（道路与铁道工程专业论文）京沪高速铁路济南西客站路桥过渡段路基变形与处理措施研究.pdf

中文摘要 摘要：近年来，随着列车速度的提高，使得原本问题就很严重的路桥过渡段面临 着更加严峻的挑战，主要原因是是由于轨下支撑条件和地基处理措施不同，使得 路基与桥梁的刚度差别极大，从而引起轨道刚度的突变，导致线路的不平顺。 论文首先论述了路桥过渡段差异沉降产生的危害和原因，比较了不同的处理 方法。随后着重研究了减小路桥过渡段沉降差的机理。在理论分析的基础上，利 用有限单元法对c f g 桩地基加固处理路桥过渡段差异沉降进行了二维非线性有限 元分析。并对c f g 桩不同的桩间距，不同的桩长度进行了计算分析，结果表明： ( 1 ) 对于过渡段横断面，c f g 桩从路基中间向路基两边渐变能有效地缓和沉 降盆地。 ( 2 ) 对于过渡段纵断面，路桥过渡段的最大沉降处随着桩密度或长度的增加 而逐渐远离桥台，过渡段范围变大，过渡段地基桩的密度和长度由桥台向路基渐 变的加固效果最好，桩长度渐变和桩密度渐变的地基处理方式可以很好地控制沉 降差。 ( 3 ) 本文在理论分析和数值模拟计算结论的基础上，给出了过渡段需要加强 的范围，进而提出了过渡段路基的加强措施。 本文二维有限元分析所得的结论对治理路桥过渡段不均匀沉降具有借鉴意 义，可供类似工程设计参考。 关键词：路桥过渡段；差异沉降；非线性；长短桩；桩密度：路基加固；c f g 桩 复合地基 a bs t r a c t a b s t r a c t ：b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns u p p o r t i n go fr a i la n dt r e a t m e n to f s u b g r a d ei nt h eb r i d g e s u b g r a d e t r a n s i t i o ns e c t i o n , t h e r ei st h er i g i d i t yd i f f e r e n c e b e t w e e nb r i d g ea n ds u b g r a d e t h e nr a i l sr i g i d i t yw i l lg e ta b r u p t l yc h a n g e a sar e s u l t , r a i l w a yw i l ln o tb es t r a i g h t a n ds e t t l e m e n ti nr o a d b e di sn o tc o n s i s t e n tw i t hb r i d g e a b u t m e n t ，w h i c hw i l ld e s t r o yt h er a i ls m o o t h n e s s f i r s t l y , h a r ma n dt h eo r i g i no f d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to f b r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o n s e c t i o na r ed e s c r i b e da n ds e v e r a lu s e f u lt r e a t m e n t sa r ec o m p a r e d a tt h es a m et i m e , r e c e n td e v e l o p m e n t so nd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ti no u rc o u n t r ya n d0 1 1t h ew o r l da r e p r e s e n t e d s e c o n d l y , t h er e i n f o r c e dm e c h a n i s mo fb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o ni s a n a l y z e de m p h a t i c a l l y b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，at w od i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si su s e dt oa n a l y z ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o n s e c t i o nw h o s ef o u n d a t i o ns t r e n g t h e n e db yc f gp i l e sw i 廿ld i f f e r e n tl e n g t ha n ds p a c i n g r e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) t h es u b s i d e n c eb a s i nc a nb em i t i g a t e dw h e nt h ec f gp i l e so fr a i l w a yc r o s s s e c t i o ng r a d u a l l y c h a n g ef r o mt h em i d d l et ob o t hs i d e s ； ( 2 ) t h el o c a t i o no ft h em a x i m u ms e t t l e m e n tm o v e sa w a yf r o mt h ea b u t m e n ta st h e i n c r e a s eo fd e n s i t yo rl e n g t ho fp i l e s t h es c o p eo fs u b g r a d ei nb r i d g e s u b g r a d e t r a n s i t i o ns e c t i o ni n c r e a s e sa tt h es a m et i m e d e n s i t yo rl e n g t ho ft h ec f gp i l e si n r a i l w a yv e r t i c a ls e c t i o ng r a d u a l l yi n c r e a s e dc a na t t a i nt h eb e s te f f e c t t h e s ei n d i c a t et h a t d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fb r i d g e - s u b g r a d es e c t i o nc a l lb ew e l lc o n t r o l l e db yu s i n gt h e m e a s u r eo fp i l e sg r a d u a l l yi n c r e a s ed e n s i t yo rl e n g t h ( 3 ) t h es t r e n g t h e n i n gs c o p ea n dm e a s u r e so fs u b g r a d e i n b r i d g e - s u b g r a d e t r a n s i t i o ns e c t i o na r es t u d i e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n c o n c l u s i o n s t h es t r e n g t h e n i n gs c o p ea n dm e a s u r e st od oi nf i e l dt r a n s i t i o ns e c t i o na r e d i s c u s s e da tt h ee n d s o m ei n f e r e n c e sa r ep r o v i d e df o rt h es i m i l a re n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：b r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ；n o n l i n e a r ； l o n g - s h o r tp i l e ；d e n s i t yo f p i l e s ；s u b g r a d er e i n f o r c i n g ；c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 善良 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， 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) 学位论文作者签名： 鎏座 导师签名： 签字日期吖年占月咖 签字日期 否其啪b 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实验室的科研工作，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。 在实验室工作及撰写论文期间，姜龙博士、丁桂伶博士等师兄师姐以及刘莉、 王婷、潘意、邓兆俊、王旭、麻金伟等同学对我论文工作给予了热情帮助，在此 向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人跟朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 生k 。 1 绪论 1 绪论 1 1 路桥过渡段问题及其研究现状 近年来高速铁路发展迅速，法国的t g v 、日本的新干线、德国的i c e 、西班 牙的a v e 等世界有名；我国的广一深准高速铁路、秦沈客运专线的建成和投入运 行，以及在建的京沪高速铁路、武广客运专线等，也显示出高速铁路在我国的蓬 勃发展趋势。总之，高速列车以其快捷、舒适、安全、经济、效益高、运量大、 占地少、与人类生存环境高度协调而逐渐征服一个又一个国家，把人类带入有轨 运输的又一个崭新时代【l 2 】。 高速铁路具有快速、安全、舒适的优点，是发达国家一种高效的交通运输方 式，至今已有多个国家兴建了高速铁路和客运专线，并在高速铁路的技术上积累 了较为成熟的经验。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的日益提高， 在我国修建客运专线和高速铁路网是我国铁路满足人民日益增长的物质需要，也 是适应国际、国内市场竞争的要求。为此，我国铁路的科研、设计、施工等部门 在“八五 、“九五 期间在对国外高速铁路技术进行学习和借鉴的基础上，对高 速铁路的许多关键技术进行了较为细致和深入的研究，取得了大量的成果，并在 此基础上制定了京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定、时速2 0 0 公里客运专 线线桥隧站设计暂行规定、时速2 0 0 公里客运专线线桥隧站施工技术细则等 有关规定和政策。 1 1 1 路桥过渡段结构特点及过渡段问题 高速铁路的发展必须以安全、可靠、舒适等为前提，这些均取决于构成铁路 系统各方面的高品质和高可靠性。其中，铁路线路的稳定与平顺是必不可少的条 件之一。高速铁路的轮轨系统，从结构上分为轨上系统、轨下系统两部分。轨上 系统指走行部分即机车车辆，轨下系统包括钢轨、轨枕、道床和路基。列车的高 速行驶必须由高平顺性和稳定的轨下基础来作保证，因此控制变形是轨下基础设 计的关键。各种不同的轨下结构形式的首要目的，是为高速线路提供一个平坦、 均匀和稳定的轨下基础。轨道的轨下基础是由道床和路基，它是整个线路结构中 最薄弱、最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源，它们在多次重复荷载作用下 所产生的累积永久下沉( 残余变形) 将造成轨道的不平顺，同时它们的刚度对轨 道面的弹性变形也起关键作用p j 。 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 过渡段结构特点 公路和铁路都不可避免地遇到道路与桥梁( 涵洞) 端头连接处的过渡段，过渡 段除具备路基的所有特征外，还有其本身的特殊性。铁路线路是由不同特点、性 质迥异的构筑物( 桥、隧、路基等) 和轨道构成的，它们相互作用、相互依存、 相互补充，共同构成一条平滑线路。由于组成线路的结构物一桥梁、涵洞等在同 路基相连接地段，强度、刚度、变形、材料等方面的差异巨大，以及较大差异沉 降的产生和存在，这必然会引起轨道的不平顺，车辆通过路桥( 涵) 过渡段，常 常会产生“跳车 现象，大大降低了车辆运行的安全性和舒适度。桥头“跳车 范围，对于通道、涵洞，一般在台后5 m 左右，对于大中桥而言，往往在l o m 或 更长，甚至达到2 0 m 。 ( 2 ) 过渡段问题的产生 对于高等级公路( 特别是高速公路) ，路桥过渡段存在较为普遍的问题是：路 面在桥台背后回填土处沉陷或开裂，车辆通过台背回填处“跳车 ，桥头“跳车” 使快速行驶的车辆颠簸、振动，产生噪音，车辆在跳动时会使车轮损失部分牵引 力，当桥面结冰时，跳动还可能使车体失控、滑移，这样不仅影响行车速度和行 车舒适性，还会使桥台台背、桥头伸缩缝以及接缝路面遭到破坏，严重时还会导 致交通事故。 对于铁路路桥过渡段，当路桥( 涵) 间沉降差达到一定程度，会破坏线路的 平顺，危及行车安全和旅客的舒适度，并且沉降差还会使列车高速通过时产生对 线路较大的附加动力作用，这种动力作用会加剧沉降差发展，加速路基破坏，还 可能使过渡段处结构破坏，导致路基排水不良，积水下渗到路基内部，从而降低 土体强度，使沉降增大。这种危害不仅增加维修养护的工作量和难度，而且影响 线路上列车的运行速度，从而在整体上影响铁路的经济和社会效益。由于车辆通 过桥头时产生的跳动和冲击，对桥梁和路基造成附加的冲击荷载，加速了桥台、 支座及伸缩缝的损坏，同时也加剧了车辆部件和轮轨的磨损，增加了维修费用。 路桥过渡段的路基面也因列车的往复冲击而出现变形，形成道碴囊、槽等，致使 轨枕摆动或悬空，产生永久性铁路变形，损伤轨道部件、破坏轨面及轨距，降低 行车效率或因脱轨危险而中断行车。因此，过渡段的危害与路基桥涵之间的沉降 差和刚度直接有关。同时过渡段的危害还与列车上下桥方向、列车运行速度等因 素有关。一般来讲，列车下桥方向对过渡段路基危害较大，行车速度高时对过渡 段危害大。所以确保过渡段刚度的平顺过渡是减小过渡段危害的重要保证。大量 调查分析说明，我国铁路路桥过渡段病害广泛而严重，经常的维修使得一些线路 桥台后的路基道碴囊深厚度达2 3 m ，纵向延伸l o 3 0 m 。国内外资料表明，因桥 头“跳车 而增加的道路维修费用大得惊人，以美国为例，大约2 5 的桥梁( 约 2 l 绪论 1 5 万座构造物) 受到桥头“跳车打的影响，全国每年为此花费的维修费用预计高 达1 亿美元以上。因此，对过渡段问题的研究就变得具有异常重要的意义【4 】嘲。 1 1 2 路桥过渡段线路结构变形不一致的原因分析 路桥过渡段受到高速运行车辆动荷载的作用时，在桥头处往往会出现较大震 动的跳车现象，过渡段问题中，这种桥头跳车最为常见，并且最为人们所感受， 其产生的直接原因是刚性桥台结构物与柔性路堤连接处所产生的刚度差，以及在 桥台台尾连接地段( 过渡段) 因行车荷载的反复作用，填土在固结沉降过程中产 生了较大的差异沉降。过渡段区域所存在的刚度差及沉降差问题是导致线路不平 顺的根本原因。产生这种现象的主要原因有以下几个方面： 1 地基条件原因 现在许多既有线路都是修筑在条件差并未经很好处理的软弱地基土上。在软土 地基上，路桥过渡段的路和桥的工后沉降是不同的，因此在路桥过渡段处必有沉 降差。 路桥过渡段由于其结构的原因，桥头路基的填筑高度较大，产生的基础应力也 较高，因此在路桥过渡段产生的沉降较其他的路段要大些。 地基土的性质及结构不同，所产生的沉降和沉降达到稳定所需要的时间也不 同。对于粉质土地基和中、低压缩性的黏土地基，其全部完成沉降需要几年时间； 对于高压缩性黏土地基饱和黏土地基，则全部完成沉降需要十几年甚至几十年时 间。所以，地基工后沉降是地基造成桥头跳车的成因。 2 路台后路堤填料的原因 桥台后路堤填料一般全是填土。由于施工的原因，往往作业面相对狭小，碾压 质量不易控制，其压实度达不到设计要求。即使施工时压实度全部达到了设计的 要求，但因运营时路堤填土本身的自重和动荷载的作用，也将使路堤填土进一步 压缩变形，使得路桥过渡处出现沉降差。 桥台前的防护工程由于受到土压力的水平作用，将产生一定的水平位移。这 一水平位移将会使路桥过渡处的路基出现沉降变形。 路桥过渡处长会产生细小的伸缩裂缝，经过地表水或雨水的渗透后，会使路 基填土出现病害，强度降低，产生沉降。或由于水的渗透流动带走填料中的细颗 粒土，使得路桥过渡处出现沉降变形。 3 设计及施工原因 设计时对路桥过度区段的施工碾压过程考虑不周，对填料的要求不严格，桥台 后的排水设计考虑不周，都将影响其施工质量。 3 北京交通大学硕士学位论文 施工时对工期或工序安排不当，以至使路桥过渡区段的填土碾压工作安排在施 工工期的尾部，被迫赶工期，不能够很好地控制填土压实质量，使得填土本身出 现沉降变形。 施工时对路桥过渡区段的回填料不按设计要求填筑，或采用不良填料，或碾压 厚度超过要求，或压实度达不到设计要求，都将造成质量缺陷。 施工时碾压器械配置欠佳，压实功率不够，不进行分层次质量检查，也会使压 实质量达不到控制要求。 4 重桥轻路意识的原因 设计和施工中重桥轻路的意识是影响路桥过渡段施工质量的又一因素。目前在 铁路建设工程中，特别是高速铁路将要建设的工程中，桥梁建设不仅工程规模大， 投资多，而且有时还是保证线路正常通车的关键。从以往的施工看，往往是路桥 分家，重桥轻路。桥梁施工中集中了大量精干的工程技术人员，而路基施工都未 能投入必要的技术人员。在设计中没有把路桥过渡段作为一种结构物来考虑，没 有较为合理的设计要求。在施工过程中路桥过渡区段又是质量控制的薄弱环节。 往往在铺轨架桥时，或正常运营一段时间后，路桥过渡区段的问题才明显出现。 5 路基与桥台结构差异的原因 桥台一般是刚性的，而路基则是柔性的。由于这两种结构的差异，在路桥过渡 区段内，当受到动荷载作用时，在刚柔之间必然存在着沉降差。路桥过渡区段由 于其刚性不同、自重不同、强度不同，在外力作用下又是应力集中区域，因此是 影响线路运营的薄弱环节。 与桥墩相比，路桥过渡区段桥台的水平稳定性更处于不利的位置。桥台前后由 于荷载条件不同，桥台前没有荷载，桥台后有填土的水平土压力的作用，使桥头 受到较大的水平推力。如设计和旅工时没有相应的措施，则往往会造成事故，如 软基上出现的桥台移位、桩基剪断等。 除以上主要原因外，在路桥过渡区段，影响线路运行质量的因素还有： ( 1 ) 桥上轨道技术状态和种类。桥上是有渣轨道还是无渣轨道，桥上轨枕垫 刚度值的大小，都与传递到桥头上的作用力的大小有关。 ( 2 ) 路桥过渡区段轨道技术状态和种类。过渡区段内钢轨和轨枕类型以及钢 轨是否有接头或损伤，与传递到路基上的作用力大小有关。 ( 3 ) 机车车辆的类型、运行速度和技术状况。过渡区段内动荷载( 轴重与轮 轨冲击力) 的大小与机车车辆类型、运行速度和技术状况等有关。 4 1 绪论 1 1 3 路桥过渡段处治措施研究 如前所述，桥台与台背填土之间的不均匀沉降是产生桥头跳车的主要原因。 国外针对由于不均匀沉降产生的桥头跳车病害所造成的巨大养护和维修费用，及 其所引起的不良社会反映，通过对大量桥头跳车病害的调查，提出了一些预防措 施。【6 】归纳起来主要有以下三类：( 1 ) 在过渡段较软一侧，增大基床刚度，减小路 堤沉降；( 2 ) 在过渡段较软一侧，增大轨道竖向刚度；( 3 ) 在过渡段较硬的一侧， 通过设置轨下、枕下、碴底橡胶垫块( 板) 来调整轨道竖向刚度。国内很多科研 机构和院校针对桥头跳车开展了大量研究，也提出了不少新方法和新工艺，大致 可归纳为表1 1 表1 1 路桥过渡段桥头跳车处理方式 t a b l - lt r t m e n t so f b u m p i n ga tb d d g e - h e a d 处治思路 处治方法 提高路基填土的压实度 减小路基 换填( 碎石等) 桥头 压缩变形 挤密桩 跳车 加筋( 土工网等) 处治 桥头搭板 方法 沉降过渡方法渐变桩 柔性桥台 地基处理( 粉喷桩，超载预压等) 减少地基沉降 采用轻质材料填筑路基( 聚苯乙烯泡沫塑材( e p s ) 等) 1 设置桥头搭板 采用桥头搭板来防止桥头跳车现象是目前一种比较常见的处治方法。搭板设 计的基本思路是将桥台与路堤衔接处因较大差异沉降引起的路面纵坡突变通过设 置桥头搭板进行缓和过渡，将路面纵坡变化限制在容许范围内，从而达到消除桥 头跳车的目的。搭板一般为钢筋混凝土结构，常见的设置方法为：板的一端搁置 在桥台上，另一端搁置在路堤上( 有时也在板下设置枕梁) 。搭板的宽度与桥面板 相同，厚度一般为2 0 c m 4 0 c m ，大部分长度在5 m 1 2 m 之间。 桥头搭板应用较早，使用也最广泛，因此，针对桥头搭板的研究工作也开展 最多，主要可分为以下三方面： ( 1 ) 应用理论分析和有限元方法，进行搭板的内力计算、配筋设计及几何参数 优化。 郑传超【4 8 】应用有限元方法对桥头设置搭板和不设置搭板的路基路面结构受力 5 北京交通大学硕士学位论文 特性进行了研究，并分析了搭板几何参数对搭板应力和宽度的影响。文章还讨论 了搭板下地基脱空和非均匀对搭板受力和变形的影响，通过计算得到了搭板配筋 设计的诺漠图，最后给出了路桥过渡段的设计方法。 王康【5 3 1 将搭板的计算分为均匀沉降和局部脱空两种，搭板均匀沉降时按弹性 地基板计算，局部脱空时将搭板分为简支板和弹性地基板两区段，通过力的平衡 条件计算内力。计算结果表明，搭板截面内力较大，配筋量较多，适宜长度在5 8 米。 刘文全【4 9 】应用样条有限元法计算一端简支，三边自由，以文克勒地基模型作 为弹性支承的桥头搭板局部脱空以后的应力变化规律，并就脱空区长度等因素对 搭板内力的影响进行了讨论。结果表明，搭板脱空区长度超过h 后，内力急剧增 加。脱空区长度一定时，地基反应模量及搭板长度的变化、是否设置枕梁都对搭 板内力影响不大。 王淑波【删采用非线性有限元分析方法，对斜交搭板的受力特性及影响受力的 各种因素进行了深入细致的分析。计算分析表明，搭板存在一个“内力有效长度刀 b 板长的增加对内力影响不大，板长宜取l c f ，随着脱空区长度的增大，搭板内 正弯矩迅速增加，枕梁以位于l 。水附近效果最好，搭板厚度以3 0 c m 为宜。 由于搭板下路堤变形的影响因素较多，使得搭板下脱空区的长度带有随机性 且不便预测，目前通常的做法是将搭板进行分区段设计，日本高等级公路设计 要领将搭板以顺桥向长度7 0 作简支梁计算。我国也有将设置枕梁的单段式板 按9 0 的板长作为简支板计算。 ( 2 ) 在总结工程实践经验的基础上，优化搭板的结构形式。 程翔云较为系统地总结了桥头搭板的设计方法：包括搭板类型、搭板的构造 与设计、搭板埋置方式、搭板与桥台的连接构造，搭板的简化计算、枕梁设置等。 ( 3 ) 针对桥头搭板使用过程中出现的病害开展相应维修方法的研究。 马炽藩介绍了用可抬升搭板处治桥头跳车的方法，即在枕梁下预留工作井， 采用千斤顶调整搭板的纵坡，从而消除桥头跳车。起吊式搭板的处治思路也基本 相同，只是具体施工工艺有所差异。 如前所述，为了达到消除沉降差的目的，避免产生行车的不舒适感，一般认 为，最有效的桥台搭板长度为足以保持其坡度在3 0 o o , - - 6 0 o o 以下且能承受全部行车荷 载的搭板。因此，若假设工后沉降为l o o m ，坡度按5 计，则板的长度需要2 0 m 以上，这对于大部分中小桥来说，是很不经济的。由于实际施工中搭板长度都较 短( l o m ) ，因此，设置桥头搭板对于较大的差异沉降仍旧无能为力。另外，从 已建高速公路的大量调查资料显示，桥头搭板对于过渡较小的沉降差效果明显， 但较多的情况又增加了一些新的病害。 6 1 绪论 2 土工格网加筋 利用土工加筋处治桥头跳车，国外从2 0 世纪8 0 年代开始研究，已进行了大 量室内和室外试验，取得了良好效果。在美国，怀俄明州公路局应用土工加筋处 治了3 0 多座桥台，结果表明加筋能起到减缓桥头跳车的目的【1 2 】【1 3 】【1 伽。 在我国，作为交通部“八五 攻关项目，原长沙交通学院自1 9 9 1 开始进行了 土工网处理桥头跳车的大量研究工作，包括室内模型试验、数值分析和原位测试。 此后，随着土工加筋的推广应用，开展了设计理论的研究，并对设计方法及施工 工艺进行了完善，编制了相应的计算程序进行优化设计【l 引。 土工网处理桥头跳车的作用机理是：一方面，利用锚固的加筋材料一端的张 拉作用，在台背局部范围，分层阻止填料顺台背的沉降。另一方面，由于土工网 的作用，土颗粒受到约束，土体本身颗粒间以及土颗粒与土工网接触面间的摩擦 咬合作用增强，土体中的部分应力得到扩散和转移，从而使土体的垂直应力和水 平拉应力明显降低，而土体剪应力明显提高，土体的承载能力，抗变形能力因此 得到明显提高。 研究表明，土工网铺网长度由下而上按1 t 的坡率增加，最上一层不宜小于9 m ， 铺面层间距以5 0 e m 左右为宜，土工网格应张拉锚固于桥台背，填土的压实度以 8 5 9 0 比较有效。填料以砾石土、碎石土为宜；同时，土工隔网必须具有较高的 抗拉刚度。近几年，通过上工合成材料加筋来处理桥头跳车的方法正越来越多地 受到人们的重视，并不乏成功的范例。我国公路土工合成材料应用技术规范 中给出了桥头路堤加筋的两种形式。其中土工格栅底部最小长度取2 5 4 米，并从 下至上l ：l 的坡度延长，并给出了垂直方向的布置间距计算公式。但土工格网作 为一种平面结构，其对路基刚度的提高有限，但对填料的要求却比较高，更重要 的是由于土工网的锚固作用只能阻止桥头较短距离内路堤填土的沉降，而对桥头 路堤其它区域只能减小部分的路基压缩变形，不能消化由于地基沉降所产生的变 形量，而地基沉降在大多数桥头跳车中起着主要作用。因此，上工网对于减小由 于桥头压实度偏低造成的附加变形较为有效，其适用于地基条件较好情况下的桥 头跳车处理。目前，设计部门较多采用的是将搭板与土工格栅加筋结合的方式处 治桥头跳车【1 5 】【1 6 】t 1 7 】。 3 台背换填 蒋功雪【8 】提出了“刚柔过渡处治桥头跳车的观点。其基本处治思路是使用 某种处治方法在路堤与构筑物之间过渡两者的刚度差，从而使两者的差异沉降在 这一范围内渐变，消除桥头跳车。根据“刚柔过渡 原理选用半刚性材料( 灰土 和水泥改良土) 进行台背回填，回填尺寸为：底长最短为2 米，对于台背填土与 路基原状土采用1 ：l 坡度相接，对于路基土为回填土部分采用1 ：1 5 相接，并从 7 北京交通大学硕士学位论文 设计、施工、监理等方面给出了经验参考。 台背一定范围内采用模量比较大，容易压实、排水性能好的材料进行换填， 例如级配碎石、砂粒等是一种应用广泛的台背填筑方法，从作用机理看，它也属 于刚柔过渡原理的一种。这些填料经过压路机压实后，压缩模量大，水稳定好， 可以大为减小路基的压缩变形，但很多地区尤其是西部地区，换填材料比较缺乏， 从而导致造价偏高而不便应用。 由于路堤的沉降由路基沉降和地基沉降构成，通过台背回填可以减小路基自 身的变形，但其不能消化地基所产生的沉降，因此台背回填方法需结合其它处治 方法才能较好地过渡桥台与路堤的沉降差。 4 采用轻质填料 ( 1 ) 采用泡沫聚苯乙烯e p s 材料 e p s 具有重量轻、稳定好、变形模量较大的优点。其一般容重在0 3 k n m 3 左右，为一般填土容重的1 2 。日本、法国、挪威等国采用e p s 成功解决了一些 桥头路堤的不均匀沉降问题。国内，洪显诚等对e p s 材料在桥头软基处理中的应 用进行了试验研究，研究表明，e p s 用于填筑路堤可显著减小地基的附加应力， 从而减小地基的沉降量，且其具有足够的承载力，能满足上部路面结构层和行车 荷载作用的强度要求，并且符合刚度要求。但e p s 原材料价格较贵，会大大增加 其工程造价。因此，国内应用e p s 处治桥头跳车的工程事例还较少。 ( 2 ) 采用粉煤灰 粉煤灰和一般细粒上相比具有自重轻( 减小2 0 以上) 、强度高、压缩性小， 透水性能良好等特点。在一定的工艺条件下，可形成具有一定强度的整体性材料。 用其填筑路堤，可有效减小桥头路堤的总沉降。但粉煤灰压实后基本无塑性，只 有在一定含水量下才能成型，但干后会消散成粉末。其次毛细水作用影响较大， 雨水或内部渗流时宜流失。因此，必须在设计中采取相应措施，发挥其有利因素， 避免其不利因素。 刘松【9 】对粉煤灰中掺入一定剂量的石灰和水泥填筑桥涵台背来防止桥头跳车 的新方法进行论述，提出技术可行、经济合理的配合比，黄黄高速公路一座大桥 台背用此方法处理取得了良好的效果。 文献【5 】针对加筋粉煤灰混合料开展了工程力学性质的研究，并进行了加筋粉 煤灰路堤的室内模拟试验，通过对试验工程的观测，结果表明采用地基综合处理 与轻质整体性路堤相结合的技术措施能有效地治理桥头跳车病害。 5 挤密桩复合地基 采用挤密复合地基的方法来处理路基填土，是利用在填筑完毕的路基上成孔， 通过挤密作用，使路基土密实度提高，然后在孔内填入材料并振动压实成桩。随 8 1 绪论 着路基向桥台的靠近，可通过桩变长或减小桩间距的方式，使路桥过渡段刚柔得 到过渡。由于桩的挤密和置换作用，路堤填土的密实度提高，应力减小，路堤整 体刚度增大，从而减小了路堤的压缩变形。常用的挤密桩有砂桩、土和灰土桩及 二灰土桩等。虽然土桩的材料较为低廉，但其需要一整套打入桩施工设，故在经 济上代价较高。 刘绍云等提出了采用渐变混凝土桩根治桥头跳车的方法。它首先在填筑完毕 的路基上选择适当长度范围内，用麻花钻机钻4 0 c m 的干孔，平面布置成三组群桩 ( 每组两排，每排5 根桩) ，并且逐渐减短桩长，以此渐变路基变形量；然后灌入 膨胀混凝土，使路基密实度增加。最后在混凝土桩顶铺设钢筋混凝土路面，由此 形成渐变混凝土桩刚性过渡段。渐变混凝土桩属于刚性挤密桩的范畴，但其相对 于半刚性挤密桩造价偏高。 刘代全等应用半刚性挤密桩实现桥头刚柔过渡来处治桥头跳车，该方法是利 用半刚性挤密桩加固搭板枕梁基础及附近一定范围内的路堤，减小搭板路基端的 沉降，从而实现沉降的过渡。 6 设置柔性桥台 从作用机理看，柔性桥台基本等同于加筋土挡墙。采用柔性桥台结构来降低 桥台的刚度，缩小桥台和路堤的刚度差，使其衔接处的行车荷载压缩变形和填土 固结沉降均匀过渡，达到消除路面纵坡突变防止桥头跳车的产生。国外也有这种 柔性桥台的报道，甚至有多跨的桥墩也用加筋做成柔性桥墩，但柔性桥台一般适 用于个别简单桥梁结构形式，而且施工难度大。 土工格室是2 0 世纪8 0 年代在国际上出现的一种新型土工合成材料。这是一 种高分子聚合物宽条带经强力焊接而形成的三维网状结构，它伸缩自如，运输时 可缩叠起来，使用时张开，并在格室中充填砂、碎石或泥土等材料，构成具有强 大侧向限制和大刚度的结构，同筋材平铺相比，土工格室加筋上的优越性可以归 纳为以下几点：平铺加筋时，加筋体只是筋材本身：而对土工格室加筋而言， 加筋体己变成了格室及填料构成的复合体；平铺加筋的抗拉性能是通过土筋界 面摩擦而发挥的；而格室筋材是通过直接限制填料的侧胀而发挥出来的，因而更 能利用筋材的抗拉性能；对格室体而言，“土筋摩擦系数就是填料本身的内摩 擦系数，因而可以提供比平铺加筋大得多的粘着强度。 长安大学与甘肃省交通厅合作，在国道3 1 2 线柳忠高速公路黄土地区的六个 桥台台背处理中首次采用了楔形柔性搭板的处治方法。用土工格室作为载体的楔 形柔性搭板既能起到土工格室限制路基填料侧向位移、分散路基应力、减小路基 压缩变形的作用，同时利用土工格室与填料组成的复合体具有较大的弯拉刚度、 抗剪强度的特性，柔性过渡桥台与路堤的沉降差，从而达到消除桥头跳车的目的。 9 北京交通大学硕士学位论文 同时，其填料可就地取材，从而缩短工期，减小造价。应用实践证明，楔形柔性 搭板技术能够较好地消除桥头跳车现象，但土工格室楔形柔性搭板作为一种新的 处治方法，有必要深入分析其处治跳车的作用性状和机理，有必要对一该方法的 适用性进行研究，从而优化设计，指导工程实践。 7 软弱地基处理 桥头软弱地基在路堤填上荷载作用下产生的较大工后沉降是导致桥台与路堤 沉降差的主要因素，故高速铁路桥头软土地基的处理不同于一般地基，它不仅要 解决地基的强度问题，更重要的是由于桥头路堤对其工后沉降的严格要求，地基 变形的控制往往是关注的重点。这就为地基处理提出了更为严格的要求。 我国铁路沿线凡遇软上地段都采用了相应的措施。通过多年的工程实践和总 结，现在铁路的软基处理中常用的有两类：一是排水固结法，二是复合地基法。 排水固结法包括袋装砂井、塑料排水板、超载预压，真空堆载预压等，复合地基 法包括水泥搅拌桩、粉喷桩、钢渣桩等，两类方法各其适应性和特点，排水固结 法工程造价较低，但预压工期较长，工后沉降较大，而搅拌桩复合地基可以大大 减小地基总沉降量，并能使之在较短时间内趋于稳定，但其工程造价较高，且施 工质量不能完全保证。一些新型的桩基型式也在一些地区的桥头地基处治中得到 应用，如杭雨高速加宽工程中，采用预应力管桩和y 型桩处治桥头软土地基，并 取得了一定的效果。但实践证明，软土地基沉降引起的桥头跳车在大多数高速公 路上并没有很好地得到解决。究其原因，一是由于工程造价和施工工艺的原因， 桥头地基处治；没有打穿软土层，从而导致软弱下卧层产生较大的工后沉降；二 是软土地基路基堆载时间不充分。我国的高速公路、铁路建设，一般工期在三年 以内，往往一旦开工就要求提前竣工，软土地基孔隙水压力没有得到充分消散， 固结过程没有完成，从而导致过大的工后固结变形和次固结变形。因此，对于桥 头软基处治而言，保证合理的工期，让软土地基在加载( 超载) 预压情况下有更 长的时间固结沉降至关重要。 虽然管理单位和工程设计人员对桥头跳车的危害己经有了比较清晰的认识和 足够的重视，在具体的工程设计中也采取了不少处治措施，取得了一些成功的实 例。但路桥过渡段作为一个复杂体系，路桥过渡段的处治应突出“综合处治 的 思想。国内外的研究主要集中在改变路基刚度和轨道刚度上，仅仅只单独考虑上 部结构的过渡，对地基采取如路堤、轨道那样的过渡的研究比较少。 路桥过渡段路基沉降包括路基填土的沉降和路基下地基的沉降两部分。路基 填土即是荷载体又是构造体，路桥过渡段经处治后的路基填土不仅要适应路基本 身的变形，更重要的是该填土体还要适应路基下地基产生的容许沉降变形。路基 填土体消化自身的变形比较容易，而要消化地基的变形就比较困难了。 1 0 1 绪论 因此，一种处治方法的适应性研究实际上主要就是研究其消化路基下地基沉 降变形的能力。本文主要研究站场大断面路基路桥过渡段地基采用c f g 桩处理后 路基的沉降和变形。 1 2 地基沉降研究现状 1 2 1 地基沉降理论 世界上关于地基沉降的计算方法很多，我们目前所用的计算方法大多是建立 在t e r z a g h i 等人创立的经典土力学基础上的，引入了许多简化假设，虽与实际情 况不完全相符，但由于其具有简便、直观、计算参数少且易取得等优点，因而在 工程中得到广泛应用，并且被纳入规范。 暂规计算软土地基的总沉降量( s ) 时，按瞬时沉降( s d ) 与主固结沉降 ( s 。) 之和计算。此外，当地基为泥炭土、富含有机质粘土或高塑性粘土时，应考 虑计算次固结沉降( s 。) ，即 s = s s t + s 。( 1 1 ) 1 瞬时沉降 瞬时沉降又称为初始沉降或不排水沉降，是荷载作用下立即发生的沉降，它 是在地基土不排水加载期间产生的。对于严格的一维变形情况，瞬时沉降很小。 对于土体的二维( 平面应变) 或三维变形情况，则瞬时沉降在地基的总沉降量中 占有相当大的比重。 在国内的工程设计中，通常是在主固结沉降计算的基础上，用经验系数进行 修正，以便考虑瞬时沉降以及其他因素的影响。 2 主固结沉降 主固结沉降是由于外荷载引起的超孔隙水压力的水力梯度促使水从土内排 出，而应力增量转移到土骨架上而发生的沉降，这是一个与时间有关的过程，主 要发生体积的变化。主固结沉降的计算理论经历了：t e r z a g h i 一维固结理论一 t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论( 二维、三维) 一b i o t 固结理论( 真三维固结理论) 三个阶段。 t e r z a g h i 一维固结理论极大地促进了土力学的发展，但是对于压缩性高，应力 一应变呈非线性关系的软土，一维固结理论对软土后期沉降的计算曲线与实际沉 降历时曲线有相当大的误差。t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论考虑了土体的二维、三维 条件，虽然未考虑应力与应变需要满足的相容条件，但是在实际工程中，因其计 算精度与实际结果相当接近而被广大技术人员所接受。b i o t 固结理论由弹性理论 北京交通大学硕士学位论文 直接推导而来，确保了土中应力和应变所需满足的相容条件，可以计算土体在任 意时刻的应力和变形，但是由于数学手段的局限，直到二十世纪六十年代末，随 着计算机和有限元理论的发展才得到有效的应用。 3 次固结沉降 次固结沉降又称排水蠕变，其主要组成部分是在超孔隙水压力完全消散以后， 即有效应力不变的情况下，由于土的固体骨架长时间缓慢蠕变所产生的沉降。 这部分沉降历时很久。一般数值较小。 1 2 2 路基的沉降计算方法 路基变形主要包括地基的固结沉降、路基填土的压密下沉、车行驶中路基基 床在列车重复荷载作用下的弹性变形和累积塑性变形。后一项是由列车动荷载引 起的。由于我国以往的铁路运营速度偏低，动荷载引起的累积塑性变形问题不太 突出，也没有引起足够的重视，而高速铁路对路基的变形要求严格，仅以静强度 为控制指标的设计方法已经不适宜于高速铁路路基设计。 地基的固结沉降、填土和基床的压密下沉和累积下沉总称为永久下沉，过大 或不均匀的永久下沉将导致路基病害，造成轨道的不平顺，加剧系统动力作用， 对列车走行有重要影响。 填土的压密下沉主要发生在两个时间段：一是施工阶段的下沉；二是施工完 成后的工后沉降。施工阶段的下沉一般不必计较，路基设计中关心的是工后沉降。 下沉量太大，说明填土的压实密度不足、强度低，容易形成不均匀变形。过大的 下沉还会破坏路基面的排水条件，以至不能保持良好的横向排水坡度。线路建成 后运营阶段行车引起的基床累积下沉是由列车通过道床传递到基床面的动荷载引 起的。这类下沉是一个累积过程，为了预测路基的累积下沉量，各国都十分重视 下沉规律的研究，做了许多室内和现场试验，以及大量的实地调查，在此基础上 提出了各种经验公式。 路基沉降计算及预测方法有：理论公式法、数值分析法、观测资料的回归分 析法、神经网络法和灰色预测法等。 1 分层总合法 路基工程中常用分层总和法进行沉降计算，此法为规范推荐使用方法。分层 总和法假定地基土为线弹性变形体，在外荷载作用下的变形只发生在有限厚度的 范围内( 即压缩层) ，将压缩层厚度内的地基土分层，分别求出各分层的应力， 然后用土的应力应变关系式求出各分层的变形，叠加起来即为地基的沉降量。其 压缩层厚度按附加应力等于0 1 倍自重应力确定，压缩试验资料可用e - p 曲线或 1 2 1 绪论 e - l g p 曲线。 用e - p 曲线计算： s 。= ( e o f - - e i i ) ( 1 + e o f ) a h i ( 1 1 ) 式中1 1 地层分层层数； h i 第i 层厚度； ；第i 层中点自重应力所对应的孔隙比； 白；第i 层中点自重应力及附加应力之和所对应的孔隙比。 用e - l g p 曲线计算方法类似，不在此做详细介绍。 由于此法未考虑土体的侧向变形，土的非线性特征及土层间的相互作用等影 响因素，从而造成了沉降计算结果与实测值之间有相当大的误差。国内外实测资 料表明，对正常固结粘性土地基，用分层总和法计算的沉降量一般比实测沉降量 小；而对于超固结粘性土地基，计算结果一般较实测沉降量大，理论计算值与实 测值之间的比值介于0 7 1 5 之间。为了改善所计算沉降计算结果，根据实测资料 统计分析常用经验系数对分层总合法进行修正。我国现行的建筑地基基础设计 规范和公路桥涵地基与基础设计规范等采用了修正后的分层总合法，即曲 线拟合法。 2 曲线拟合法 曲线拟合法其实是对分层总合法的修正，在对分层总合法进行修正的过程中， 修正系数是一个综合经验系数，是根据建筑物长期观测资料得到的。利用实测资 料推求沉降避免了室内实验和理论计算假设条件中存在的问题。因此，分析实测 资料与时间关系采取经验估算方法，即为沉降与时间曲线选配适当的函数方程， 然后再进行计算。目前，工程上常用的拟合曲线有：双曲线法、指数曲线、成长 曲线法、时间对数法、三点法、沉降速率法，日本常用的星野法等。 ( 1 ) 指数曲线法