 2 2 地基沉降预测 由于土的特殊工程性质，土的固结和压缩的规律是相当复杂的，它的一些参 数也是不易准确测定的，因此，工程的计算结果和实测结果，往往会有一些差异， 如何利用实测沉降资料进行沉降计算就显得重要而有意义。 在长期实践当中，人们发现了工程中实测的沉降一时间曲线形状具有一定的 规律性。近年来，国内外学者对这种规律性进行了大量研究工作，取得了不少有 益的成果。 将地基和路堤作为一个整体来分析，学者们研究1 2 钆3 2 j 发现，路基的沉降发展 4 硕士学位论文第一章绪论 过程可以用“s 形增长曲线模型来表述，其沉降过程可分为发生、发展、稳定、 极限4 个阶段。( 1 ) 发生阶段：土体处于弹性状态，在荷载增加的最后阶段，沉 降呈线性增加；( 2 ) 发展阶段：随着荷载的增大和时间的增长，地基土中孔隙水 逐渐排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体压密产生体积压缩变形，开始进入弹 塑性状态，随着塑性区的不断开展，路基的沉降增长速率很快；( 3 ) 稳定阶段： 当荷载不再增加，孔隙压力接近完全消散，此时固结过程尚未完成，且土骨架粘 滞蠕变开始出现，路基的沉降将随时间的推移而继续增加，但沉降速率则逐渐变 小：( 4 ) 极限阶段：当时间足够长时，沉降达到极限状态，沉降速率降为零，此 时的沉降为地基的最终沉降量。 朱俊生等【3 3 j 认为：高填方路基的沉降应该由地基沉降和路堤沉降两部分组 成。路堤的沉降变形分为如下阶段：( 1 ) 塑性弹性变形阶段，在这个阶段，路堤 横向中间变形量大，两侧变形量小；( 2 ) 不均匀变形阶段，这个阶段的变形在施 工后期和使用期内比较明显；( 3 ) 蠕变阶段，这个阶段的变形过程最为复杂，并 伴有弹塑性变形存在。 梅国雄【3 4 j 等从孔压消散的角度给出了一种线性加载时沉降曲线呈s 形状的 证明，王伟【3 5 j 等直接从一维固结度出发，在理论上证明了沉降曲线呈s 形状。 基于以上成果，使得分析现场前期实测沉降数据，预测沉降发展规律，推算 后期沉降量，由此指导施工，在实际工程中具有了重要的应用价值【3 6 1 。基于部 分实测沉降数据的沉降预测方法大致可分为以下几类： 一是曲线拟合方法，这类方法都是建立在对路基进行长期监测基础上的，通 过选择适当的模型拟合实测数据来预测沉降。常用的有a s a o k a 法【3 7 】，指数曲线 法【3 8 1 ，双曲线法1 3 9 , 4 0 l ，三点法1 4 1 , 4 2 1 ，星野法【4 3 钟】，成长曲线法f 4 5 4 8 】等。 由于各个模型的发展规律不同，预测结果都会与实测值有一定的差距，实用 中常选用拟合精度最好的模型来做沉降预测。应用这些方法推算后期沉降都需要 一个长时问恒载期的观测资料，而对于工期较紧和需要动态设计的工程项目，能 否用较短时问的实测资料来预测后期沉降量是值得研究的问题1 4 9 。 二是系统理论分析法，包括神经网络模型【5 0 1 ，灰色理论模型【5 1 1 ，时间序列 分析法f 5 2 】等。 系统理论方法都有比较成熟的计算算法求解，不过预测模型一旦确立，模型 的参数保持不变，而且参数大都没有实际物理意义，从而可能导致沉降预测精度 不高的情况发生。 三是组合预测法，这种方法能充分运用多个模型中的信息，国内部分学者进 行了这方面的研究【5 3 , 5 4 】。在预测实践中，对同一问题常采用不同的预测方法。不 同的预测方法提供不同的有用信息，其预测精度往往也不同。如果简单地将预测 5 硕士学位论文 第一章绪论 误差较大的一些方法舍弃掉，将会丢失一些有用的信息，这种做法对信息是一种 浪费，应予以避免。组合预测方法将不同的预测方法进行适当的组合，从而综合 利用各种方法所提供的信息，尽可能地提高预测精度。只要组合适当，这一目的 是完全可以实现的。 工程实例研究表明，组合模型的预测值要明显优于单一模型的预测值【5 5 1 。 根据需要可以选择不同类型、不同数目的模型进行组合建模，其关键在于确定权 系数。 四是反演分析方法，这种方法的原理就是利用施工中量测的位移、应力、孔 隙水压力等数据反演出土体的力学参数，并利用这些参数预测未来土体的位移、 应力、孔隙水压力等。 自从1 9 7 1 年k a r a n a g hk 【5 6 l 提出了位移反分析方法，利用有限元方法反演弹 性参数以来，反演分析法得到了迅速发展，在工程中得到了广泛的应用，已从最 初的岩体工程扩展到土体渺5 9 1 甚至是软土工程陬6 1 中，研究方法也从确定性研究 发展到了非确定性研究 6 2 , 6 3 】。 魏丽敏畔l 等通过参数分组、初步试算、综合调整等步骤，建立了分阶段多 层次动态施工反分析方法，从而使反分析所得计算参数具有明确的物理意义。 g i o d a 6 5 l 等根据隧道开挖过程中的现场测量数据，利用反分析方法，结合数理统 计的原理对岩体参数进行了反演分析，并对结果进行了比较，减少了岩土问题反 演过程中不确定的影响。c h i ，s y 睁】等采用了共轭梯度法优化技术，利用等价地 基损伤模型对隧道施工过程中，由于开挖引起的地面的位移进行了反分析。 q r e s t e 等【6 7 l 在隧道施工期间，对隧道周边位移及其支护结构的荷载进行实时监 控，并利用现场取回的量测数据，反分析地质力学参数。 1 3 本文主要工作 1 3 1 研究思路 根据路基的沉降机理分析，可以得知，路基在建成后，依然会发生沉降，而 且这个过程还将延续很长时间。这可能给线路运营后的高速行车带来困难：如果 工后沉降量不大，沉降速率缓慢，则可以通过维修使线路保持高度平顺，这样的 工后沉降是允许的；如果工后沉降量大，或沉降速率快，难以通过维修使线路保 持高速行车所需要的轨道平顺，这样的工后沉降和沉降速率是不允许的，无法实 现高速行车。所以，在高速铁路客运专线的施工中，路基的沉降控制是一个必须 注意的问题。 本文在分析总结现有相关研究成果的基础上，制定现场监测方案，利用现场 实测数据，对武广客运专线路基沉降的发生发展规律进行了较为深入的研究；同 6 硕十学位论文 第一章绪论 时，对现场取回的大量原状土样进行室内土工试验，分析研究了固结度对路基土 体强度的影响以及路基土体在长期荷载作用下的蠕变特性；并利用土工试验取得 典型断面路基土体的一系列物理力学计算参数，建立了的路基沉降有限元计算模 型，获得沉降计算结果，与现场实测的路基沉降数据进行了对比和分析。 1 3 2 研究内容 本文依托科研项目铁道部科技研究开发计划“武广客运专线线下工程变 形监测方案及典型区段试验研究( 2 0 0 5 k 0 0 2 - a 1 ) 和“客运专线无砟轨道路基沉 降规律及测量技术研究 ( 2 0 0 5 k 0 0 2 b 6 ) ，以武广客运专线试验段为工程背景， 进行了系统、全面的现场观测，在对大量实测数据进行整理、总结及分析的基础 上，对客运专线路基的沉降发生发展规律进行了较为深入的研究，对路基沉降进 行了有限元计算分析，并与现场实测沉降数据进行了对比分析。基于以上的出发 点，在前人研究的基础上，进行了以下几项工作： ( 1 ) 结合地基沉降的研究成果，进行客运专线无砟轨道的路基沉降发生机 理、影响因素分析； ( 2 ) 根据国内外学者的研究现状，分析总结了各种路基沉降计算方法的基本 原理、适用条件，确定了利用有限元法对路基沉降进行计算分析的思路； ( 3 ) 设计制定典型断面路基原状土样的室内土工试验方案，实施了获取物理 力学性质参数的常规室内土工试验，并对固结度对路基土体强度的影响以及路基 土体在长期荷载作用下的蠕变特性进行了试验研究； ( 4 ) 结合工程现场路基实际设计情况和施工状况，确定了路基沉降的监测方 案，并对现场实测的路基沉降数据进行整理，结合路基施工进度，分析研究了施 工过程中客运专线无砟轨道路基沉降的发展规律： ( 5 ) 对典型断面路基沉降进行有限元建模，包括有限元分析本构关系的选 择，模型计算参数的选取，计算区域的划分，边界条件、计算网格、逐级填筑荷 载的处理等； ( 6 ) 将有限元软件路基沉降计算结果与现场实测的沉降数据进行对比分析， 验证选取的本构关系模型及其计算参数的合理性。 7 硕士学位论文第二章路基沉降机理及计算方法研究 第二章路基沉降机理及计算方法研究 2 1 路基沉降机理分析 2 1 1 土的变形性质 土是自然历史的产物，各类土都经过漫长的地质历史。随着形成年代、地点、 环境及形成方式的不同，土体的结构和变形特性会有差异。因为是自然历史的产 物，土往往是不均质的，即使在同一地点的土，性质也不完全相同。天然土体一 般由三相组成，由固体颗粒、水和气体三相组成，即由固体颗粒构成土骨架，土 骨架空隙内充填水和空气，土体的性状并不单纯地取决于土的某一相，而是与同 时并存的各相的质与量及它们之间的相互关系有关。 土体受到外力后，作用在土体中的应力发生变化，土的体积随之改变，可以 认为土体变形是孔隙中流体体积变化的结果【6 8 】。主要由于土体积的压缩，地基 在铅直方向的位移称为沉降，沉降的同时还伴生水平位移。土体完成压缩变形一 般要经历一段时间过程。当荷载增加时，土体一般是逐渐被压缩( 应力解除一般 引起膨胀) ，压缩过程中部分水量会从土体中排出，土中孔隙水压力相应地转为 土粒问的有效应力，直至变形趋于稳定，这一变形的全过程称为固结。土体压缩 量的多少依赖于其所受有效应力的大小，而固结的速度则取决于土体排水的速度 快慢。 假设从变形的土体中取出单元土体，由于不考虑土粒进入或移出该单元，故 土体中的土粒重量w 。为常数【6 9 , 7 0 。土体的变形性质可以从研究其含水重形的变 化率罢加以探讨。 讲 根据土的三相组成的相关关系有 w = 形1 4 ( 2 1 ) 而 w 凡o - g = s r e 凡( 2 2 ) 故 w ：竖粤：m ( 2 - 3 ) j y w q usj s 式中：w 土的含水量； 职土粒重量； 8 硕士学位论文第二章路基沉降机理及计算方法研究 研土的饱和度； p 土的孔隙比； 水的重度； d 水在4 。c 时的重度； g 土粒比重； 始土粒重度。 因此，式( 2 一1 ) 可写成下式 罾= 昙c 啪= 睨昙c 擎， = 形卜九告鲁+ s 坩去害+ s 伊去誓一母咿儿去鲁 c 2 川 式( 2 _ 4 ) 表明，土体中水重的变化率由下列几种原因引起：饱和度变化，孔隙 比变化，水的重度变化，土粒重度变化。 为了较深入地定量分析土中水重的变化率，可以进一步用土骨架的应力应 变关系、土粒与水的物性方程等将式( 1 1 ) 细化，并将常见的一些土性指标代入， 即可明显地看出土体变形的下列特点：( 1 ) 土颗粒的压缩量比土骨架的压缩量小 得多，可以忽略；( 2 ) 在饱和土中，水的压缩量与土骨架的相比，数值极小，故 土的骨架压缩控制土的压缩；( 3 ) 砂土和一些粉土的压缩量比粘土的小得多，故 对于粘土与砂土相间的地基，粘土层的沉降量是主要的；( 4 ) 对于非饱和土，饱 和度变化对土固结有重要影响，必须加以考虑。 土的固结和压缩的规律相当复杂，它不仅取决于土的类别和性状，也取决于 其边界条件、排水条件和受荷方式等。粘性土与无粘性土的变形机理不同；二相 土和三相土的固结过程迥然有别，后者由于土中含气，变形指标不易准确测定， 状态方程的建立于求解都比较复杂。天然土体一般都是各向异性、非均质或成层 的，如何合理地考虑它们对变形的影响，尚待进一步研究。 此外，土体具有的应力应变关系非常复杂，并具有一系列不同于其他工程 材料的变形特性，如压硬性、剪胀性、各向异性、s d 效应、应力路径及应力历 史相关性、粘滞性等。 土具有应力应变的非线性与硬化或软化等特性。土体在加载过程中，没有 明显的弹性阶段，一开始就表现为非线性的特性，也没有初始屈服点；按照应力 应变曲线的发展还呈现应变硬化( 正常固结土和松砂) 和应变软化( 超固结土和密 实砂) 的特性。 压硬性指的是静水压力与剪切变形之间的耦合作用，即静水压力会产生剪切 变形；剪胀性则是指切应力与体积应变之间的耦合作用，即切应力也会引起体积 硕士学位论文 第二章路基沉降机理及计算方法研究 改变。在岩石力学中，剪胀性称为“扩容 ，意指切应力引起的体积( 容积) 扩大。 如果剪切引起岩土体的体积收缩( 例如正常固结粘土或松砂) ，就称为剪缩性或负 的剪胀性。这样，对于岩土材料来说，静水压力不仅产生弹性的塑性的体应变， 而且由于静水压力的存在，还会引起剪变形刚度的增大而使切应变变化；而切应 力不仅会产生弹性或塑性的切应变，而且还会引起剪胀或者剪缩。与弹性和理想 塑性材料相比，岩土材料的本构关系显然要复杂的多。 岩土材料还存在初始各向异性和应力导致的各向异性。岩土材料的初始各向 异性一般是在沉积或地质作用过程中形成的，例如天然粘性土一般表现为在水平 方向的横观各向同性。同时由于应力的作用，可以引起类似于金属的b a u s c h i n g e r 效应的材料各向异性。岩土材料的拉压强度不同，砂土不能承受拉力，粘性土能 够承受很小的拉力，但是很不可靠。岩土材料的应力应变强度还与时间有关， 即具有流变特性或粘滞性。例如土体的次固结就是流变特性的表现。 2 1 2 路基沉降机理 路基主要是以不同密实度的土、石构成的土工结构物【_ 7 1 l 。对于一定的土体 而言，在荷载作用下，它所表现出来的各种变形和强度变化机制，归根结底是其 内部各结构要素调整和演化的总和反映【7 2 l 。 因此，从内因上讲，路基沉降往往是土层孔隙发生压缩变形，引起路基在竖 直方向上的变形；从外因上讲，路基沉降是由外荷载作用在地基上，并在地基中 产生的附加应力，附加应力使土体原有的应力状态发生变化，在附加的各应力作 用下地基土产生竖向、侧向和剪切变形，导致各点竖向和侧向位移，竖向位移即 为沉降。就饱和土体来讲，土体在上部荷载作用下，孔隙中的自由水逐渐排出， 孔隙体积逐渐减小，超孔隙水压力逐渐消散，并转移到土骨架来承受，致使有效 应力逐渐增加，土体结构趋于密集，孔隙量和孔隙密度整体上变小：就蜂窝状结 构和絮状结构的土体来讲，在垂直方向上的成层性或不规则的单向延伸性明显增 强，土体的微观结构明显得到加密和改善。 在荷载的作用下，地基土的应力状态发生改变，从而引起地基变形，出现路 基沉斛7 3 l 。然而，路基的沉降不是立即完成的，往往由几个阶段构成，按产生 时间先后可以分为瞬时沉降岛，固结沉降& 和次固结沉降s 1 7 4 j ，则总沉降s 可 以表示为： s = & + 墨+ s ， ( 2 - 5 ) 1 0 硕士学位论文第二章路基沉降机理及计算方法研究 讥 孽 里 s 图2 - l 地基沉降的三个阶段 一 瞬时沉降是加荷后立即发生的沉降，也叫初始沉降，对于饱和土，加荷 后孔隙水不能马上排出，土体也就不能发生体积收缩；但由于各向应力不等，土 体会发生侧向变形，仍然会引起竖向变形，这就是瞬时沉降。对于非饱和土，加 荷初期孔隙体积是会压缩的，因此初期沉降也包含一定的压缩沉降。 固结沉降& 是与水的排出、体积的收缩相联系的沉降，土体在外荷作用下 产生的超静水压力迫使土中水外流，土的孔隙减小，从而导致地面下沉，其中也 包含部分剪切变形。这旱所讲的沉降，是指压缩完全稳定后的沉降，称为最终沉 降，用& 表示，加荷后尚未达到稳定的某一时刻t 的沉降s 可用下式计算： s = u &( 2 6 ) 式中：u ，时刻土体的固结度。 在超静孔隙水压力完全消散后，沉降仍会在相当长时间内继续发展，这部分 沉降称为次固结沉降墨，它是土骨架流变的结果f 7 5 l 。次固结沉降仍然与土体孔 隙比的改变和水的挤出相联系，只是孔隙压力的变化已经量测不出来，水的挤出 也十分缓慢。土骨架的流变实际上在主固结阶段就存在，只是由此引起的沉降与 孔压消散所引起的沉降相比是微不足道的，当超静孔隙水压力完全消散后才显示 出来，是在恒定有效应力下的沉降。次固结沉降可用下式计算： 墨= 去巴i g 詈( 2 - 7 ) 式中：f ，主固结完成的时刻； t 2 需要计算次固结的时刻，显然有t 2 ，j ； h 土层厚度； e 次固结系数，也叫次压缩系数，无因次。 2 1 3 路基沉降影响因素 土体的变形过程是一个非常复杂的物理化学过程。在外部荷载作用下，各种 硕士学位论文 第二章路基沉降机理及计算方法研究 土颗粒可表现出滑动、滚动、挠曲或压碎等效应，而且在排水条件下，土骨架间 的水和空气被挤出，于此同时，土颗粒相应发生重新排列，土体发生变形。此外， 土体在切应力作用下，不仅产生剪切变形，还会产生体积改变；在静水压力作用 下，土体也会产生塑性变形，会发生屈服现象。显然，土体变形的复杂性与土的 组成成分和土体结构有关。固体颗粒组成土骨架，是影响土的变形的基本因素。 在加载过程中，影响土体变形的因素大致有以下几个方面：( 1 ) 土体的围压， 土的初始弹性模量与围压有密切关系，围压越大，初始弹性模量越大，在相同应 力条件下产生的应变则越小；( 2 ) 应力路径，不同的应力路径，对应力一应变曲 线的初始模量即峰值都有重要影响；( 3 ) 各向