（道路与铁道工程专业论文）京沪高铁济南西客站基坑降水对复合地基沉降影响的研究.pdf

r i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期：m 声月谚日 iy 中图分类号：u 2 1 3 1 u d c ：6 2 5 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 京沪高铁济南西客站基坑降水对复合地基沉降影响的研究 s t u d y o nt h ee f f e c to ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t u n d e rf o u n d a t i o np i td e w a t e r i n gi nw e s tj i n a nr a i l w a ys t a t i o n o fb e i j i n g s h a n g h a ih i g h s p e e dr a i l w a y 作者姓名：张利民 导师姓名：王连俊 学位类别：工学硕士 学 职 学位级 号：0 8 1 2 1 7 5 8 称：教授 别：硕 士 学科专业：道路与铁道工程研究方向：路基工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 r。卜。 j 致谢 本论文的工作是在我的导师王连俊教授的悉心指导下完成的，王连俊教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 王连俊老师对我的关心和指导。 王连俊教授悉心指导我们完成了项目现场的监测工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向王连俊老师表示衷心的谢意。 在现场监测工作及撰写论文期间，栾光日博士、姜龙博士、丁桂伶博士、张 光宗博士、邓兆俊、王旭、王婷、姜良、刘莉和潘意等师兄师姐以及秦洪雨和王 慧彬等同学对我在现场监测及论文撰写工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 另外对中铁十二局集团的领导和技术人员表示衷心感谢，在他们的帮助和支 持下，使我们前期能够顺利进行仪器的埋设以及完成后期现场监测和数据的采集。 1 中文摘要 中文摘要 本论文以京沪高速铁路为依托，立足于铁道部京沪高速铁路深厚软土、松软 土地段复合地基关键技术试验研究课题，以济南西客站站场路基现场监测试验为 工程背景，结合地质勘测资料，对基坑施工中降水对复合地基的影响进行分析。 京沪高铁贯穿我国环渤海经济带和长江三角洲经济区，沿途经过河北、山东、 安徽和江苏等省，连接北京、上海两大城市，具有重要的经济和政治意义。 本论文在现场监测数据的基础上，通过对不同工况( 是否受基坑降水影响) 下路基的沉降变形规律进行对比分析，并对采用双曲线法对相应断面的最终沉降 量预测值与现场实测值进行对比，确定基坑降水对路基沉降的影响及影响程度， 为以后类似工程提供经验和建议。 通过对a 断面和c 断面沉降板变化趋势、分层沉降实测数据、超孔隙水压力 变化特征进行对比，确定了基坑降水对路基表面沉降和不同深度沉降的影响及超 孔隙水压力的消散规律。 采用双曲线法对c 断面沉降板和分层沉降在受降水影响前后的最终沉降值 进行预测，通过对比，得出了基坑降水对路基表面及不同深度固结度的影响程度。 在基坑降水影响前，c 断面地基表面已经趋于稳定，受降水影响，各点均又 产生了较大的沉降，延缓了路基表面的沉降趋稳趋势。分层沉降观测数据表明， 基坑降水前地基内各深度均己趋于稳定状态：但随着基坑降水的进行，排水层以 上各点均受较大影响，并且距离路基表面越近影响越大。 关键词：高速铁路；复合地基；地基表层；地基沉降；基坑降水 1 a b s t r a c t a bs t r a c t t h i st h e s i sb a s e do nt h eb e i j i n g - s h a n g h a ih i g hs p e e dr a i l w a y ，e s t a b l i s h e di n t h er e s e a r c ht o p i c so ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fd e e ps o f ts o i la n ds o f ts o i ls e c t i o n s c o m p o s i t ef o u n d a t i o nh o l d e db ym i n i s t r yo fr a i l w a y s ，w es e tt h ef i e l dm o n i t o r i n gt e s t o fj i n a nw e s tr a i l w a ys t a t i o ns u b g r a d ea st h ep r o j e c tb a c k g r o u n d ，a n dc o m b i n e dw i t h t h eg e o l o g i c a ls u r v e yi n f o r m a t i o n , t oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ed e w a t e r i n go f f o u n d a t i o np i tt ot h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h eb e i j i n g - s h a n g h a ih i g hs p e e dr m l w a yr u nt h r o u g ht h eb o h a ie c o n o m i cz o n e a n dt h ey a n g t z er i v e rd e l t ae c o n o m i cz o n eo fo u rc o u n t r y a l o n gt h ew a yt h r o u g h h e b e i ，s h a n d o n g , a n h u ia n dj i a n g s up r o v i n c e s ，c o n n e c tt h et w ol a r g e s tc i t yo fb e i j i n g a n ds h a n g h a i ，h a si m p o r t a n te c o n o m i ca n dp o l i t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ed a t ao fs p o ts u r v e y , c o n t r a s ta n da n a l y s i st h es e t t l e m e n t a n dd e f o r m a t i o no r d e r l i n e s si nd i f f e r e n tc o n d a t i o n s ( w h e t h e ra f f e c t e db yd e w a t e r i n go f t h ef o u n d a t i o np i t ) o ft h es u b g r a d e ，t h e nc o n t r a s tt h ef i n a lm e a s u r e m e n tf o r e c a s t e db y h y p e r b o l i cm e t h o dw i t ht h ef i l e dd a t 氖m a k es u r et h ei n f l u e n c ea n dt h ed e g r e ef o rt h e d e w a t e r i n go ff o n u d a t i o np i tt ot h es u b g r a d es e t t l e m e n t p r o v i d ee x p e r i e n c ea n da d v i c e f o rf u t u r es i m i l a rp r o j e c t s b yw a yo fc o n t r a s tt h ev a v i a t i o nt r e n do ft h es e t t l e m e n tp l a n k , t h ea c t u a l m e a s u r e m e n td a t af o rd i f f e r e n tl a y e r sa n dt h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ec h a r a c t e r t h r o u g hs e c t i o na w i t hs e c t i o nc ，e s t a b l i s ht h ee f f e c t i o nt os u b g r a d es u r f a c es e t t l e m e n t a n di nd i f f e r e n td e p t ha n dt h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ef e a t u r e sf o rt h ed e w a t e r i n go f f o u n d a t i o np i t w ea d o p th y p e r b o l i cm e t h o dc a l c u l a t et h ef i n a ls e t t l e m e n tf o rt h es e t t l e m e n tp l a n k a n dd i f f e r e n tl a y e r sw h e t h e re f f e c t e db yd e w a t e r i n go fs e c t i o nc ，b yc o n t r a s t ，r e a c h e d t h ei n f l u e n c ed e g r e et ot h es u b g r a d es u r f a c ea n dd i f f e r e n td e p t hb yd e w a t e r i n go f f o u n d a t i o np i t t h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n to fs e c t i o nch a sb e e ns t a b i l i z e db e f o r ei n f l u e n c e d b yd e w a t e r i n g t h e ne v e r yp o i n t sa p p e a r sm o r es e t t l e m e n ta f f e c t e db yd e w a t e r i n g , d e l a y e dt h es e d i m e n t a t i o nt r e n do ft h es u b g r a d es u r f a c e t h o u g ht h ed a t ao fd i f f e r e n t l a y e r sw ec a nf i n dt h a tt h es e t t l e m e n to fe v e r yd e p t hh a sr e a c h e das t e a d ys t a t eb e f o r e d e w a t e r i n g b yd e w a t e r i n go ff o u n d a t i o np i t ，t h ep o i n t sa b o v et h ed r a i n a g el a y e ra l l h a v eac o n s i d e r a b l ei n f l u e n c ea n dt h es h o r t e rd i s t a n c ew i t ht h es u b g r a d es u r f a c et h e a b s t r a c t m o r ei n f l u e n c e k e y w o r d s ：h i g hs p e e dr a i l w a y ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；s u b g r a d es u r f a c e ；s e t t l e m e n t ； d e w a t e r i n go ff o u n d a t i o np i t v i i i 中文摘要v a b s t r a c t v i i 目录i x 1 绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究目的2 1 1 3 研究意义3 1 2 研究现状4 1 3 高速铁路软土路基沉降变形机理6 1 3 1 软土路基沉降变形组成7 1 3 2 软土路基沉降变性特点：8 1 3 3 软土路基沉降变性规律9 1 4 研究内容及研究技术路线1 0 1 4 1 主要研究内容l o 1 4 2 研究技术路线l o 1 5 本章小结1 2 2 济南西客站站场沉降试验段工程概况1 3 2 1 济南西客站工程概况1 3 2 1 1 地理位置特征1 4 2 1 2 工程地质及水文地质条件1 4 2 1 3 地基处理方案1 6 2 2 济南西客站现场试验方案1 6 2 2 1 试验断面选取1 6 2 2 2 试验仪器的种类及现场布置1 7 2 3 主要监测元件测量原理2 0 2 3 1 沉降板测量原理2 0 2 3 2 分层沉降仪测量原理2 1 2 3 3 剖面沉降管测量原理2 2 2 4 现场测试情况2 4 2 5 现场路基填筑情况2 5 目录 2 6 本章小结2 6 3 地基沉降变形规律2 7 3 1 地基表面沉降板变形规律2 7 3 1 1a 断面沉降板变化趋势图2 7 3 1 2b 断面沉降板变化趋势图2 8 3 1 3c 断面沉降板变化趋势图3 0 3 2 地基表面横向全断面变化规律3 1 3 2 1a 断面横向剖面管沉降曲线图3 2 3 2 2b 断面横向剖面管沉降曲线图3 3 3 2 3c 断面横向剖面管沉降曲线图3 4 3 3 地基分层沉降变形规律3 5 3 3 1a 断面分层沉降变化情况3 5 3 3 2c 断面分层沉降变化情况3 7 3 4 本章小结4 0 4 基坑降水对路基沉降影响4 1 4 1 基坑降水概况4 1 4 1 1 基坑降水的适用条件4 1 4 1 2 基坑降水的作用4 1 4 1 3 基坑降水对周围环境的影响4 2 4 2 基坑降水对复合地基影响4 2 4 2 1 基坑降水对路基表面沉降影响一4 3 4 2 2 基坑降水对分层沉降的影响4 5 4 2 3 基坑降水对超孔隙水压力的影响4 7 4 3 本章小结5 0 5 基坑降水对地层固结度的影响5 1 5 1 饱和软土地基一维非线性固结方程及其分析5 1 5 1 1 单向渗流条件下固结的非线性普遍方程5 1 5 1 2 饱和软土地基一维非线性固结沉降分析5 6 5 2 基坑降水作用下地面沉降机理5 8 5 2 1 降水作用下土体的变形机理5 9 5 2 2 降水前后土层有效应力的变化6 0 5 3 降水作用下复合地基固结度分析6 2 5 3 1 双曲线预测法6 2 目录 5 3 2 基坑降水对路基横断面地层固结度的影响6 4 5 3 3 基坑降水对分层沉降固结度的影响6 6 5 4 本章小结6 9 6 结论与展望7 l 6 1 结论7 1 6 2 展望7 2 参考文献7 5 作者简历7 9 独创性声明8 1 学位论文数据集8 3 j， 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着国民经济迅猛发展，社会主义现代化的全面建设，对交通方式如铁路、 公路和民航等需求显著增加，特别是为了提高运输效率，实现客货分离，近几年 大规模客运专线和高速铁路建设日益增多。 京沪高速铁路是中长期铁路网规划中投资规模最大、技术含量最高的一 项工程，也是中国第一条具有世界先进水平的高速铁路，正线全长约1 3 1 8 公里， 与既有京沪铁路的走向大体并行，位于我国东部沿海地区，线路主要经过海河、 黄河、淮河及长江中下游冲积平原，沿线广泛分布第四系松散堆积层，厚度可达 数百米，地层成因类型多样、埋藏规律复杂，工程性质差，是目前在建高速铁路 中地基条件最为复杂的一条高速铁路。全线路基地段长约2 3 0 k m ，占全线总长的 1 7 5 左右，地基处理总长约8 5 k m e 。 京沪高速铁路以北京南站为起点，途径天津、河北、山东、安徽、江苏五省 市，终点站为上海虹桥站，全长1 3 1 7 8 4 k m ，连接环渤海经济圈、胶东半岛经济区 和长三角经济带，将华北平原和华东平原有机联系在一起，沿途是我国经济基础 最好、发展最活跃和最具潜力的地区，且地处亚欧大陆桥东端和东北亚经济圈中 心位置，不仅是我国东部地区带动中西部地区经济发展的龙头，也是我国经济对 外开放、参与国际竞争的前沿阵地，在整个国民经济发展和社会发展中具有重要 的战略地位。京沪高速铁路的建设不仅将在很大程度上缓解东部沿海地区交通运 输的紧张局面，缩短城市之间的距离，同时还将促进京津冀、环渤海经济区和长 江中下游地区的融合，形成一条以北京为政治文化中心，上海为国际经济、金融、 贸易和航运中心的经济带，加速沿线地区的城市化进程；加强东部地区对西部地 区，乃至全国的经济辐射和带动效应，带动铁路及其相关行业的技术进步，促进 经济社会的全面发展。 京沪高速铁路的建设，不仅将开启中国铁路高速新时代，对于快速提高中国 铁路运输能力、提升技术装备水平，实现铁路跨越式发展具有重大的现实意义， 而且对于坚持科学发展观，构建社会主义和谐社会，形成便捷、通畅、高效、安 全的综合运输体系，促进工业结构优化升级，振兴装备制造业，保证国民经济又 北京交通大学硕士学位论文 快又好地发展具有极其深远的历史意义。 济南西客站位于济南市规划搬迁的张庄机场西侧，按8 台1 4 线布置，是京沪 高速铁路5 个始发终到站之一。规划中京沪高速铁路、胶济客专、太青客运专线 线引入济南枢纽。京沪高速铁路引入济南枢纽设济南西客站，胶济客专引入枢纽 设平陵城客站。结合胶济客专引入和枢纽联络线方案，枢纽形成以济南西客站、 济南站为主要客运站，平陵城站、济南东站为辅助客站的“两主两辅 格局。两 主要客运站分工为：济南西客站主要承担北京方向、上海方向高速列车的始发终 到作业和部分青岛方向列车的始发终到作业以及南北方向高速旅客列车的通过作 业；济南站承担部分北京、上海、青岛方向高速旅客列车的始发终到作业，南东、 北东方向高速列车停站通过作业，以及枢纽衔接各方向的普速旅客列车的始发终 到和通过作业i l l 。 济南西客站将成为济南市的主要客运站之一，济南西客站位于济南市总体规 划中的西部腊山新区，新区规划建设用地约3 5 平方公里，距市中心8 5 公里左右， 由济南西客站、长途汽车站、远期轻轨站、公交、出租及社会车辆形成一个大型 的综合交通枢纽。济南西客站作为济南市新形象的门户，对济南西部乃至济南市 的旅游、商务、会展、现代物流、房地产等产业，都将起到重大的带动效应。 1 1 2 研究目的 高速铁路要为列车的高速行驶提供一个高平顺性和稳定性的轨下基础，而路 基作为轨道结构的基础，必须具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好的优点， 并能抵抗各种自然因素的影响，因此控制路基的沉降变形便成为高速铁路管理中 的重要指标。由于高速铁路沉降变形控制标准提高，在深厚压缩层地基条件下高 强度桩型的引入势所必然，路基由于其结构特点一般要求桩土共同作用来承受上 部荷载，即构成刚性桩沉降控制复合地基。京沪高速铁路在路基沉降控制设计中 采用了c f g 桩、预应力管桩等桩型。 高速铁路工程具有如下特点：路堤基础为柔性基础，柔性基础条件下荷载 与桩及桩间土相互作用关系的不确定性影响因素较多，还没有形成公认的计算理 论和设计方法；设计标准非常高，对沉降控制非常严格，特别对工后沉降要求 一般不大于1 5 m m ，标准远高于现有铁路；采用无砟轨道设计，必须进行地基加 固处理，加大承载能力，控制沉降变形和不均匀沉降，以大大减少后期运营维护 费用。 京沪高速铁路采用无砟轨道，无砟轨道地段路基在无砟轨道铺设完成后的工 2 第一章绪论 后沉降，应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。工后沉降一般不应超过扣件 允许的沉降调高量1 5 r a m ；沉降比较均匀、长度大于2 0 m 的路基，允许的最大工后 沉降量为3 0 r a m ，并且调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足下式要求： r 衲0 4 巧r 1 1 、 式中：几曲轨面圆顺的竖曲线半径，m ； 7 可设计最高速度，k m h 。 路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5 m m ，过渡段沉降造成的路基与桥梁或 隧道的折角不应大于1 1 0 0 0 t 2 1 。 为保证轨道线路的平顺性和安全性，要求其轨下系统的沉降余量更加严格， 不能出现过大的沉降变形和不均匀沉降。路基作为无砟轨道结构的基础，必须具 有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好，并能抵抗各种自然因素的影响，在运营 条件下将线路轨道的设计参数维持在要求的精度范围内，确保无砟轨道的平顺性， 满足高速行车安全。 + 当前大范围应用桩板复合地基技术来进行地基处理条件下，如何将新的地基 处理技术的设计理论满足工程实践的需要；如何使其计算理论满足设计要求，较 好地控制沉降；如何提高工程设计计算的精确度；如何按沉降控制理论来分析、 预测沉降变形；如何在保证工程质量的前提下节省工程投资并合理控制工期。这 一切的问题都有待于研究和探索。 鉴于此，本论文在现场监测数据的基础上，通过对不同工况( 是否受基坑降水 影响) 下路基的沉降变形规律进行对比分析，并采用双曲线法对相应断面的最终 沉降值与现场实测值进行对比，确定基坑降水对路基沉降的影响及程度，为以后 类似工程提供经验和建议。 1 1 3 研究意义 济南西客站地处济南市西部，在站场范围内均为深厚松软土地基。在场地地 质条件较为复杂的情况下，应满足高速铁路工后沉降不大于1 5 m m 的标准，并且要 保证技术合理、旅工方便、质量可靠、安全适用等要求。c f g 桩和p i - c 桩( 预应力 高强度混凝土预制管桩) 等复合地基具有施工速度快、工期短、质量控制容易、 造价低、承载力高等优点，并能有效控制沉降变形，在济南西客站站场路基处理 中被广泛采用。 在施工过程中，路基施工期为2 0 0 8 年1 2 开始至2 0 0 9 年6 月。站房施工工程 中基坑降水开始时间为2 0 0 9 年9 月中旬，大量降水开始时间2 0 0 9 年1 1 月上旬； 3 北京交通大学硕士学位论文 基坑开挖时间为2 0 0 9 年1 0 月下旬，大面积开挖开始时间为2 0 0 9 年1 1 月上旬。 在基坑开挖施工中，为防止基坑渗流破坏、消除地下水头对建筑物的顶托力 并防止流砂管涌，使基坑开挖在干燥环境下施工，施工过程中采用井点降水法法 降低地下水位以减少坑内外水头差。地下水位的降低可以提高土体强度并减小作 用在围护结构上的压力，使基坑开挖后坑底保持一个干燥的施工作业面，确保后 期基础工作的顺利进行。 基坑工程在施工过程中进行降水可以提高土体强度、减小坑后水压力、防止 流砂等渗流破坏，但是降低地下水位会造成相近路基的附加沉降，对周围环境产 生不良影响，甚至出现工程事故，如己填筑路基的大范围沉降、基坑周围地下水 管爆裂等。目前基坑降水或其他原因使地下水位变化引发的工程事故大致可归为 以下原剧3 】： ( 1 ) 没有做基坑止水帷幕或没有形成有效的止水帷幕。造成基坑内大量降水， 引起基坑周围一定范围内的地基土产生不均匀沉降； ( 2 ) 基坑降水方案中降水技术方法选择不合理。目前，基坑工程降水方案设计 中的井点类型、井点数目、井点间距等主要根据基坑内水位降低要求来计算确定， 而对降水可能引起的周围地表沉陷、构筑物不均匀沉降等不良影响重视不够或未 能合理地进行事前预测分析； ( 3 ) 基坑围护施工不当。当基坑下部为承压水层时，未在施工中予以重视并采 取有效的防备措施，致使开挖产生流砂现象，土粒被大量带出，产生较大的地面 沉陷； ( 4 ) 没有采取有效的基坑降水监测技术。对基坑工程降水引起的周围地表沉陷 发展未能及时周密的进行事前监测，一旦险情出现，补救困难。 因此，在选用降水技术方案前如果能够对降水可能造成周围环境的不良影响 预先进行合理的预测分析，并采取有效的措施加以防范是减少基坑降水工程危害 的有效方法。本文通过对京沪高速铁路济南西客站站场施工的实时监测数据的处 理和分析，探讨基坑降水对复合站场地基的影响及程度，为以后类似工程提供建 议。 1 2 研究现状 由于高层建筑及高速铁路等的修建，基础工程的重要性越来越明显，随着基 坑开挖工程的增多，工程降水对路基周围地面及既有构筑物的逐渐引起人们的重 视。地下水渗流是引起基坑工程失稳破坏的一个重要因素，软土地区绝大多数基 4 第一章绪论 坑失稳都与地下水有密切关系。地下水流动影响围护结构水土压力分布，工程降 水引起的渗流和地下水位降低对基坑性状及周围环境都有重要影响，许多学者都 为此进行了研究。 李广信川等( 2 0 0 2 ) 针对基坑工程地基土中水的渗流引起的水压力和土压力的 变化，对有上层滞水，一般自由渗流、承压水、基坑内排水与基坑外降水以及有 超静孔压水等情况的基坑支护结构上的水土压力进行计算分析。结果表明，在降 水情况下水土压力的分布及大小与静水时明显不同，且在考虑渗流影响时较适合 采用库仑土压力理论，基坑外人工降水与基坑内排水相比，更有利于基坑的稳定。 唐翠i 牢【5 】【6 1 等通过对基坑建立三维有限元分析模型，建成地下水渗流与地面沉 降的一体化模型，并利用该模型分析了在软土地区深基坑开挖时引起地下水渗流 场的变化。 缪俊发、吴林耐7 l 【8 1 根据室内抽水压密与注水膨胀模拟试验成果，详细分析了 土骨架在抽水压密与注水膨胀变形时的基本特征，确定了适用于解释含水层( 组) 土骨架的抽水压密与注水膨胀变形力学机制的线性粘弹性应力一应变关系。 李玉歧、谢康和【1 0 1 推导了一维稳定渗流条件下基坑内外被动区和主动区的水 头计算公式，分析了渗流对作用在围护结构上的土压力、水压力及侧压力的影响， 并结合算例讨论了渗流作用对围护结构稳定性的影响。 黄院熊、刘国彬【1 1 1 等通过对城市地铁车站基坑开挖工程中地下水及孔隙水压 力的监测和分析，提出了基坑周围孔隙水压力的变化规律及与静水压力的关系。 罗晓辉( 1 9 9 6 ) 对渗流场进行了稳定渗流与非稳定渗流的有限元分析，忽略 固结效应，将渗流场的水力作用与应力场结合，求得在深基坑开挖过程中，因降 水形成的地下水渗流的基本规律。 谢康和i b 】等研究了成层土中基坑开挖时降水引起的土中应力变化及周围地表 沉降求解方法。在假定降水引发的渗流为一维竖向的条件下，推导了基坑周围土 中有效应力及地表沉降的计算公式，并结合工程实例进行对比分析，认为基坑降 水及由此引起的渗流使土中有效应力改变是基坑周围地表发生沉降的根本原因。 吴林耐1 4 1 ( 2 0 0 3 年) 提出采用一维固结理论以总应力法将各水头作用产生的每 层土的变形量迭加起来用以计算地面沉降。 徐耀德( 2 0 0 4 ) 在掌握开挖区水文地质条件和抽水试验成果的基础上，利用 m o d f l o w 软件对某基坑降水工程建立了较合理的渗流计算模型，并针对可能采用的 基坑降水方案，模拟和预测基坑降水引起的基坑内外地下水位变化，定量评估了 基坑降水引起的附加地面沉降问题，为结构设计计算和施工应对措施提供了重要 依据。 张莲花、孔德坊【1 6 1 首次提出沉降变形控制的降水最优化问题的概念，即以周 s 北京交通大学硕七学位论文 围环境对降水引发沉降的最低要求为约束，同时满足工程施工和安全需要进行降 水设计，改变了过去仅从工程施工和安全的角度进行降水设计的传统观点。 孙引1 7 1 通过对基坑开挖对邻近既有桩基础影响进行了比较并采用a b a q u s 软 件，针对均质正常固结粘土地基进行模拟，建立了基坑开挖对邻近既有桩基础影 响的二维弹塑性总应力有限元计算模型，探讨了在粘土地基中开挖基坑时粘土固 结作用对桩基础的影响。 张莲花1 通过对基坑工程的研究现状以及引起的对周围环境的影响进行分 析，并对基坑工程降水产生的不良现象进行探讨，总结了基坑降水引起沉降常用 的计算方法。 李琳【1 9 】通过对大量工程实测数据结合有限元计算，分析了软土地区深基坑的 变形特性并对工程降水对深基坑土体的预压加固作用进行分析，应用f l a c 程序分 析了工程降水引起基坑周围地面沉降的规律，提出工程降水引起的坑后地面沉降 简化计算方法。 陈海明1 2 0 1 在一维竖向渗流的假定下对均质土和成层土中基坑开挖降水引起的 坑内外土中应力变化及周围地表沉降的计算方法进行了较深入的研究，推导了相 应的地表沉降等计算公式。 1 3 高速铁路软土路基沉降变形机理 在软土地基上修建高速铁路需要填筑一定高度的路堤，在路堤荷载作用下， 地基内部将产生应力和固结，土的压缩和土体孔隙水的固结排出构成了路基沉降 的主要组成。 土体受路堤荷载后后引起的变化可分为体积变化和形状变化1 2 1 1 。体积变化主 要是由正应力引起，它会使土压缩，体积减小，但不会导致土体破坏；形状变化 主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此时变形 将不断发展，通常在地基中不允许发生大范围剪切破坏。 天然软土在荷载施加后，为抵抗压应力的增加，土体会产生一定的压缩应变。 在饱和条件下，这种压缩应变产生的过程就叫固结。在天然状态下，土体一般是 由固体颗粒构成的骨架体、土中孔隙水和充溢在骨架孔隙之间的气体组成的三相 体系。饱和土由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成，当外荷载作用于土体 时，土中某一点的应力，是由其上部土体的重力、静水压力及外荷载共同产生的 应力，称为总应力。总应力一部分由土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面传递 应力，称为有效应力；另一部分由孔隙水承担，水虽不能承担剪应力但能承担法 6 第一章绪论 向应力，并可通过连通的孔隙水传递，这部分水压力称为孔隙水压力。孔隙水压 力可分为两部分：一种是静水压力，在荷载施加之前就存在于地基土体中；另一 种是超孔隙水压力，是外荷载作用引起的孔隙水压力的增量。太沙基提出了有效 应力原理，即总应力等于有效应力与孔隙水压力之和。 土体受外荷载作用后产生的体积减小称为压缩变形。压缩变形一般由有效应 力引起，有效应力与压缩变形变化的特性称为土的压缩性，这是外力作用引起土 体变化的主要部分，也是引起地基沉降的主要部分。在外荷载作用下，引起土体 压缩变形的因素主要有两方面，即土体组成部分的压缩和土体结构性的压缩。前 者包括：a ) 土颗粒及孔隙水的压缩；b ) 孔隙中气体的压缩；c ) 孔隙中部分水和 气体被排出引起的孔隙缩小。对于在工程中常遇到的压力( 约l o o k n m 2 6 0 0 k n m 2 ) 而言，土粒本身和孔隙中水的压缩量不到土体总压缩量的1 4 0 0 ，因此可忽略不计。 孔隙中气体的压缩变形，一般情况下只有在土的饱和度很高、气体以封闭气泡形 式出现时才会发生，此时，土中的含气量很少，故它的压缩量在土体总压缩量中 所占的比重也不大，除了在某些特殊情况下需要考虑封闭气体的压缩外，一般也 可忽略不计。因此，土体的变形主要是土体孔隙中水和气体排出及土体孔隙体积 减小、土颗粒重组和骨架体发生错动的结烈2 1 1 。 1 3 1 软土路基沉降变形组成 软土路基的沉降包括路堤本体沉降及地基沉降两部分。经典土力学认为，地 基总沉降s 由瞬时沉降6 。、主固结沉降6 c 、次固结沉降j e 三部分组成 2 2 】，即 s = s o + 足+ 疋 f ，1 9 、 瞬时沉降是在荷载作用施加后立即产生的沉降，它的发生非常迅速，这是一 个理想的概念，尽管沉降不是立即发生的，仍可以认为是饱和软土中的孔隙水来 不及排出时所发生的沉降。瞬时沉降和加载方式、加载速率有很大的关系。 主固结沉降是在荷载作用下，随着时间的延续，孔隙中水从土体中流出，引 起体积随时间的压缩而产生的沉降变形，即排水固结作用引起的沉降。主固结沉 降是由于外荷载引起的超孔隙水压力水利梯度促使水从土体内排出，从而使应力 增量转移到土体骨架上而发生的沉降。在此阶段，水流的速率受到土的孔隙压力、 渗透性和压缩性的影响，随着孔隙压力的消散，水流的速率将逐渐降低，使土体 最终达到不变的有效应力状态。这部分变形为固结变形，主要发生体积的变化， 并且与时间有关，其沉降为主固结沉降。 次固结沉降是在荷载长期持续作用下，超静水压力消散，主固结变形完成后， 7 北京交通大学硕士学位论文 路基中土颗粒骨架在持续荷载下发生蠕变所引起的孔隙体积的进一步压缩。次固 结变形的速率与孔隙水排出速率无关，而是取决于土骨架本身的蠕变性质。次固 结沉降的速率与含水量、孔隙比、有机质含量、温度等因素有关，与软土的厚度 无关。实际上，瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降都是在荷载施加后同时开始 发生的，只是在某一个阶段以某一种沉降变形为主，且不同性状的土三个组成部 分的相对大小及时间是不同的。 对于较厚的软土层，在路基填筑至设计标高以后的几年内，主固结引起的变 形沉降占主要组成部分。深厚软土的主固结不是同步完成的，而是由浅入深逐步 发展的。深部的软土层由于排水距离长、排水条件差，在相同的时间内，其固结 的速率及固结度均较表层的软土低。因此在表层软土固结基本完成以后，深层软 土还在进行固结变形，从而引起缓慢的沉降。若工后沉降主要由主固结沉降组成， 可以采用加长预压时间或超载预压的方法进行解决；而如果工后沉降主要由次固 结沉降组成，目前尚无可行的方法消除或加快完成次固结，故无法采取主动措施， 但需要准确预测其沉降值。 1 3 2 软土路基沉降变性特点 地基沉降量的大小，首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，地基的沉降大； 其次，与作用在地基上的荷载性质和大小有关，荷载愈大，相应的地基沉降也愈 大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载产生的大。由于路堤高度差 异和地基的不均匀沉降，将使轨道面产生不均匀变形。当轨道面不均匀沉降超过 一定的限度，将影响轨道线路的平顺性，不能保证列车的平稳运行，京沪高速铁 路规定路基的最大工后沉降量不能超过1 5 r a m 。软土层较厚的路段沉降大，而软土 层薄的路段则沉降较小，由此容易造成纵、横向不均匀沉降，使轨道面排水和平 整性也受到影响。在桥头过渡段，不均匀沉降问题更加突出，桥梁一般采用桩基 础或扩大基础，沉降较小，而与其相连的路堤一般较高，会有较大沉降值，因此 在桥头附近容易产生较集中的沉降差。这种状况从图卜1 路基横断面的地表沉降 曲线图可以看出。 8 第一章绪论 ，一 ? 7 7 7 7丁广7 丁，7 下一堂竺叫乃7 理z 少_ ：上麓 图卜1 软土路基横断面沉降和侧向位移 由图卜1 可知，随着填土荷载的增加，路基横断面各个部位有不同沉降量， 路中心沉降量最大，路肩次之，坡角处沉降量最小。其沉降曲线形状类似于盆地 状，在接近路肩至坡脚处，由于荷载应力减少，其沉降量也呈减小趋势，其发展 趋势并没有在坡脚处终止，但沉降量并不会很大，而且基本上没有很大的变化。 由于软土具有抗剪强度低、压缩性高、渗透性小等特点，软土路基在荷载作 用下引起的路基沉降一般具有以下变形特征：a ) 沉降量大。软土主要由粘土颗粒 和粉土颗粒组成，其中粘土颗粒含量很高，其天然含水量大，孔隙比大于1 5 ，抗 剪强度和承载力低，受荷后压缩量大，沉降量大于一般路堤；b ) 侧向变形大。饱 和软土受荷初期，土中的水来不及排出，土体易发生侧向挤出，随着水的逐步排 出，土体体积压缩，竖向沉降进一步发展；c ) 变形时间长。由于软土本身的性质 以尤其较厚的软土层中，孔隙水消散缓慢，特别是下部软土排水困难，使得固结 时间变长，竖向沉降和侧向变形延续的时间都很长。 1 3 3 软土路基沉降变性规律 根据对软土地基沉降变形的机理和特点的分析及对铁路软土路基的大量沉降 观测资料，总结出软土路基的沉降变化基本上要经历四个过犁2 3 1 ：a ) 发生阶段。 在对软土地基施加荷载时，土体处于弹性阶段，土体中的孔隙水来不及排出，土 体的侧向变形使土体发生瞬时剪切变形，在荷载增加的最初阶段，软土地基的侧 移速率较大，沉降呈线性增加；b ) 发展阶段。随着路堤填土高度的增加，荷载的 不断增加和时间的持续，地基中的孔隙水被逐渐排出，超静孔隙水压力逐步消散， 土体被逐渐压密产生体积压缩变形，进入弹塑性状态，此时土体的沉降速率增长 较快；c ) 稳定阶段。在加载完成后，荷载不再增加，孔隙压力不断减小并逐渐接 近完全消散，固结过程尚未完全完成，土体的沉降随着时间的推移而继续增加， 沉降速率逐渐变小，土体不断发生固结；d ) 极限阶段。当时间足够长时，沉降达 到极限状态，沉降量不再增加，沉降速率为零，此时的沉降量为地基的最终沉降 9 北京交通火学硕士学位论文 量。 通过对软土的基本特征及路基沉降机理的研究可以认为，由于软土具有天然 含水量高、孔隙比大、压缩性高、透水性差、抗剪强度低、承载力低等特点，软 土地基在路堤荷载作用下，地基内部将产生应力和固结变形，因此土的压缩性构 成了路基沉降的主要原因。土体在荷载作用下的变形主要是由于土体发生排水固 结而产生的瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分。施工期沉降主要为瞬时 沉降和主固结沉降；工后沉降主要由主固结沉降和次固结沉降组成。软土路基在 荷载作用下引起的路基沉降一般具有沉降量大、侧向变形大、变形时间长等特点。 软土路基在沉降变化过程中基本上会经历“发生一发展一稳定一完成”四个阶段。 1 4 研究内容及研究技术路线 本文以京沪高速铁路济南西客站桩板复合地基为研究对象，通过现场监测、 理论分析和数值计算等研究方法，对桩板复合地基在基坑降水条件下的沉降固结 特性进行研究。 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 通过对不同断面( 是否受降水影响) 沉降板进行对比，确定基坑降水对 路基表面沉降的影响； ( 2 ) 通过对不同断面( 是否受降水影响) 分层沉降实测数据进行对比，分析 基坑降水对深层沉降的影响； ( 3 ) 通过对不同断面( 是否受降水影响) 孔隙水压力变化特称进行对比分析， 研究在降水条件下，孔隙水压力消散的规律； ( 4 ) 采用双曲线法对同一断面在受基坑降水前后的最终沉降值进行预测，对 在降水条件下复合地基的固结度特征在数值上进行分析。 1 4 2 研究技术路线 ( 1 ) 现场测试：研究内容紧密围绕京沪高速铁路济南西客站站场路基现场施 工，通过施工现场监测得到资料； ( 2 ) 理论分析：对课题中所涉及的理论重点、难点进行总结分析： 1 0 第一章绪论 ( 3 ) 数值分析及计算：对现场监测数据进行整理，分析各断面及各监测量的 变化趋势和特征，并采用双曲线法对部分监测内容数据进行预测，确定最终沉降 量； ( 4 ) 对不同工况条件下复合地基沉降趋势进行对比，确定基坑降水对复合地 基沉降的影响。 图1 - 2 论文研究技术路线