（道路与铁道工程专业论文）无碴轨道桩板结构和桩网结构路基离心模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 无碴轨道因其高平顺性和少维修等优点，成为客运专线研究和发展的必然 趋势。无碴轨道桩板结构路基和桩网结构路基是为了适应无碴轨道路基对不均 匀沉降和累积沉降的严格要求提出的新型路基结构形式，其工程特性的研究具 有重要的意义。本文对无碴轨道桩板结构路基和桩网结构路基的初步设计进行 了探讨，并以离心模型试验为手段对此两种路基结构的工程特性，主要是沉降 特性以及桩土相互作用特性进行了讨论，主要结论有： 桩板结构路基放置5 个月后路基面累积沉降达到稳定，通车运营1 2 个月后 路基面累积沉降达到稳定，其值为1 0 9 6 r m ；桩板结构路基的桩基属于长径比较 大的钻孔灌注嵌岩桩，其荷载传递具有摩擦型桩的特性，具有较高的桩端承载 力储备。 对无碴轨道桩网结构路基的两组不同桩距的离心模型试验结果进行了对比 分析：桩距为2 m 和3 m 时，路基面最终累积沉降分别为1 2 5 m m 和2 1 0 衄；前者 的桩项荷载较小并且中心桩和边缘桩的桩顶荷载相差不大；前者桩基加固区的 处理效果更好，更有利于无碴轨道线路的整体平顺性且路基面累积沉降仅为后 者的5 9 5 ，因此前者为更为合理的设计方案。桩网结构路基承载特性随时间 的变化规律与路基面累计沉降发展的规律相吻合；桩基础承载力呈现端承摩擦 桩的承载特性，桩基端承力发挥有限；上部路堤底面的沉降主要由桩顶刺入土 工格栅加筋垫层引起。 桩板结构路基和桩网结构路基的设计与相应的离心模型试验结果的对比表 明：此两种路基结构的承载力设计比较保守，有较大的承载力储备；沉降均满 足无碴轨道路基设计要求；试验结果验证了以沉降为控制因素的设计方法的合 理性。 关键词 桩板结构路基；桩网结构路基；沉降；桩土相互作用：离心模型试 验；无碴轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t ni sc e r t a i nt h a th a l l a s t l e s st r a c kw i l lb et h et r c n do fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p a s s e n g e r - d e d i c a t e dl i n eb e 虻a u s co fi t sb e i n gm o r es m o o t ha n dl e s s i nn e e do f m a i n t e n a n c e p i l e - p l a n ks u b g r a d ea n dc o l u m n - n e ts u b g r a d ea l et w on e wt y p e so f s u b g r a d ei no r d e rt om e e ts t r i c ts e t t l e m e n tr e q u i r e m e n t so fb a l l a s t l e s st r a c k , s ot h e r e s e a r c ho fw h o s ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e 皿ep r e l i m i n a y d e s i g nt h e o r y , s e t t l e m e n ta n dp i l e - s o i li n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w ot y p e so f s u b g r a d ea r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t 。 l ti ss h o w nt h a t ：t h es e t t l e m e n to fp i l e - p l a n ks u b g r a d ei sc o m p l e t e da f t e rp i l e p l a n k s u b g r a d e sb e i n gl a i dw i t h i nf i v em o n t h s ；t h es e t t l e m e n ti sc o m p l e t e dw h e nb e h a gi n u s e df o rt w e l v em o n t h s , a n dt h es e t t l e m e n ti s1 0 9 6 r a m ；t h ep i l eo ft h es t r u c t u r ei s r o c k - s o c k e t e db o r e dc a s t - i n - p l a c ef r i c t i o n a lp i l ew i t hh i g hp o t e n t i a l so fb e a r i n g c a p a c i t i e sw h o s ed i a m e t e ri ss m a l li np r o p o r t i o nt oi t sl e n g t h 1 n b ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft w og r o u p so fc o l u m n - n e ts u b g r a d ec e n t r i f u g a lm o d e l t e s td u et od i f i e r e n tp i l es p a c i n g s ，2 ma n d3 m , i sc a r r i e do u lt h es e t t l e m e n to fw h i c h i s1 2 5 m ma n d2 1 o m mr e s p e c t i v e l y , t h ef o r m c ra c c o u n t sf o r5 9 5 o ft h el a t t e r ；t h e p i l e - t o pl o a do ft h ef o r m e ra n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e np i l e - t o pl o a di nt h ec e n t e ra n d i nt h ee d g eo ft h ef o r m e ri sc o m p a r a t i v e l ym i n o r ；, t h er e i n f o r c e m e n te f f e c to ft h e s u u c t u r ew i t h2 m sp i l es p a c i n gi sb e t t e r , w h i c h ：i sb e n e f i c i a lf o rt h es m o o t ho f b a l l a s t l e s st r a c k ；t h es c h e m ew i t hp i l es p a c i n go f2 mi sam o r er e a s o n a b l eo n e ：t h e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f b e a t i n gc a p a c i t yw i t ht i m ec o i n c i d e sw i t ht h a to f s e t t l e m e n t w i t ht i m e ；t h ep i l eo ft h es t r u c t u r ei sf f i c t i o n a lp i l es o c k e t e di nr o c k 喇t hh i 曲 p o t e n t i a l so fb e a r i n gc a p a c i t i e s ；t h es e t t l e m e n to ft h eb o t t o ms u i f a c eo fu p p e rp a r to f s u b g r a d em a i n l yc o m p r i s e st h ec o n s o l i d a t i o ni nt h ep i l e - r e i n f o r c e m e n ts e c t i o n , a n d t h ec o n s o l i d a t i o nh a p p e n sm a i n l y 锶u s e db yt h ep e n e t r a t i o no fp i l e si n t ot h eg e o g r i d r e i n f o r c e m e n tc u s h i o n t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt h ed e s i g nt h e o r ya n dt h er e s u l to fc c n t r i f u 鲫t e s t o ft h et w ot y p e so fs u b g r a d es h o w s ：b e a r i n gc a p a c i t yd e s i g n so ft h et w oa l eb o t h c o n s e r v a t i v e ，s ot h e r ei sh i g hp o t e n t i a lo fb e a r i n gc a p a c i t yi ne i t h e ro n e ；t h e s e t t l e m e n to fe i t h e ri sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to fb a l l a s t e dt r a c k ；t h er e s u l to f t e s t sv a l i d a t et h ea c c u r a c yo ft h ed e s i g nt h e o r yb a s e do nc o n t r o l l i n gs e t t l e m e n ta st h e d o m i n a n tf a c t o r k e yw o r d s ：p i l e 。p l a n ks u b g r a d e ；c o l u m n n e t s u b g r a d e ；s e t t l e m e n t ；p i l e - s o i l i n t e r a c t i o n ；c e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ；b a l l a s t l e s st r a c k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 无碴轨道研究现状 第一章绪论 1 1 1 无碴轨道的发展概况 有碴轨道结构历史悠久，在长期的应用中，人们积累了丰富的施工和养护 经验，轨道本身又有弹性好的优点，加之铺设费用低，维修容易，所以人们认 为它是比较经济的结构型式。然而，随着铁路行车速度的提高，对线路的要求 也越来越高，特别是列车动荷载的增加，对道床的稳定性、线路的平顺程度的 要求更高，这样，容易变形的有碴道床就难以适应了。为了满足使用要求，就 必须加大养护维修的频率和工作量，稍有不慎就可能造成行车中断，维修费用 则因此而大幅度提高，导致铁路运输经济效益下降。为了适应列车高速运行的 需要，解决线路维修的困难，世界各国研究和开发了多种结构型式的无碴轨道， 主要有板式、长枕埋入式、弹性支撑块式、r h e d a 型、双块式等。板式轨道广泛 应用于日本新干线；r h e d a 型、博格板式等结构型式，广泛应用于德国高速铁路。 无碴轨道整体性强，纵向、横向稳定性高，能持久地保持轨道的几何尺寸。 养护、维修工作量少，综合成本低，综合效益好。无碴轨道在高速铁路上大量 铺设已成为世界高速铁路发展趋势。 中国已修建了3 0 0 k i n 左右的无碴轨道。在西康线秦岭、西安南京线东秦岭、 磨沟蛉、桃花铺一号、兰武线乌鞘蛉隧道铺设了弹性支撑块式无碴轨道。在渝 怀线鱼嘴二号、圆梁山、秦沈线沙河特大桥铺设了长枕埋入式无碴轨道。在赣 龙线枫树排、秦沈线双河特大桥、狗河特大桥铺设了板式无碴轨道。为了在我 国客运专线推广应用无碴轨道，2 0 0 4 年底在遂渝线开展无碴轨道试验段研究， 同时分别在郑西、武广和京律城际开展四个中外联合设计、施工无碴轨道综合 试验段。 无碴轨道与有碴轨道的主要特点比较可见表1 1 。 表1 1 无碴轨道与有碴轨道的比较 无碴轨道有碴轨道 特性 优点缺点优点 缺 点 线路平面几何形线路平面几何形 可靠度 容易实现沉降的状不易保持 状易于保持 不允许地基沉降 有较高的运输能调整 力 较低的运输能力 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有较高的承载能 改线困难改线较容易较低的承载能力 力 一旦维修，需较出现问题，容易 使用寿命 6 0 年 长时间，中断行维修且维修时间 3 0 年 坌 较短 维修费用：每年建设费用：每公建设费用：每公维修费用：每年 每公里4 0 0 欧元里8 0 万欧元里3 5 万欧元每公里7 0 0 0 欧元 投资成本 一旦出现损伤，一旦出现损伤。 节约用地用地较多 维修费用较高维修成本较低 列车脱轨后损失必须设置特殊结不需要设置过渡每1 5 年需更换道 较小构的过渡段段 碴 最大时速可达最大时速可达 3 0 0 k m h 2 4 0 k m h 能适应较高的荷不能适应较高的 舒适性 载要求 荷载要求 对速度目标值的对速度目标值的 适应性较差适应性较好 污染小、选线更 污染大、选线的 环境噪音较大 自由 自由度不大 列车在高速运行列车在高速运存 中不会出现飞石中会出现飞石 安全性 救护车能在混凝 救护车不能在道 土上跑 碴上跑 低重量( 对高架 桥有利) ，低高度 较重、较高同时 其它方面 ( 对隧道有利) ， 不易于清洁 易于清洁( 对车 站有利) 1 1 2 无碴轨道应用于土质路基的发展概况 土质路基由于其取材便利、施工简单、经济性和维修的简便性等因素，作 为铁路结构被广泛采用，在土质路基上铺设的轨道结构一般采用有碴轨道，这种 方法具有易铺设，并且经济的优点。有碴轨道结构由钢轨、枕木、及道碴构成的 简易结构物，支持列车荷载，把此荷重尽可能地均匀地分散在路基面上，以达 到列车的圆滑行车目的。在每次列车通过时，道碴变松、钢轨面产生变形，慢 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 慢地乘车舒适度交差，为保证圆滑的列车行驶，需要进行定期养护作业。有碴 轨道之所以被广泛采用，正是由于过去能确保十分优秀的养护劳动力。但是随着 经济的发展，要确保这样的优秀的养护劳动力变的越来越困难，加上列车通过 时间间隔的减少，导致轨道养护变得越来越困难。这样，有碴轨道的优势渐渐 减少。 板块轨道等无碴轨道结构形式没有把轨道养护作为前提条件。于是，把在 高架桥和隧道等被广泛使用的板块轨道等无碴轨道结构形式引入土质路基的尝 试在日本、德国等国家变的非常的活跃。无碴轨道的设计要求和设计一般结构 物一样，在列车运行过程中钢轨、轨道、板块等各部分所产生的变形应力都不 能超过各自的容许值；在桥梁等上采用无碴轨道的场合，在设计桥梁等过程中， 必须确保行车安全或乘车舒适度，并且从轨道强度或养护的视点出发，确保所 设计的结构满足列车荷重所引起的变形和沉降的限制值；对于土质路基，其可 能产生较大沉降且至今为止很难预测其长期沉降量，所以在我国一直没有引入 应用于土质路基的无碴轨道。但是，在用地费便宜的区间、隧道前后没有取土 场地的情况下，将无碴轨道应用于土质路基不仅从成本上并且从工程规划上也 是有利的。因此，有关在土质路基上应用无碴轨道的后继研究一直进行下来了。 在日本，从七十年代开始了在土质路基上铺设无碴轨道的尝试，并采用了 多种轨道结构形式，但所有这些都处于试验性研究阶段，并且铺设的长度非常 短，属于资料的积累阶段，而且由于没有统一的规范，有的地方采用优良填料 和严格的施工管理，所得的结果就很好。而一些地方是以有碴轨道的规范作参 考进行路基填筑，当然所得的结果不尽如人意。这主要是由于一部分铁道建设 技术人员错误的认为无碴轨道的土质路基只要具有有碴轨道路基的承载力就不 会有什么大问题，以有碴轨道的规范作参考进行无碴轨道路基填筑，当然就不 能够保证设计所要求的效果。 从各种试验及跟踪调查的结果来看，只要满足一定的地基条件、采用适当 的填料和进行适当的施工管理，把由列车荷载所引起的变形及轨道沉降控制在 容许值范围内是可能的。在日本北陆新干线( 高崎长野) 的土质路基区段铺设 1 0 8 公里的板式轨道，1 9 9 7 年l o 月首次作为高速轨道投入使用。由此作为开 端，一直被限定在隧道和高架桥等区间的无碴轨道的适用领域，事实上扩大到 土质路基领域。 至今为止，已开发或正在进行研究的土质路基上的无碴轨道已存在许多形 式。在日本，土质路基上应用成功的无碴轨道有二种形式：第一种是沥青混凝 土路面r a 形板式轨道，1 9 7 1 1 9 7 8 年在日本1 4 个地区轨道延长2 3 公里的试 验路线铺设，除了施工部分路面条件极差的区间外，在良好区间的无碴轨道到 达了变形小，养护少的效果；第二种是混凝土路面a 形板式轨道，北陆新干线 ( 高崎长野) 间轨道延长1 0 8 k m ，到现在为止，基本上能够达到既有桥梁上 的板式轨道同等的功效。在德国，到1 9 9 7 年为止，枕木直结型轨道放大量铺设， 其沥青路面形6 6 k m , 混凝土型约8 6k m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 综上所述，表1 2 列出了几组推荐的无碴轨道的路基结构的组合形式。在 进行轨道铺装时，主要分成沥青铺装( 柔性铺装) 和混凝土铺装( 刚性铺装) 。 一般具有表1 3 所列的特征，这些特征在无碴轨道的路基中也基本适用。既混凝 土基础由于具有很大的抗弯刚性，高耐久性，所以对变形要求高的高速铁路是 比较有利的；在德国，由于混凝土基础的建设成本比沥青基础的建设成本要高 3 0 左右，所以对于通过吨位比较少的区间，采用沥青基础就比较有利。综合上 述，以上的二者的优缺点如表1 4 所示。 遂渝线无碴轨道综合试验段无碴轨道的铺设采用板式和双块式类型无碴轨 道以及钢筋混凝土基础。 表1 2各种无碴轨道结构 轨道铺装类型 轨道结构 沥青混凝土基础钢筋混凝土基础 l l a 型扳式轨道o 型板式轨道 o 长枕直结轨道oo c 形铺装轨道o ( 注) ：有铺设应用，推荐选用；：有铺设应用；0 ：没有铺设应用。 表1 3沥青混凝土基础和钢筋混凝土基础的比较 类别沥青混凝土基础钢筋混凝土基础 易施工 使用年限较长 优 平坦性好抗弯刚性大。7 点 不需要设置伸缩缝养护费用低 良好的乘车舒适度 路面耐磨耗性好 使用年限较短 初期投资较大 材料的感温性高 养护时间长 缺 路面的耐磨耗性差 易开裂 易产生车辙 原则上需设置伸缩缝 点 养护费用高 乘车舒适度差 均质性差 噪音比较大 不易维修 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表1 4 两种推荐选用的路基结构组合形式的优点 沥青混凝土基础上的r a 型板式轨道钢筋混凝士基础上的a 形板式轨道 不需设置伸缩缝、不需要养护 荷载分散效果好，变形小 沥青混凝土基础不易开裂 耐久性高 建设费用低 适用于标准a 型轨道板块 易施工 根据需要易设防振装置 扳块与下部路床的变形整合性较好 感温性低 易维修 1 1 3 无碴轨道应用于土质路基存在的主要问题 高速铁路的轨道与路基基础密切相关，法国认为路基的技术状态是保证轨 道稳定性的重要因素，修建巴黎东南干线时，对填筑路基特别重视，严格监 测土壤的含水量，以确定路基填土层的最佳厚度以及夯实机的辗压次数，并考 虑到施工期间的气象条件。在修建线路的每一个阶段，都要监测路基的变形情 况。而日本在修建第一条高速铁路即东海道新干线时，由于对路基问题重视不 够，自1 9 6 4 年通车后，相继在2 9 k m 的土质路基地段发生了大量的道床翻浆冒 泥等病害，造成轨道的不均匀沉陷，使运营的最高速度由2 1 0 k m h 下降到 1 6 0 k m h ，甚至降到9 0k m h ll o k m h ，不得不花费大量的人力物力进行整治。 因此，作为高速铁路的轨下结构必须采取综合强化的措施，以确保路基和道床 的良好性能，提高轨道的抗残余变形和抗位移的能力。 将无碴轨道应用于土质路基的最大问题在于，填筑土质路基使用的材料主 要是自然土，其工程性质与桥梁等混凝土结构是不可同日而语的，并且又是大 规模的野外旖工，所以要确保土质路基的设计性能有相当大的困难，另外施工 的质量也影响其性能。设计工作中必须确保路基面的沉降不超过将无碴轨道的 经济性、安全性考虑在内的沉降量。无碴轨道客运专线铁路设计规定，路基工 后沉降量不得大于3 0 m m ，任意路基地段2 0 m 长度范围的不均匀沉降不得大于 2 0 m m 2 0 m ，则意味着它比普通线路要求更小的压密沉降和工后沉降。所以其填 筑要求、填筑工艺、填筑工程质量管理和测试方法变得更为重要。 路基面沉降是由土性、压实度、饱和度、环境和外载等多方面因素综合作 用的结果，无碴轨道的路基面沉降由三个方面所引起：( 1 ) 路堤荷重等恒载所 引起的地基的沉降；( 2 ) 路堤自身的压密沉降；( 3 ) 列车荷载所引起的路堤沉 降。这就是说，为了把沉降控制在某一允许值范围，采用下面三个方面措施是 至关重要的：( 1 ) 确保良好的支撑地基；( 2 ) 使用良好的路基填料；( 3 ) 设计 能尽可能的分散列车荷载的路基结构。因此，如表1 ，5 所示，在无碴轨道中所 采用的允许值比有碴轨道严格得多，这些允许值都是根据以往路基部分的沉降 测定值，北木坚新干线山区线区等现场试验的沉降特性试验结果等所决定的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表1 5路基施工管理标准及支持地基条件 有碴孰道 无碴轨道 上部路 a 类，b 类 路堤堤 原则上a 类 填料下部路 a 类，b 类，c 类 堤 k 1 l o l o i m 且 上 l ( 舯7 0 酬m 3 且最大密度比9 5 以上 部 最大密度比9 0 以上或者1 5 0 心厢 路 或者b 1 1 0 删珥3且最大密度比9 0 以上 压 堤 密 最大密度比9 0 以上或者 管细粒分5 0 以上且孔隙率 路理 下 最大密度比： 部、 吒墨1 0 堤砾：9 0 以上 路 细粒分2 0 5 0 且孔隙率砂：9 5 以上 堤 ， u o 墨1 5 岩石地基无条件 洪积层砾质土无条件 支地砂质土。n 值1 0 洪积层砂质土n 值2 0 持基火山灰土n 值 1 3洪积层粘性土n 值4 条。条粘性土n 值 4冲积层砾质土n 值2 0 件件能改良的软弱地基冲积层砂质土n 值2 0 冲积层粘性土h 值 1 4 路 路 施工基面下3 m 以内的不含有软施工基面下抽以内不含有n 床 堑弱冲积细粒土层值小于4 的软弱冲积土层b 条 k 痧7 0 t l n m 3 1 1 0 i 州m 3 件 大量的调查表明，路基填土的压密沉降属永久沉降，是由填土自重( 包括轨 道上部建筑) 引起的。它发生在两个时间段，一是施工阶段的沉降；二是施工完 成后发生的沉降，也就是工后沉降。工后沉降量太大，说明填土的压实密度不 足、强度低，容易形成不均匀变形，甚至产生病害。路堤的填土工后压密沉降 与填土的压实度和填土高度有关。实测资料表明：路堤工后压密沉降为填土高度 的0 1 o 3 ( 粗粒土、碎石类土) 、0 3 o 5 ( 细粒土) 和0 5 1 ( 粘性土) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 且压实度越高，沉降量越少。德国和日本对于一般岩土使用下式计算填土压密 沉降量： j = ( i - 1 ) 上式中：s 为压密下沉量( m ) ； 为填土高度( m ) 。 传统的路基碾压质量的管理主要是采用平板加载试验的k 值即土的刚性评 价来进行的；无碴轨道的土质路基采用路基压实密度来管理，同时为确保土的 刚性，外加k 值的监测来进行路基碾压质量管理。因此，如果采用合理的填筑 要求、填筑工艺、填筑工程质量管理和测试方法以及合适的路基填料，路基本 体的沉降是可以得到控制的。 因此，支撑地基的状况成为在土质路基上建造无碴轨道的关键技术，尤其 在软弱地基上采用无碴轨道，更成为急需解决的工程难题之一。在无碴轨道地 基设计和施工阶段对技术人员精确和综合的判断力有非常高的要求。对于路堤 工后沉降量计算，即使采用最高精度的计算方法，由于计算参数是由土的种类 及状态所决定的，所以即使在日本、德国等在土质路基上无碴轨道应用技术领 先的国家，现阶段也很难对工后沉降量进行精确的预测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 2 研究背景 1 2 1 高速铁路的发展 铁路列车运行速度不断提高成为世界高速铁路发展的必然趋势。1 9 6 4 年1 0 月1 日，世界第一条高速铁路日本东海道新干线建成通车，列车最高运行速度 达到2 1 0 k m h 。日本新干线累计长度达到2 0 4 8 8 k m 。东京大板的运行时间从 过去的6 h 3 0 m i n 缩短到3 h 。法国t g v 高速铁路累计长度为1 5 7 6 k m 。巴黎和里 昂是法国两个最大的城市，连接两座城市的t g v 东南线于1 9 8 1 年( 南段) 和1 9 8 3 年( 北段) 分别投入运营，最高运行速度达到2 7 0 k m h 。巴黎至里昂3 9 0 k m ，旅 行时间仅为2 h ，比过去缩短一半。德国i c e 高速铁路累计长度9 1 7 k m 。德国第 一条高速铁路是汉诺威维尔茨堡、曼海姆斯图加特。汉诺威维尔茨堡线 路全长3 2 7 k m ，曼海姆斯图加特全长1 0 7 k m 。在保证中途停站不变情况下，使 汉诺威斯图加特的旅行时间缩短到原来的6 8 ，使法兰克福到斯图加特的旅行 时间缩短到原来盼6 4 。近几十年来国外在隧道、高架桥和路基结构上的各种无 碴轨道结构有了很大的发展。从国外高速铁路实践经验来看，德国、日本等国 家的高速铁路以修建无碴轨道为主。日本新建铁路的无碴轨道已超过全线的 8 0 ，德国新建高速铁路的无碴轨道占全线总长的7 0 以上，法国地中海也已经 开始试铺无碴轨道。国外分析认为，在新线建设中采用无碴轨道，可使线路设 计的总建筑高度和总宽度有所减小，有利选线，并减少桥梁二期恒载和隧道开 挖断面，此外，无碴轨道的日常养护维修工作量仅为有碴轨道的1 0 左右，因此 从经济角度和应用效果看，较多专家认为，客运专线宜采用无碴轨道结构。 在我国，铁路提速也在如火如茶的进行中。随着9 条客运专线的立项，新 一轮的高标准铁路工程建设将于2 0 0 5 年初拉开帷幕。按铁路跨越式发展的思路， 9 条客运专线的线下工程都将以设计时速3 5 0 1 m h 的高速铁路标准建设，并且大 面积采用无碴轨道，这给我国铁路的设计和施工带来了新的课题。 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，高速铁路路基除应具备一般铁路路基的基本性能之外，还需要满足 高速铁路轨道对基础提出的性能要求。不仅要求静态平顺，而且还要求动态条 件下平顺。 一 一般铁路路基是以强度控制设计，而对于高速铁路，变形控制是路基工程 设计的主要控制因素。因为在强度破坏前，可能已出现了不容许的过大变形。 列车速度越高，要求路基的刚度越大，弹性变形越小。但刚度过大也会使列车 振动加大，也不能平稳运行。路基刚度的不平顺则会给轨道造成动态不平顺， 所以，要求路基在线路纵向做到刚度均匀、变化缓慢，不允许刚度突变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 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。 以上的几点要求，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。具体表现在有一个强度高、刚度大的路基基床，沉降很小的地 基以及沿线路方向平缓变化的刚度等三个方面。鉴于以上特殊要求，土质路基 上采用无碴轨道成为解决问题的有效手段。随之而来的是如何在土质路基上应 用无碴轨道，这已经成为我国高速铁路发展急需解决的技术难题之一尤其软 土地基条件下的路基设计与施工将是建设高速铁路必须解决的关键技术问题。 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，地基沉降问题突出，过大的沉降量影响轨道的稳定和平顺，而且沉降发 展持续时间较长，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、安全运行。因此，适用于 不良地基条件下的无碴轨道桩板结构路基和桩网结构路基应运而生。这两种新 型路基结构形式的应用特性成为具有研究价值的课题。遂渝引入工程无碴轨道 综合试验段包含了此两种新型路基结构形式，以研究其应用特性。 1 2 2 遂渝线铁路概况 遂渝铁路是西部铁路建设的第一条城际问准快速通道，以它的为标志掀起 了西南地区新一轮铁路建设高潮。遂渝铁路经过川中丘陵、川东南低山两个地 貌单元。合川以西为四川盆地典型的连绵红色丘陵地貌，软土广泛分布于丘间 槽谷，深层天然气蕴藏量大；合川以东呈平行岭谷地貌，不良地质主要有煤层 瓦斯、煤窑采空区、岩溶等。 遂渝铁路西起既有的达成铁路遂宁站，途经四川省和重庆市的潼南县、合 川市、北碚区，东至既有襄渝铁路北碚站引入重庆铁路枢纽。遂渝铁路设计标 准为国家i 级电气化铁路，单线预留双线条件，设计列车速度为1 4 0 公里小时， 远期为1 6 0 公里小时，建设工期为三年。 遂渝铁路由铁道第二勘察设计院设计，成都铁路局遂渝铁路建设指挥部负 责建设管理。设计标准为国家i 级电气化铁路，最小曲线半径1 6 0 0 米，单线设 车站1 2 个，输送能力客车2 0 对日、货运6 5 0 x 1 0 4 t 年，投资4 4 亿元，2 0 0 5 年建成。 1 2 3 遂渝线无碴轨道综合试验段概况 遂渝线无碴轨道综合试验段范围为：遂渝引入工程龙风隧道进口至蒋家桥 大桥，d k l 2 6 + 1 8 3 d k l 3 8 + 8 9 3 ( 含有碴、无碴轨道过渡段) ，正线全长1 2 6 4 5 k m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 根据遂渝线无碴轨道综合试验段现场调研会议纪要，试验段内蔡家站襄渝引 入工程与遂渝引入工程并行合建地段d k l 2 6 + 1 8 3 d k l 2 6 + 6 0 0 、d k l 3 4 + 4 0 7 d k l 3 8 + 8 9 3 的线下工程，均按无碴轨道设计标准与试验段一并建成，合建地段襄 渝引入线长度4 9 0 3 k m 。 1 3 主要研究内容 本文是铁道第二勘察设计院科研项目“遂渝线无碴轨道综合试验段关键技 术试验研究一一遂渝线无碴轨道线下工程关键技术试验研究 合同编号： 2 0 0 5 k 0 0 4 - c ( g ) ”的一项内容。在该课题的资助以及导师的指导下，开展了相 关工作，具体安排如下： 第一章：绪论，介绍了无碴轨道的发展概况，重点介绍了无碴轨道应用于 土质路基的研究现状，另外介绍了本文的选题背景和意义。 第二章：介绍了离心模型试验的国内外发展状况，重点介绍了离心模型试 验的相似原理、误差分析以及无碴轨道桩板结构和桩网结构路基离心模型试验 的相似原理。 第三章：涟渝线无碴轨道桩板结构路基的初步设计，离心模型试验的模型 设计制作以及此路基结构沉降特性和桩土相互作用特性的讨论。 第四章：逑渝线无碴轨道桩网结构路基的初步设计、两组离心模型试验( 对 应原型桩距分别为为2 m 和3 m ) 的模型设计制作以及试验测试结果，并对不同桩 距的桩网结构路基的沉降特性和桩土相互作用特性进行了对比分析。 第五章：结论与展望，归纳了本论文的主要研究成果，并对以后的研究工 作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第二章离心模型试验原理 2 1 土工离心模型试验的国内外发展状况 在进行岩土工程模型试验时，由于模型尺寸相对原型尺寸有较大的缩小， 故对于一些以自重为主要荷载的结构不能反应原型的应力状态，使得模型不能 很好的反应原型所发生的现象。远在蒸汽机时代，瓦特o w a t t ) 就建议用高重 力场来模拟建筑物的自重效应，但由于未提出明确的方法，此技术未能实现。 1 8 6 9 年法国人e p h i l l i p s 根据弹性体的平衡微分方程，推导出原型和模型之间具 有相同性状的相似关系。在这些平衡中，当重力为主要因素时，他建议用离心 机来增加模型的重力，以达到这种相似性。为此，他明确提出了设计离心机的 一般原理，并建议将他的设想用来对横跨英吉利海峡的大钢桥进行可行性研究。 这样离心模型试验在工程中应用的思想开始形成了 2 1 1 国外发展现状 1 离心模型试验设备 虽然早在1 8 6 9 年e p h i l l i p s 就提出了离心模型试验的设想，并建议用其对 横跨英吉利海峡的大钢桥进行验证，但限于当时的条件，没有得到应用。此后 一直沉寂了6 0 余年，直到2 0 世纪3 0 年代，这一概念才在美国和前苏联重新提 出并开始进行试验工作。1 9 3 1 年美国人b u 在哥伦比亚大学将此技术用于矿cky 山模型试验时，所用的离心机半径仅2 5 c m ，因机器过小，难以进行定量观测模 型变化，也就没有继续进行下去。1 9 3 2 年p o k r o v s k y 和f e d o r o v 在前苏联又重 新提出使用此项技术，在此后的2 0 多年间先后建造了半径l m 左右的小离心机 8 台，虽然6 0 年代后期建置的离心机规模稍大j 半径达到2 - 2 5 m ，井于1 9 7 4 年在巴库建成前苏联最大的离心机，半径5 5m ，容量达到15 0 0 9 t ，但由于其 结构形式较为单一，加之测量设备较为简单，限制了它在岩土工程研究领域中 更大的发展。 2 0 世纪6 0 年代后期，继美国和前苏联之后，日本和英国又开始了离心模型 试验的研究工作。日本从1 9 6 5 年在m m i k a s a 的领导下建立了第一台离心机到 1 9 8 0 年建成容量3 0 0 9 - t 的大型土离心机，经过近2 0 年的发展在不同研究机构 建成了容量不等、数量众多的离心机，初步形成了一定的规模。其中日本大阪 市立大学离心机用安装在模型箱底部的水箱来控制模型中的水位，运转过程中 并可使模型箱在1 6 7 。范围内倾斜来模拟水平向地震力的作用。同时英国也在 s c h o f i e l d 等的领导下建立了近1 0 台离心机，并形成了剑桥大学( c a m b r i d g e u n i v e r s i t y ) ，曼彻斯特大学( m a n c h e s t e ru n i v e r s i t y ) 和利物浦大学( l i v e r p o o l u n i v e r s i t y ) 三个离心模型试验中心。这一时期离心机性能开始有显著提高，如剑 桥大学1 0 8 9 - t 离心机采用可控硅恒速装置，使调速精度优于1 ，吊篮形式也由 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 过去习惯采用的固定式改为摆动式，并首先配备了一种称为颠簸道路式的激振 装置进行动力离心模型试验。 2 0 世纪8 0 年代以后，离心模型在美国、德国、法国、荷兰、意大利等国相 继开始得到不同程度的发展，使国际上离心机不仅在数量上有了显著的增长， 而且在容量上也有了长足的进步。其中美国山原宇航试验中心离心机改装成的 国家离心机，半径9 2 m ，容量达到1 0 8 0 9 - t ，这一时期离心机的加速度也开始加 大。如意大利1 9 8 7 年建成的试验模型与结构研究所o s m e s ) 离心机最大设计加 速度达6 0 0 9 ，但由于实现设计的运行条件较难，该机在建成后仅在较低加速度 下运行。 近年来，随着离心模型试验研究的深入，国际上离心机的建造逐渐开始向 专业化方向发展。如东京技术学院为进行土一水一结构的界面问题的研究，于1 9 9 8 年建造了直径2 2 m 的鼓式离心机，并进行了相关问题的研究；加拿大皇后大学 矿业土程系为研究同矿山有关的问题，建造了一台容量3 0 9 t 的离心机，该机的 主要设备均为矿山问题研究专门设计，可以进行岩爆、冻土工程、尾矿坝等问 题的研究；美国国家工程和环境实验室为进行环境问题研究建造了一台容量 5 0 9 - t 的离心机，该机的数据采集系统采用光纤传输，并配各了一系列设备使之 可以进行诸如水文和生物岩土工程等与环境有关的研究工作。此外，适应大型 工程研究的需要，大型离心机的数量持续发展，如日本大林株式会社技术研究 院于2 0 0 0 年建造了一台容量7 0 0 9 - t 的大型离心机，并配备有最大加速度5 0 9 的 振动台，该机能在运转中自行调节2 0 9 - t 的小平衡配重。 离心机数量的增加和大型化、专业化的发展趋势，使世界上逐渐形成了数 个专门的离心模型试验中心，并形成了各自的特色。 。 2 模型制备技术 早期的离心模型材料主要采用通过适当的缩尺方法后的土石等原型材料为 主，但随着岩土工程问题的复杂化，在进行离心模型试验的过程中经常遇到诸 如而板堆石坝中的混凝土面板、防渗墙、挡土墙、加固中的土工织物、混凝土 管等，这些结构由于本身较薄，原型结构按模型率缩尺后用原型材料很难制作， 这样就需要根据所要研究的主要问题按一定要求用代用材料来近似模拟。如混 凝土防渗墙、混凝土面板等是一种承受压弯作用的复杂受力构件，由几何尺寸 来看更符合弹性薄板的变形条件，此时根据板的受弯和面内轴向受力的条件， 采用抗弯刚度相同的替代材料如合金铝板进行模拟，又如土工合成材料加筋的 模拟，对于砂井等一般可用透水性很强的粗化纤毛线或纸质排水芯来模拟，对 于以排水为主的土工织物垫层也可用透水性较好的纸质替代物，而对以加筋为 主( 如加筋挡墙) 的土工合成材料的模拟则可按强度相似的原则选择替代物。 3 量测仪器 由于离心模型试验的特殊工作性质，使所有的试验数据的采集和模型的观 测只能通过量测仪器进行，所以量测仪器一直是离心模型试验的重中之重。早 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 期人们为了研究土及其结构物的工程性质研制出了如孔隙水压力计、土压力计、 位移传感器、加速度传感器等设备，后来为环境岩土工程研究的需要又开发出 了温度传感器、浓度传感器等，近年来激光类、光纤类等高精度、非接触式的 量测仪器以及为特定的试验目的而研制的专用传感器逐渐应用到离心模型试验 中来。随着当代图像分析技术的飞速发展，此项技术也逐渐应用到了离心模型 试验上来，如利用数字照相技术把试验过程记录为高清晰度的数字图像，然后 利用计算机图像处理技术进行分析，可得出相应的位移曲线、扩散曲线等，该 方法的精度已能达到毫米级，作为一种非接触式量测技术目前正在被广泛使用。 量测仪器的发展除了表现为功能的增强外，还表现为体积和质量的减少，以目 前常用的土压力传感器为例直径仅小到5 m m ，质量也小过数克，这些都在很大 程度上降低了量测仪器对试验结果的影响。 4 数据采集技术 离心模型试验技术对数据采集系统的要求甚高，该系统的主要功能是从高 速旋转的离心机中，准确、及时的采集、传输和记录模型试验的有关数据。其 主要由数据采集、滤波、放大、传输和记录几部分组成，其传输方式可分为模 拟信号传输和数字信号传输两大类。早期传输方式主要为采用机械接触式滑环 的模拟信号传输，这种传输方式虽然较为简单但碳刷接触点的不稳定性容易在 数据传输中引入噪音，长距离传输误差大，影响了数据的质量。而数字信号传 输方式则克服了上述缺点，已成为土工离心模型试验主要的数据采集传输方式， 目前国际上主要采用非接触式的光纤滑环，其中也有部分实验室采用基于局域 网技术的无线传输方式。 5 应用领域 在早期的离心模型试验中，边坡稳定性的研究占有明显的优势，如在2 0 世 纪3 0 年代，离心模型这概念在前苏联和美国被提出的时候，首先考虑将它应 用到当时的主要工程矿山和边坡工程当中。直到1 9 6 9 年在离心模型设想提 出百年之际，第七界国际岩土工程和基础会议( ( i s s m f e ) i - 发表的三篇关于离心 模型的文章也均是关于边坡稳定方面的。 ，2 0 世纪8 0 年代以后，随着世界各国离心机的大量建置和国际环境的和平化 倾向，土工离心模型试验在岩土工程领域的应用日趋广泛，内容涉及土石坝、 地下支挡结构、软土地基、土工合成材料加筋挡墙、岩石边坡稳定、海洋石油 平台、隧洞开挖、冻土工程、环境土力学、爆炸模拟、地震及液化模拟等诸多 方面。 近年来，离心模型试验除在传统工程领域如大坝、边坡及挡土墙、地基基 础和隧洞、地基处理等方面的研究继续深入外，得益于量测仪器的发展和模型 制备技术的提高，在环境岩土工程、地震工程等新的研究领域也取得了很大进 展。 西南交通大学硕士研究生学位论文 + 第1 4 页 2