（道路与铁道工程专业论文）高路堤沉降变形特性试验分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 在我国山区铁路和公路建设中，由于路基工程的施工难度和一次投资成本 远低于桥梁和隧道工程，高填、深挖路基工程作为降低投资成本和加快工程进 度的一种有效措施在普通铁路的线路总长中占据绝大部分。另一方面，由于山 区地形起伏较大，也就不可避免地需要修建一定数量的高填、深挖路基。因此， 高填路堤已成为路基的主要结构型式之一。 高填路堤的变形破坏是路基工程质量通病之一，其原因十分复杂，它不仅 与路基填土密实度和边坡高度有关，也与路基填料性质、边坡坡度、地基性质、 水文状况、路基压实、设计标准，施工方法等有关。高填路堤的变形破坏，在 工程中主要表现为：路堤填土开裂、路基滑动、边坡坍塌和与之有关的路基结 构破坏、路基整体下沉或局部沉降。高填路堤一旦发生变形破坏，其处治是相 当困难的，因此必须对此引起高度重视。为了防止高填路堤产生过大沉降和变 形，进行高填路堤沉降和变形的深入研究就显得更加有意义。 本论文以高填路堤的沉降和变形特性为研究目标，通过对路堤进行沉降和 水平变形的现场测试和土工离心模型试验，揭示高填路堤的沉降和变形规律， 分析高填路堤在结构尺寸( 路堤高度、边坡坡率) 和土体参数( 密实度、含水 率) 变化时的沉降和变形特点，以及它们之间的关系。 本文的创新点在于，通过土工离心模型试验，将路堤沉降中的压密沉降和 形变沉降进行了分离，并分别测量了它们在模型试验中的大小，分析了形变沉 降占总沉降的百分比在路堤结构尺寸和土体参数改变时的变化规律，确定了对 路堤沉降和变形影响最为敏感边坡坡率范围。这些研究成果将为高填路堤的研 究、设计和施工提供一定的参考价值。 关键词：高填路堤；沉降变形；现场测试：土工离心模型试验 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 一_一一一 a b s t r a c t i nt h er a i w a ya n dh ig h w a yc o n s t r u c t i o na tt h em o u n t a i n o u sr e g i o n s i no u rc o u n t r y ，a sa ne f f e c t i v em e a s u r et or e d u c et h e i n v e s t m e n tc o s t a n di n c r e a s et h ep r o j e c tp r o g r e s s ，t h eh i g h f i1 1 a n dd e e p e x c a v a t i o n r o a d b e d sa r et h eo v e r w h e l m i n gm a j o r i t yi nt h et o t a ll e n g t ho fn o r m a l r a i l w a vl i n e s a d d i t i o n a l l y ，t h e l a n d sa r er o l l i n gh i g h l y i nt h e m o u t a i n o u sa r e a ，i n e v i t a b l y ，t h e r ei san e e dt ob u i l dac e r t a i nh i g h f i l l a n d d e e p - e x c a v a t io nr o a d b e d s t h e r e f o r e ，t h e h ig h f ill a n d d e e p - e x c a v a t i o nr o a d b e d b e c o m e so n eo ft h em a i ns t r u c t u r e si nt h er o a d b e d p r o j e c t s o n eo ft h ec o m m o nf a u l t s i st h ed e f o r m a t i o na n dd a m a g eo f t h e h i g h f ille m b a n k m e n t t h ec a u s e sa r ev e r yc o m p l e x e d i tr e l a t e sn o t o n l y t ot h ed e n s it yo ft h ef ill e ds o ilf o rt h er o a d b e d ，b u ta l s ot ot h en a t u r e o fr o a d b e df i l l i n gm a t e r i a l s ，s i d e s l o p eg r a d i e n t ，f o u n d a t i o nn a t u r e ， h v d r 0 1 0 9 yc o n d it i o n ，r o a d b e dp r e s s i n gm a c h i n e ，d e s i g n s t a n d a r da n d c o n s t r u c t i o nm e t h o d i nt h ep r o j e c t s ，t h ed e f o r m a t i o na n dd a m a g eo ft h e h i g h f i l le m b a n k m e n ti sm a i n l yp r e s e n t e da s c r a c k so nt h e f i l l e d s o i l f o rt h ee m b a n k m e n t ， s li d i n go ft h er 9 a d b e d ， c o ll a p s eo ft h es i d es l o p e a n dt h er e l a t e dr o a d b e ds t r u c t u r ed a m a g e ，w h o l eo rp a r t i a ls e t t l e m e n t o ft h er o a d b e de t c o n c et h eh ig h f ill r o a d b e disd e f o r m e da n dd a m a g e d ， i tisv e r yd i f f i c u l tt or e p a i r t h e r e f o r e ，h i g ha t t e n t i o nm u s tb ep a i d t oi t i no r d e rt oa v o i do v e r s i z e ds e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ，f u r t h e r r e s e a r c ho nt h es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n o fh i g h f i l l e m b a n k m e n ti s m u c hm o r em e a n i n g f u l t h er e s e a r c ha i mo ft h isp a p e rist of i n do u tt h ef e a t u r e so f t h e s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no fh i g h f i l le m b a n k m e n t i ti sd o n et h r o u g h t h es i t et e s t so ne m b a n k m e n ts e t t l e m e n ta n dh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o na n d g e o t e c h n i c a l c e n t r i f u g e m o d e lt e s t s ，t od i s c l o s e t h ee m b a n k m e n t s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n r u l e sa n dt oa n a l y z et h es e t t l e m e n t a n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 d e f o r m a ti o nf e a t u r e sp r e s e n t e dd u r i n ge m b a n k m e n ts t r u c t u r e ( e m b a n k m e n t h e i g h t a n d s i d e s l o p eg r a d i e n t ) c h a n g i n g a n ds o i l p a r a m e t e r s ( c o m p a c t n e s s a n d w a t e r b e a r i n gr a t i o ) c h a n g i n g ， a sw e l la st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e r ，i st h a tw eh a ds e p e r a t e dt h ec o m p a c t e d s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o ns e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n t ，o b t a i n e dt h e d e g r e eo fs e t t l e m e n t sa n d ，a n a l y z e dt h ec h a n g er u l eo ft h ed e f o r m a t i o n s e t t l e m e n tp e r c e n t a g ec o v e r e di nt h et o t a ls e t t l e m e n tw h e nt h e r ea r e c h a n g e si n t h ee m b a n k m e n ts t r u c t u r ea n ds o il p a r a m e t e r s ，f i x e dt h e s i d e s l o p eg r a d i e n tr a n g ew h i c hi sm o s ts e n s i r i v et ot h ee m b a n k m e n t s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n t h e s er e s e a r c hr e s u l t sw i l lp r o v i d ec e r t a i n r e f e r e n c ev a l u et ot h er e s e a r c h ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fh i g hf i11 e m b a n k m e n tp r o j e c t s k e y w o r d s ：h i g h f i l le m b a n k m e n t ：s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ：f i e l dt e s t ： g e o t e c h n i c a lc e n t r i f u g em o d e lt e s t 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囤，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：1 v 勺吃 日期：彬西7 指导老师签名罗始 日期：m f 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文通过土工离心模型试验，将路堤沉降中的压密沉降和形变沉降进行 了分离，并分n 钡, i j 量了它们在模型试验中的大小，分析了形变沉降占总沉降的 百分比随路堤结构尺寸和土体参数改变的变化规律，确定了对路堤沉降和变形 影响最为敏感边坡坡率范围。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 随着我国市场经济的迅速发展和日趋完善，我国交通运输的多元化体系已 初具规模。安全、重载、高速已成为铁路运输行提高经济效益、谋求生存与发 展的必然要求。近年来，我国普通铁路在经历了几次大提速之后，又相继开始 了客运专线和时速2 0 0 公里客货共线等高速铁路的建设，而这些铁路均具有速 度快、运能大、占地少、能耗低、污染轻、运量大、效益高、安全性能好等一 系列优点，是世界铁路的共同发展趋势。1 8 2 5 年英国建成世界上第一条普通铁 路，从此世界进入了铁路发展的第一个大时代，1 9 6 4 年日本建成世界上第一条 高速铁路东海道新干线，因此世界进入了铁路发展的第二个大时代。我国 “十一五 期间铁路十大标志工程之一的拟议已久的京沪高速铁路已开工兴建， 从而迎来中国铁路发展的黄金时期。安全是铁路运输永恒的主题，高速铁路与 普通铁路相比，对安全提出了更高的要求，而路基又是整个高速铁路安全系统的 薄弱环节，路基的安全对高速铁路行车安全起着关键性作用。 在我国山区铁路建设中，由于路基工程的施工难度和一次投资成本远低于 桥梁和隧道工程，高填、深挖路基工程作为降低投资成本和加快工程进度的一 种有效措施在普通铁路的线路总长中占据绝大部分。另一方面，由于山区地形 起伏较大，也就不可避免地需要修建一定数量的高填、深挖路基。此外，由于 各项工程填挖不均衡，弃方量大，填筑部分高路堤对消化部分弃方，平衡填挖 较为有利。因此，在山区修建一定数量的高填方路堤是无法回避的。由于过去 受施工条件的限制以及设计标准偏低，当时修建的大量高路堤均出现了许多过 量下沉和坍塌破坏为特征的病害问题，高填路堤的破坏导致在铁路建设及养护 期间花费大量的人力和财力进行处治，给铁路的正常运行和养护造成了极大的 不便，同时破坏环境景观和生态平衡，给国家和人民经济造成巨大损失。高填 路堤的稳定性问题已成为制约和阻碍山区铁路进一步发展的主要因素之一，受 到人们的普遍关注。 高填路堤的变形破坏是路基工程质量通病之一，其原因十分复杂，它不仅 与路基填土密实度和边坡高度有关，也与路基填料性质、边坡坡度、地基性质、 水文状况、路基压实、设计标准，施工方法等有关。通过现有的研究表明，引 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 起高填路堤破坏的原因是多方面的。除地质条件的复杂多变性、填筑引起的受 力情况的变化、环境条件的改变等客观因素，以及地质勘探不仔细、施工不认 真等主观因素外，对路堤破坏机理认识不足，以及目前的稳定性设计方法的不 完善也是导致高填路堤出现破坏的主要原因h 1 。此外，高路堤变形破坏的原因还 有：路基填土压实度不足、地基中存在软弱土层、路基刚度差异过大、填筑物 成分不均、地下水的动态变化等。高填路堤的变形破坏，在工程中主要表现为： 路堤填土开裂、路基滑动、边坡坍塌和与之有关的路基结构破坏、路基整体下 沉或局部沉降。高填路堤一旦发生变形破坏，其处治是相当困难的，因此必须 对此引起高度重视，提高路堤的稳定性。 路堤稳定性设计涉及到地基土性参数、填土材料的选择、填土强度指标、 压实度、边坡坡率、稳定性计算方法、稳定安全系数、排水、路堤边坡防护等 各方面的内容。现行铁路路基设计规范( t b1 0 0 0 1 - 2 0 0 5 ) 、公路路基设计 规范( j t gd 3 0 - 2 0 0 4 ) 等对这些内容作出了有关规定和建议。但一些规定和建 议不明确，如与路堤稳定设计密切相关的就有填土强度指标、稳定性计算方法 和稳定安全系数等。 现行铁路路基设计规范( t b1 0 0 0 1 - 2 0 0 5 ) 第7 1 2 条指出“地面横坡 陡于l ：2 5 地段的陡坡路堤，必须检算路堤整体沿基底及基底下软弱层滑动的 稳定性，抗滑稳定安全系数不得小于i 2 5 。第7 4 2 条指出“路堤边坡高度大 于表7 4 1 的数值时，其超出的下部边坡形式和坡率，应根据填料的性质由稳 定分析计算确定，最小稳定安全系数应为1 1 5 - - 1 2 5 ，边坡形式宜用阶梯型 n 】。公路路基设计规范( j t gd 3 0 - 2 0 0 4 ) 指出“路堤稳定性计算分析得到的路 堤稳定安全系数均不小于1 2 0 州引。 随着高速公路、高速铁路的出现和发展，路基的传统设计理念也进一步深 化。由于高速行车对线路变形的严格要求，使得路基设计由强度控制设计逐渐 向变形控制设计转变。因为，一般在路基强度破坏之前，可能出现了不能容许 的变形和不均匀沉降。为了能满足高速行车的线路标准，达到安全、重载、高 速的要求，防止高填路堤的过大沉降和变形，进行高填路堤沉降和变形的深入 研究就显得更加有意义。 本论文在国内外对高填路堤研究的基础上，通过依托“达成铁路扩能改建 工程d i k 2 2 2 + 8 0 0 d i k 2 2 2 + 8 6 0 工段”的高填路堤工程，根据达成铁路典型路堤 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 填料的工程特性，进行了现场试验监测和室内土工离心模型试验，对高填路堤 的沉降和变形特性进行深入的分析，对今后高填路堤进一步的研究、设计和施 工提供了一定的参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 路堤的沉降特性研究现状 关于路堤沉降的问题，一直是铁路、公路路基研究的主要问题。对路堤沉 降特性的分析研究，不仅是正确认识和评价路基稳定性的基础，也是提高路基 设计水平，控制施工质量的有效途径。高路堤自重应力大、应力水平高，由填 土自身压缩产生的沉降较为明显，过大的沉降会对铁路和公路的路基本身及路 面结构产生危害。因此，世界各国历来十分重视对路堤沉降的研究。然而由于 问题本身的复杂性和土力学理论的不成熟，目前对非饱和土高路堤的沉降规律 尚缺乏合理的理论计算方法，尤其是对于高速铁路和公路，其沉降控制的要求 更高，但国内外尚无同类工程的可靠技术成果和工程经验，可供应用的系统观 测资料尤其缺少。这不仅在于填土体累积沉降量难以确定，还在于施工过程中 路堤本体、地基己发生的沉降量占总的累积沉降量的比例也不得而知。国外发 达国家修建高等级公路时。鉴于私人拥有轿车较多，很少考虑横向通道的设置， 而且，大部分高路堤也为高架桥所替代，很少出现高路堤的路基，因此，对高 路堤沉降问题研究得不多，难以找到适合我国国情的技术资料哺1 。填方路堤的沉 降研究，通常包括路堤的沉降监测、沉降计算、模型试验、数值分析和根据观 测数据预测路堤的沉降等。 路基的沉降主要是由两部分组成，即路基下地基土的沉降和路堤填土的沉 降。对于软土地基来说地基土的沉降要占主要部分，对于高填方路堤来说路堤 本身的沉降占相当大的比例。至于路基在交通荷载作用下的沉降，由于其外部 动荷载是运动的，同时自身又产生振动，地基土体的受力状况很复杂，交通荷 载的周期较长，自身振动频率也低，荷载产生的振动波的波长较长，波传播较 远，影响范围较大阳1 ，计算沉降时可以将荷载折算为一定厚度的土层进行处理， 张留俊口1 认为对高路堤来讲，行车荷载对沉降的影响比较小，可以不考虑。 地基的沉降分析及计算，人们己有了较多的工程实践，因而进行了较深入 的研究和讨论哺刮。软土的变形计算包括土的固结计算和最终沉降量计算。而填 方路堤的固结变形又包括软弱饱和地基土的排水固结沉降和非饱和填筑土体压 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 实产生的变形沉降。压实是指增加单位体积内土体颗粒的数量，减少孔隙率的 过程n0 j 。压实作用和固结作用的区别在于，压实作用是固结过程中的一种，且 主要为次固结沉降。它主要分为两个阶段：一是借助压实机械作用力的初步压 密阶段；二是在自重和上部荷载作用下的最终稳定压密状态。t e r z a g h i ( 1 9 2 0 ) 有效应力的提出，标志着现代土力学的真正开始，他的有效应力方程，对几乎 所有饱和土体来说，虽不能取得十分精确的解析，但已足够近似。r e n d u l i c ( 1 9 3 6 ) 将t e r z a g h i 的一维固结理论推广n - 维和三维情况，b i o t ( 1 9 4 1 ) 按 照t e r z a g h i 的理论假设，从弹性理论出发导出了反映孑l 隙水压力消散与土颗粒 骨架沉降相互关系的三维固结理论方程，s k e m t p o n ( 1 9 6 0 ) 给出了更为准确的 有效应力方程n “1 2 ，。地基沉降从变形机理角度分为瞬时沉降、主固结沉降和次固 结沉降三部分，而最终沉降量等于这三者之和。瞬时沉降包括两部分一部分是 由地基的弹性变形产生的，另一部分则由地基塑性区的扩展，继而扩大所产生 的侧向剪切位移引起的。目前有关瞬时沉降的计算方法，均针对前一部分而言， 对于路基而言，瞬时沉降是在体积不变情况下由负载区域下的土体剪应变而引 起的。对于固结沉降常采用分层总和法计算，次固结沉降常采用分层总和法根 据蠕变试验确定参数求解u 引。 对于路堤填筑体自身的沉降计算目前还没有成熟的方法，特别是还没有简 单实用的工程计算方法。土石料强度高、透水性好，但结构松散，不易压实， 要筑成高路堤或超高填石路堤，其中路堤稳定性、沉降计算及沉降量预测，都 是工程界关注的问题，尤以工后沉降问题最为重要。而填石路堤在自重应力作 用下的本身压缩问题就是一个复杂的问题，因为它的变形机理既不同于土，也 不同于整体岩石，属于弹塑性或粘弹性问题，要用有限元方法求解n4 | 。对于高 填方路堤的自身压缩问题，郝传毅等n 朝提出了非线性有限元法和改进分层总和 法，研究表明，高填方路堤的自身压缩量与填方高度呈双曲线关系，对中等压 缩性填土，一般填土高度的路堤自身沉降量影响不大，对填土较高或压实不好 的填土，其自身沉降问题不容忽视。对于路堤施工期的沉降和工后沉降，许多 国内外研究者都提出了众多的经验公式。如德国和日本用于计算铁路路堤的工 后沉降估算公式( s = h 2 3 0 0 0 ，式中s 为路堤工后沉降值；h 为路堤高度) u 6 】， 劳斯和列斯特公式，顾慰慈施工期和运行t 年后的沉降公式，戈戈别德捷公式 等n 7 t 引。国内学者对软基路堤的沉降与预测也作过大量研究，如谢春庆等( 2 0 0 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 对贵州龙洞堡机场和云南大理机场高填方地基沉降观测资料进行系统研究之 后，提出了高填方路堤工后沉降估算公式：s _ h 2 e 玉3 ，式中e 为路堤变形模量n 9 1 。 路基沉降分析中存在大量的不确定性因素，这些不确定性因素，使得路基沉降 的理论数值计算分析的精确性大为下降。许多学者曾较系统地阐述了路基沉降 分析中的不确定性因素，主要体现在以下几个方面啪1 ：( 1 ) 计算模型的不确定 性；( 2 ) 荷载的不确定性；( 3 ) 路基土材料参数的不确定性；( 4 ) 几何尺寸的不 确定性；( 5 ) 初始条件和边界条件的不确定性。由于这些因素在路基沉降分析中 客观存在，因此只有在路基沉降计算中充分考虑这些不确定因素所带来的影响， 才能进一步提高计算的精度。 1 2 2 路堤压实标准研究现状 在铁路和公路施工中，路基施工通用的模式是通过分层振动压实来实现的。 其主要机理心卜2 2 3 是通过压路机的振动使被压实材料内产生振动冲击，被压实材料 的颗粒在振动冲击作用下，由静止的初始状态过渡到运动状态，被压实材料之 间的摩擦也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。目前主要的振动压实 理论主要有内摩擦减少学说、共振学说、反复载荷学说和交变剪应力学说。在 现场碾压时，影响路基压实度的主要因素有压实机械和功能、压实岩土体本身 的含水量和本身的级配、碾压层的厚度、碾压遍数以及地基的强度3 。 通过对比铁路和公路设计规范和技术要求可以发现，对于高路堤变形过大 的问题，铁路路基主要采用提高填料的标准来控制沉降和变形，而公路则常采 用提高路基的压实标准来控制变形。近年来，随着高速铁路的修建，铁路建设 标准的提高，以及路基工后沉降要求的减小，存在一种对路基填挖高度的限制 愈来愈低、对路基压实标准要求愈来愈高、对路基填料控制愈来愈严的趋势。 如2 0 0 5 版“铁路路基设计规范中，对1 6 0 k m h 标准铁路的路堤高度不大于1 5 m 时，压实系数为0 9 ，可采用a 、b 、c 组填料或经改良、加固后的d 组填料：大 于1 5 m 后，要求将压实系数提高一级，与基床底层一致，即压实系数由0 9 提 高到0 9 3 ，并要求采用a 、b 填料，否则应采用改良土或采取加固措施1 ；2 0 0 5 版“新建时速2 0 0 公里客货共线铁路设计暂行规范中对路基的压实系数要求 没有变化，但对填料提出了更高的要求，取消了可采取加固措施的方案心1 。2 0 0 4 版“公路路基设计规范 中对路基填料的选择没有具体说明，但对压实系数在 原来的基础上普遍提高了一级，即由0 9 提高到0 9 2 ( 二级公路) 和0 9 3 ( 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 级公路和高速公路) 聃1 。在高速铁路综合技术水平极为发达的日本对东海道新干 线路基病害有深刻的教训，因而十分重视安全问题的研究，采取了一系列对策。 在吸取了东海道新干线的经验后，极大的重视路基工程，为确保路堤的稳定性， 减少压密下沉，增加耐久性，除应选用优质的填料外( 含改良土) ，对填料的压 实也有明确的要求。日本压实标准为填土基床表层的压实度为9 5 以上，路堤下 部的压实度应9 0 ( 重型击实) ，粗颗粒孔隙比1 0 。德国规范要求压实系数 为9 5 - - - 9 7 ，粗粒土孔隙比1 2 。法国规范要求压实系数为9 5 。室内试验 研究表明，填土的压实度与路堤的自然压密下沉量关系密切，与填土的水稳性 也有关。目前这两方面的资料还不多，但从已有的试验数据来看，压实度从8 5 提高到9 0 ，相对压缩量可减小7 0 ；压实度从9 0 提高到9 5 ，又可减小3 5 - - 一 4 0 。因此，为了减小路基的变形和保证其稳定性，提高路提的碾压密实度是非 常必要的n 引。 1 2 3 路堤边坡侧向变形研究现状 路堤边坡的侧向变形是影响路堤稳定性的主要因素之一，而且路堤的侧向 变形引起的附加沉降又是路堤沉降的主要部分之一，特别是在软土地基上填筑 的高路堤。通过研究和实际工程观测分析表明，软土路基侧向变形产生的沉降 量占总沉降量的比例较大，侧向变形不仅在施工加载期发生，而且在施工结束 后长时间存在，甚至成为工后沉降的重要组成部分。但对于路堤本体的侧向变 形引起的沉降占总沉降的比例有多大，目前研究的资料还不是很多。 1 9 9 8 年，广珠高速公路某标段在填筑路堤时土的侧向挤出将距坡角7 m 处的 直径1 ：2 m 的混凝土灌注桩挤偏了2 6 c m 口驯。汕头高速公路某段软土厚1 5 m 、路堤 底宽5 0 m ，硬壳层厚1 m 。软基处理时按1 5 m 间距施打桩长1 5 m 的砂桩。由于施 工期很短，软土来不及排水固结，以砂桩体积应有的排土量计，路堤两侧的地 基土应被挤出3 6 2 m 瞄1 。绝大部分本应被砂桩体积挤出的地基土显然是从路基 两侧挤出的。可见，软土的实际侧向挤出量可以是很大的。 1 9 9 4 年马时冬嘶1 对路堤下软土的侧向位移作了观测分析并详细介绍了f a t a v e n a s 的观点。张诚厚等( 1 9 9 5 年) 乜7 1 在沪宁高速公路建设中研究了剪切变形 引起的附加沉降量，得出了附加沉降量占总量1 4 - - 3 0 的结论，是一个很大的 进步。刘增贤，汤连生瞳刚根据广珠高速公路灵山段实际观测资料，分析计算了 其侧向挤出沉降量占总沉降量1 4 以上。周镜( 1 9 9 9 年) 汹1 较全面地分析了剪应 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 力下土体侧向变形问题。研究侧向变形与沉降的关系，对深入了解沉降的构成， 探求沉降特性有一定的帮助。 1 3 论文的主要研究内容 本论文结合达成铁路扩能改造工程建设中开展的“新建时速2 0 0 - 2 5 0 公里 客货共线山区铁路施工关键技术及工艺标准试验研究”，在本人参加“基于变形 控制的高路堤填筑技术及工艺标准试验研究 的基础上完成的，主要研究的内 容如下： ( 1 ) 路堤沉降变形现场监测 根据达成铁路扩能改造工程建设的实际情况，选择合适的现场试验工点， 对高路堤填筑期间及填筑后的沉降变形进行全过程的监测，并通过现场测试数 据对高路堤在施工期间及施工后路堤和地基的沉降、侧向变形规律进行研究分 析。 ( 2 ) 高路堤沉降变形室内土工离心模型试验 根据达成铁路典型路堤填料的工程特性和高路堤的设计施工特点，拟通过 室内土工离心模型试验来揭示高填路堤在施工期间和施工后的沉降及水平变形 规律，首次通过土工离心模型试验，将路堤的压密沉降与因路堤侧向变形而引 起的形变沉降进行了分离，并确定了在不同的边坡坡率条件下，各形变沉降占 总沉降的百分比。 ( 3 ) 高路堤的沉降及变形特性分析 分析土质高填路堤在土体参数( 压实度、含水量) 和结构尺寸( 边坡坡度、 路堤高度) 变化时对路堤沉降及水平变形的影响规律，以及它们之间的相互关 系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章高路堤沉降变形监测试验 2 1 现场监测的意义 对于路堤设计来说，竣工后期望最好没有工后沉降，更不愿产生不均匀沉 降，尤其不希望产生随时间而发展的沉降，但这仅是期望，实际工程的设计和 运营表明，这些随时间而发展的不均匀沉降或多或少都会产生，沉降大的将产 生路基病害，需要研究和解决。因此，通过现场实际监测的办法，探讨压实路 堤的沉降变形规律就成为解决问题的手段之一。但是，现场监测研究得出的规 律仅是一个工程个例，个例规律是否对一般工况的工程问题有指导意义。对原 状地基土来说，由某一工程现场监测研究总结的沉降变形规律仅可对同类工程 有指导意义。因为同一地区、同一地区的不同工点，其土性质可能相差较大。 因此，对某一原状地基工程的沉降规律不具有普遍的参考价值。对于压实土来 说，同一地区的土料类型一般不会相差过大。又因为是压实土，其压实特性受 人工控制。对同一行业，控制标准又受规范指导。因此，压实土体沉降规律的 工程个例对同行业、同一地区应有普遍的指导意义。但要注意的是，对不同行 业的工程却没有较直接的指导意义，因为各行业的压实标准不一样。此外，现 场测试方法与室内测试方法有所不同。室内试验时可控制一些变量不变，而专 门研究另一些变量变化对土材料的影响。现场测试时这些条件不易做到，即要 在各测试结果中分离各变量的影响较困难。对于这个问题，需要通过精心安排 测试方案来解决，因为现场测试研究有室内试验研究和分析不可替代的作用， 不能因为难度大而不进行监测。 地基与路堤的沉降及变形规律，虽然可以通过离心模型试验以及数值分析 获得，但离心模型试验及数值分析模拟的条件是理想状态下的，而实际的地基 与路堤的沉降及变形受很多因素的影响，如施工、气候、工程地质条件等，实 际工程的路堤沉降及其变形规律是否与离心模型试验及数值分析结果一致，需 要进行进一步的验证。 2 2 现场监测内容与方法 监测内容：分竖向沉降与水平变形两部分，即路堤施工过程中及工后的地 基沉降和路堤各分层沉降、坡脚及路堤各分层边坡上的水平变形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 监测方法：地基与路堤各分层的竖向沉降采用沉降板测试，直接用水准仪 测量高程变化；坡脚及路堤各分层边坡上的水平变形通过埋设测斜管，用测斜 仪进行测试。 2 3 现场监测方案 2 3 1 测试断面地形及地质情况 测试断面有两处，分别位于达成线d i k 2 2 2 + 8 2 6 与d i k 2 2 2 + 8 4 4 。对 d i k 2 2 2 + 8 0 0 + 8 6 0 一段进行了现场勘察，勘察情况如下： 本段线路通过丘间洼地，地势平缓，地表垦为水田。该试验工点位于里程 d i k 2 2 2 + 8 0 0 + 8 6 0 段，全长6 0 m 。线路通过丘间洼地，地势平缓，地表垦为水 田。表层分布软土、松软土，厚4 l o m ，软塑状。路堤中心最大填高约9 5 m ， 边坡最大高度1 l m ，下伏基岩为强风化泥岩夹砂岩。 d i k 2 2 2 + 8 0 0 + 8 6 0 基床以下采用挖方弃土填筑，在全部清除表层软土( 松 软土) 后，采用2 5 t 以上振动碾压1 m 厚片石，片石顶面普通土回填至原地面并 清理整平成顺畅排水坡后，铺设一层双向5 0 k n m 土工格栅及o 5 m 厚的砂砾石 垫层。地质情况见图2 1 所示， 图2 - 1 。d ik 2 2 2 + 8 2 5 横断面地质剖面图 2 3 2 测试元件及测试仪器 本试验所用的测试元件的数量见表2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表2 - 1 测试元件及量测仪器汇总( 二个横断面) 编号元器件名称 型号 数量厂家= e ， 1 沉降板 6 0 0 6 0 0 l o m m1 6 块自制 2沉降标1 0 0 1 0 0 5 m m6 块自制 3测斜管7 12 0 0 m北京水电科学研究院 北京航天万新 4测斜仪 c x - 0 31 套 科技有限公司 5水准仪1 套新购 6基准桩2 个自制 2 3 3 沉降板的布置 ( 1 ) 沉降板的基本原理 沉降板的埋设位置是根据观测总沉降量、分层沉降量和横向不均匀沉降的 要求来确定的，将沉降板按路堤不同高度埋设在各层，并将其串联起来。埋设 在天然原地面的沉降板主要用来测量地基的沉降量；埋设在路堤不同高度上的 沉降板，主要用来测量路堤自身的分层沉降量；埋设在路基表面不同位置的沉 降板，主要用来测量路基表面的横向不均匀沉降。 ( 2 ) 沉降板的埋设过程 沉降板由一根直杆( 直径= 2 0 7 5 m m 的钢管或自来水管) 和6 0 0 x 6 0 0 l o m m 的沉降钢板组成。直杆用三根斜钢筋焊接在沉降板上，沉降板埋设在路基的底 面或砂垫层下。为了使沉降杆不受破坏，杆长应随填土升高而逐段接高。每段 接管的长度为l o o c m ，两端有螺纹接头与空心管紧绞连接。观测时，每段接管 的顶面应有相邻两期的观测标高。也就是说：第一段接管埋好后，随即测量管 顶标高，作为第一期观测值。待填筑_ 层土后，先在原项管面处观测标高，作 为第二期观测值。随即接上第二段接管，观测管顶标高。这样，循序逐节升高， 计算出每期观测的沉降量。 ( 3 ) 沉降板的埋设位置 为方便保护及减少对施工的干扰，测试断面设在d i k 2 2 2 + 8 2 6 及d i k 2 2 2 + 8 4 4 处。沉降板串连用来测试地基沉降变形，构造为6 0 0 x 6 0 0 l o m m ，沉降板分别布 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 置在路堤中心位置。详见图3 - 1 和图3 2 沉降板从小里程往大里程进行编号，其中d i k 2 2 2 + 8 2 6 断面有八个沉降板， 编号为d i k 2 2 2 + 8 2 6 第一级、第二级、第三级、第四级、第五级、第六级、第七 级、第八级；d i k 2 2 2 + 8 4 4 断面有八个沉降板，编号为d i k 2 2 2 + 8 4 4 第一级、第 二级、第三级、第四级、第五级、第六级、第七级、第八级。各沉降板对应的 埋设位置见表2 2 及图2 2 。 表2 - 2 沉降板埋设位置 第第第第第第第第 沉降板类型四五、七八 级级级级级级级级 d q 2 2距地基表面 o m0 8 9 m1 9 5 m2 8 m4 1 5 m5 0 5 m5 9 m6 8 5 m + 8 2 6的距离 d i k 2 2 2距地基表面 o m0 8 9 m1 9 5 m2 8 m4 1 5 m 5 0 5 m5 9 m6 8 5 m + 8 4 4的距离 硼嘲嗍嘲嘲孵， 。嗍”嘲哟嗍獬 图2 - 2 沉降板 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3 4 测斜管的布置 ( 1 ) 测斜的基本原理 测斜仪所反应的是土或结构物某一部位的倾斜度。以活动式的测斜仪管道 为例，来说明测斜的基本原理。在土中预埋一根管道，分成几节，彼此用接头 连接，使整个管道能随地基或路堤变形。变形后每节管道都有一个倾斜度a ；， 倾斜度的变化在管子两端产生了相应的水平位移差；。 其水平位移计算公式： a f = 缈l u 2 ) l 2 k g 式中：o 一地球重力加速度，为g ； j 卜加速度计的标度因数，为2 5 v g ； 卜导轮轮距5 0 0 m m ； 研、u 产测斜仪输出值v 。 对于一个测孔，在确定方向上，各测点的位移总和即为： 总= a f 以上测斜原理的描述见图2 3 。 垂 直 线 图2 - 3 测斜原理图 ( 2 ) 测斜管埋设工艺流程 。 首先用钻探工具钻成合适口径的孔，然后将测斜管放入孔内。测斜管连 接部分应防止污泥进入，测斜管与钻孔壁之间注入水泥浆填充。 在连接测斜管时，应将导槽对准，使纵向的扭曲减小到最小程度。放入 测斜管时，应注意十字形槽口对准所测的水平位移。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 在可能情况下，应尽量将测斜管底埋入硬层，作为固定端。 测斜管埋好后，待水泥浆凝固后，方可开始测量。 ( 3 ) 测斜管的埋设过程 测斜管用来量测地基和路堤不同高度边坡位置上的水平位移。测斜管在路 堤填筑高度每完成两米之后钻孔( 由1 0 0 ) 埋设，量测初值，并随路堤填筑高度增 加而进行一次测量。对应层填土填至设计标高后，在设计位置钻孔( 巾1 0 0 ) 至设 计深度，再将事先连接好的测斜管埋入钻孔中，待测斜管安放好后再注浆把测 斜管与钻孔壁间的空隙充满，等水泥浆完全凝固后，用测斜仪量测初始值，并 随路堤填筑高度增加而进行量测，每次的量测值同初始值之差就是路堤的累积 水平变形。 ( 4 ) 测斜管的埋设位置 1 成都 j 萋3 沉降板d i k 2 2 2 + ：4 4 臣 团 测斜管d i k 2 2 2 + 豳 1 萋 )00 0() ()00 0( 1 0 )( 9 )( 8 )( 7 )( ；)( 4 ) ( 3 )( 2 )( 1 ： tiii 测斜管编号 錾 沉降板d i k 2 2 2 + i3 2 6 豳 测斜管d i k 2 2 2 医羽 1 蓁 )00 0( )()00 0( ( 1 9 ) ( 1 8 )( 1 7 )( 16 )( 1 5( 1 4 )( 1 3 )( i 2 )( 卜n 、 图2 - 4 沉降板和测斜管布置平面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 文 萋b式、 ej 鼍 - 蕊砌，碧 ， 囊鋈萝 、笋 慝力鑫 冀 套 蕙 r 畦 f ) r - 毫 ：c 建 鼙 _ _ “ 一 暮 喧 垡 悼 型 世 营 蚤 j 0 0l0 0 1 0 0 蛙 叠 掣 年 签 一 亲 冒 6 西 班 喀 l | 薹f 魁 g 弈 国 $ 扩 鋈 夸 ， 薰心 s 删 一 出i 一 r 广、 一 朱 厂 l ， 一 厂 l 7 图2 - 5 沉降板和测斜管布置横断面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 地基与路堤的水平位移测试断面设在d i k 2 2 2 + 8 2 5 及d i k 2 2 2 + 8 4 3 ，测斜管 分别布置在路堤两侧平台坡脚、路堤距平台高3 m 、高5 m 、高7 m 的边坡和路基 项的两侧路肩上。从路堤右侧平台坡脚往线路中心，再往左侧平台坡脚由小到 大进行编号，其中d i k 2 2 2 + 8 4 3 断面十根测斜管编号分别为1 # - - 一1 0 # ，d i k 2 2 2 + 8 2 5 断面十根测斜管编号为1 l # 2 0 # 。详见图2 4 、图2 - 5 。 2 3 5 试验工点施工及测试元件埋设情况 ( 1 ) 沉降板埋设情况 2 0 0 6 年3 月到试验工点了解工点现状，2 0 0 6 年7 月1 4 日进驻工点，准备 埋设测试元件，此时d i k 2 2 2 + 8 0 0 d i k 2 2 2 + 8 6 0 松软土地基处理已施工完毕，双 向5 0 k n m 土工格栅及0 5 m 厚的砂卵石垫层已铺设。2 0 0 6 年7 月1 5 日开始， d i k 2 2 2 + 8 0 0 d i k 2 2 2 + 8 6 0 段开始填筑路堤，至8 月1 4 日时，路堤已填至6 5 m ( 距换填的卵石层) 。d i k 2 2 2 + 8 2 6 和d i k 2 2 2 + 8 4 4 两个断面沉降杆随路堤填筑高 度增加而接长。截止2 0 0 6 年8 月1 4 日，已将这两个断面其中的十四个沉降板 ( 一个断面七个) 埋设到预定位置。随后于2 0 0 7 年3 月1 日开始继续填筑路堤 至8