（道路与铁道工程专业论文）高速铁路高路堤稳定性分析及工后沉降预测.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速铁路高路堤的工后沉降研究，一直是工程界关心的问题之一。本文运 用大型有限元软件a n s y s 对高速铁路高路堤沉降计算，并运用灰色系统理论 预测方法对高速铁路高路堤工后沉降进行预测分析。 在有限元分析中，对高速铁路高路堤按照京沪高速铁路设计暂行规定 中双线路堤进行实体建模，并对高速铁路路堤的实际荷载情况进行模拟，使之 能够更好的反映高速铁路路堤的实际状态，应用有限元法借助a n s y s 软件采 用变路堤土体弹性模量的方法计算出该路堤沉降量与应力分布，得到较好路堤 沉降结果。证明运用a n s y s 软件对高速铁路路堤的沉降计算是一种实用计算 沉降方法。 对高速铁路高路堤工后沉降量预测，对先期测量沉降量的时间间隔是非等 间隔的情况，应用灰色系统理论预测方法对有前期沉降数据的高速铁路高路堤 采用非等间隔序列g m ( 1 ，1 ) 模型或不等时距灰色v c r h l l l s t 模型对该路堤的工后沉 降进行预测，得到较好预测工后沉降结果。 高路堤稳定性是通过对路堤边坡稳定分析计算出路堤边坡稳定系数及稳定 系数与边坡坡度、路堤填土c ，f 值、路堤高度的关系对影响高路堤稳定性因素 进行分析。 本文用趾幅y s 软件计算高速铁路高路堤的沉降量和用灰色理论预测所得 出的高速铁路高路堤工后沉降，对工程实际有指导意义。 预测 【关键词】：高路堤；稳定性：g m ( 1 ，1 ) 模型；灰色v e r h u l s t 模型；工后沉降； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h ei n v e s t i g a t i o no fl h es e m c m e n to fh i g he m b a l l l m l c n to ft h eh i g h s p e e d m i l w a va f t e rc o n s t n l c t i o ni sc o n c e m e db yt h ce n g i n e c 培a l lm et i m e h it l l i sp a p e r ， a n s y si su s e dt oc a l c u l a t et h ee m b 出c n ts e n l 锄e n t 蛐dt l l c 掣a ys y s t e mt h c o r y i su s e dt op r e d i c tt h el l i g l le m b a i l k m to fs e t c m e n tno ft h el l i g h - s p dm i l w a y t h ee n t i t vm o d e lo ft l l eh i g l le 瑚【b a l ”n to ft h eh i g h - s p e e dr a i l w a yi sm o d e l e d a c c o r d i gt 0d o u b l ew a yr o a di nt h ed 髂i g nm l e so ft h ej i n gh uh i g hr a i l w a y a c t u a l l o a do ft h eh i 曲e m b 卸h n e n to ft h el l i g l l - s p e e d 姐i l w a yi sm o d c l e di no r d e rt or e f l e c t t h cr e a ls i l u a t i o no ft l l eh i g l le m b 雅k m e n to ft h eh i g h - s p e e dr a i l w a yb e t t c r u s i n g f i n i t ee l e m e n tm e t l l o d ，a n s y si su s e dt oc a l c u l a t et l l es e m c m e n to fh i g h e m b a i l l 【m c m 柚dt h es t r e s sd i s t r i b u t i n g ，w eg e tt h eg o o d l u t i o n t h i sp r o v et h a t u s i n ga n s y st oc a l c u l a t et h es e t n e m e n to fh i 曲e l b a n k m e n to ft h eh i 曲一s p e e d r a i ：1 w a yi sap r t i c d b l ym e t l l o dt oc a l c u l a t i n g m c m e n t 1 m et i m ei n t e r v a lo fm e a s u 血叠t h es e d i m e n t a t i o no ft h eh i 曲s p e c dr a i l w a yi s u n e q u a li n t e n ，a ls i t u a t i ，s o 伊a ys y s t e mt h c o r y 璐i n g 蚰e q u a li n t e r v a l 棚y g m ( 1 ，1 ) m o d e l 锄dt l l eu n e q u a li n t e r v a lg m y v e r h u l s tm o d di s 印p l i c dt 0p m d i c tt h e s e m 锄锄to fl l i 吐c m b a n ：b 衄to ft h eh i 吐- s p e e dr a n w a ya f t 盯n s t m c t i o n t h e s t a b i l i t yo ft l l ee m b 羽l l 【m e n to fh i 西一s p e e dr a i l w a yi sa n a l y z e db yt h c e f ! c c i e n to f s t a b i l i t vo ft h ee m b a i l ：k m e n to fl l i 曲- s p e e dr a i l w a ya n dt h er c l a n b e t w nt h e c o e 伍d e n to fs t a b i l i t y t h el ，a d e0 ft l l ee m b a n l 衄1 e n ta n dt l l ca n i t u d e0 ft l i e e m b a n l 【m e n ta n dt l i ev a l u eo fc f u s i n ga n s y st 0c a l c u l a t et h es e t n e m c n to fh i g he m b 觚【k m e n to fi h eh i g h s p e e d r a i l w a y 粕du s i n gg r a ys y s t e mt 0p r e d i c tt h e n l e m e n to fl i i g he m b 缸k m c n th a v e i n s t m c t 沁ns i g i l i f i c a n c et ot h ea c t i i a l g i n e e r 【k b y w o r d s 】：h i g he n l b a n k m ts t a b n i t y ；g m ( 1 ，1 ) m o d e l ；伊a yv e r h u l s tm o d e l ； s e t t l e m e n ta f t e r n s t n j c t i o n ；p r c d i c t i o n 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路基在高速铁路中的地位和作用 世界铁路产业自其产生到上世纪5 0 年代，一直处于大发展之中。随后， 由于受到航空业和高速公路的挑战，铁路发展速度逐渐减缓。至1 9 6 4 年世界 上第一条高速铁路一日本尔海道新十线建成并投入运行，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，从而使铁路产业出现了一个兴旺时期。 继东海道新干线之后，日本又先后修建了山阳、东北、上越及北陆新干线； 法国的高速列车t g v 于1 9 8 1 年以2 6 0 k m h 的最高运行速度投人正式运营； 意大利的摆式列车在1 9 8 8 年联接了米兰和罗马；德国的高技术l c e 列车1 9 9 1 年6 月正式通车；西班牙于1 9 9 1 年建成马德里一塞维利亚高速铁路。至 今，全世晃最高运行速度在2 0 0 k m h 以上的新建高速铁路已有4 0 0 0 k m 以上， 如果包括时速2 0 0 k m 的线路，全世界的运行总里程已超过1 0 0 0 0 k m 。这些线 路虽然仅约占世界铁路总营业里程的1 ，但却担负着各拥有国较大一部分 客运工作量。例如：日本已建成的东海道、山阳、东北、上越四条新干线共 长1 8 3 5 k m ，约占日本铁路总营业里程的9 ，担负着铁路旅客周转量的3 0 ；法国的东南线和大西样线共长7 4 5 k m 。仅占法国铁路营业里程的2 ， t g v 列车却承担了铁路旅客周转量的5 5 8 。所以，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。欧 洲计划在2 0 1 0 年以前建成总规模超过2 4 万k m 的高速铁路，包括修建9 0 0 0 k m 时速在2 5 0 3 0 0k m 及以上的新线，改造1 5 万k m 时速约2 0 0 l 凹的既有 线；日本规划新干线将扩展到6 9 0 0 k m ；韩国正在建造汉城一釜山高速线 ( 4 1 1 k m ) ；美国计划在本世纪末建成休斯顿、达拉斯、圣安东尼奥之间的三角 形高速网；加拿大、巴西、印度和我国台湾省也将计划或已动工修建高速铁 路。我国大陆第一条高速铁路一京沪高速铁路的建设项目已正式启动【3 5 l 。 高速铁路的出现对传统铁路的设计、施工和养护维修提出了新的挑战， 在许多方面深化和改变了传统的设计观念或思想。就线路结构领域看，目前 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 已经突破了传统的轨道道床土路基这种结构形式，既有有碴轨道也有无碴 轨道。在有碴轨道中，从轨道至基床这个过渡层范围内，除了道碴土这种 两层系统外，还有多层系统。例如法国的道碴层，底碴层( 或次道碴层，砂、 砾料) 基层( 级配良好的砾石) 反滤层( 土工纤维) ；日本在道床与基床之间 加设了2 5 m m 厚的橡胶垫层；德国在上部建筑与基床之间加一块钢筋混凝土 板等等。各种不同的结构形式所需要达到的首要目的是为高速线路提供高平 顺性和稳定的轨下基础。有碴轨道的轨下基础是由散体材料组成的道床和路 基，它们是最薄弱的也是最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。在多次 重复荷载作用下所产生的累积永久下沉( 残余变形) 。会造成轨道的不平顺， 而且它们的刚度也影响着轨面的弹性变形，因而对列车的高速走行条件也有 重要的影响。高速行车对轨道变形有严格的要求，因此变形问题便成为高速 铁路设计所考虑的主要控制因素。尤其是路基，过去按强度破坏设计，而现 在强度己不成为问题一般在达到强度破坏前，可能已经出现了不能容许的 过大变形 删。日本东海道新干线的设计时速为2 2 0 l ，由于其在设计中仅仅 采取了轨道的加强措施，而忽略了路基的强化，以至从1 9 6 5 年开始，因为路 基的严重下沉，使路基病害不断，线路变形严重超限，不得不对线路以年均 3 0 l 以上的速度大举整修，1 0 年内中断行车2 0 0 多次，列车运行平均速度 也降到1 0 0 一1 1 0 k m _ f h 。 变形问题的解决是相当复杂的。日本和欧洲各国虽然实现了高速，但他 们是通过用高标准的昂贵的强化轨道结构和高质量的养护维修技术来弥补这 方面的不足的。日本对此不借代价，在上越和东北新干线上，高架桥延长数 所占比例分别为4 9 和5 7 。路基仅占1 和6 。所以，变形问题是轨下 系统设计的关键。由于普通铁路行车速度慢、运量小。因此在以往的设计中， 只孤立地研究轮轨的相互作用，并把这种相互作用狭义地理解为轮轨接触 部位的几何学、运动学、动力学的关系，而忽略了路基的影响，其中各个部 分的设计也只局限于本专业范围内。对于高速铁路，轮轨系统应该是车轮、 钢轨、道床、路基整个系统各部分相互作用的整体。因为包括路基在内的轨 下系统的垂向变形集中反映在轨向上并且又直接影响着轮、轨作用力的大 小。因此，必须把轮轨系统的各组成部分放到整个系统中去考察，建立适当 的模型，着眼于各自的基本参数和运用状态，进行系统的最佳设计。实现轮 轨系统的合理匹配，尽可能降低轮、轨作用力。以保证列车的高速、安全运 行。轨上各部分应尽量降低车辆轮载和簧下质量，轨下的道床、路基部分必 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 须提供一个坚实稳定的轨道基础，以减少变形，同时又保持适当的弹性。德 国著名的高速铁路专家e i s e n m a n n 指出铁路路基作为承受轨道和列车荷载的 基础，如果选择了合理的刚度( 弹性模量) ，则能明显地影响轮载的分配，可 以使轨面的最大支承力减少6 0 7 0 ，而且还可以改善基床动应力的分 布，减弱重复荷载的动力作用，减少列车荷载对线路的不良影响。但这并不 是要求路基不存在变形，因为列车不可能在一个绝对刚性的基础上作高速稳 定运行，而只能依循着不平顺的走行面和刚度有变化的轨道运行1 6 j 。 1 2 高速铁路路基的特点 高速铁路运行速度快、技术标准高、对路基的要求严格。控制路基变形 已成为高速铁路路基的最大特点。因此，高速铁路路基与普通铁路路基的本 质区别在于基床表层厚度增加，压实标准提高，同时对填料及路桥过渡段的 刚度提出了更高的要求脚l 。此外，高速铁路路基还具有一般路基的共同特点： ( 一) 路基建筑在土石地基上并以土石为建筑材料 岩石和土都是不连续介质。各种岩石的性质差异悬殊，并具有多种结构 面，使其被分割，甚至破碎；土的成因、成分、结构、构造也各不相同；在 自然因素和人类活动作用下，土石的工程性质更在不断变化。所以，在工程 设计中，如何取得正确反映土石工程性质的物理力学指标和如何建立表达土 石的应力一应变一时间关系的本构模型，已成为岩土工程的重要研究内容。 ( 二) 路基完全暴露在大自然中 在线路工程中，路基除可遇见各种复杂的地形、地质条件外，还常受严 寒、酷暑、水位涨落、急风暴雨等气候、水文以至地震等自然条件的影响， 从而引发路基的各种病害，如膨胀土路基干缩湿胀引起路基边坡坍落；南方 淫雨和北方冬冻、春融引起路基隆起、下沉、翻浆冒泥等线路病害，雨季引 起的边坡坍塌；西北风蚀砂埋路基等。所以，认识和克服自然灾害是路基工 作的重要内容。 ( 三) 路基同时受静荷载和动荷载的作用 路基上的轨道结构和附属构筑物产生静荷载，列车运行产生动荷载。动 荷载是造成基床病害的主要原因之一。研究土体作用下的变形、稳定向题， 必须了解土的动力性质，包括土的动强度和液化、动孔隙水压力增长及消散 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 模式、土的震陷等。一些新的测试手段和计算模型的出现，为进一步深入研 究基床土动力响应提供了更完善的条件。无论是路堤、路堑，还是不填不挖 路基，都可因外荷载作用而引起土中原有应力平衡发生变化。这些变化是路 基设计的依据，所以应充分掌握外荷载作用的性质和强度，及由此而引起的 路基内的应力、应变及土体稳定问题【3 s 】。 1 3 路基工程的现状与发展前景 进入上世纪2 0 年代以前，路基填筑都按“自然沉落”法设计施工。直到 1 9 3 0 年，美国p m c t o r 才首先提出用标准击实试验控制路基填筑压实度。自 此，各国开始制定路基填筑标准。随着生产力的发展，铁路运量和速度的不 断提高既有线铁路路基不断出现病害，各国也不断提高新建路基的设计标 准。 一我国铁路路基现状 建国以来，我国在路基工程的建设上取得了许多成就，特别是对特殊地 区与特殊土路基，无论在科研、工程实践水平上都有很大发展和提高，积累 了丰富的经验。但由于经济的迅速发展，路基工程水平仍跟不上运输发展的 需要，其关键在于采用安全度方面路基与轨道、桥隧建筑物不匹配，路基强 度低、变形大，影响整个铁路运输能力的提高。 长期以来，我国新建铁路。在“重桥隧、轻路基，重土石方数量、轻质 量”倾向下，经常发生路基变形、下沉，边坡坍滑，道碴陷槽等病害，使新 建铁路交付运营后不能立即达到设计速度与运量，一般经过1 5 年自然沉落 及病害整治才能达到，造成经济与社会效益差的后果。如梅七铁路，全长 7 0 k m ，1 9 6 9 年开工，1 9 7 4 年临管，1 9 8 3 年底交付运营前后历时达1 4 年 之久。 运营铁路路基技术状态不佳，强度低，稳定性差严重威胁铁路运输和 安全，巳成为铁路运输的主要薄弱环节。随着国民经济的发展，运量不断增 长，路基超负荷工作状态一直没有缓解，以至时常发生路基病害。据统计， 至1 9 9 4 年底，在全国6 8 0 5 3 k m 的运营线上，路基总长6 4 0 8 8 k m ，占运营线 路的9 4 ，路基病害地段8 1 0 8 2 处，累计长1 1 0 5 5 k m ，占运营线路的1 6 2 。 因此，路基质量问题已逐渐被人们所认识与重视。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 由于我国铁路运输承担了全国7 0 左右的货物周转量和6 0 左右的旅 客周转量预测到2 0 0 0 年货运量将达2 5 亿吨，客运量将达3 0 亿人次，因此 国家确定了发展重载列车及高速客运专线的技术政策。如今，京沪、京广、 京哈三大干线已相继提速，开行了一批最高运行速度为1 4 0 1 6 0 妇i h 的快 速列车。另外，大秦重载铁路、广深高速铁路业已开始运行。京沪高速铁路 预可行性研究工作正在紧张有序地进行1 3 8 j 。 二国外铁路路基现状 国外铁路发展的方向是重载及高速铁路。发展重载铁路r 轴重2 5 0 3 6 0 k n ) 的国家有美国、加拿大、澳大利亚、前苏联等：发展高速铁路的国家 有法国、日本、德国等，这些国家都制定了较高的路基技术标准和严格的施 工工艺，其特点如下： ( 1 ) 结合路基工程规定了详细的岩土分类，要求详细地进行调查，以为设 计、施工及养护提供所必须的依据资料。 ( 2 ) 加强了轨道基础的路基基床部分，包括路堤、路堑及不填不挖地段， 特别是对基床表层( 日本对新干线要求设置加强基床，很多国家设置基层或防 护层、垫层) ，有严格的材料条件并规定了强度要求。关于强度标准，有的用 形变模量e ，有的用加州承载比( c b r ) ，日本采用用直径为3 0c m 的平板荷载 试验求出的地基系数k ”；铁盟及法国标准对基层要根据土质、承载能力、 防冻要求、线路等级、运输荷载条件( 轴重、运量、速度) 以及线路上部结构 的条件设计其结构及需要厚度。 ( 3 ) 对路堤各部分的填土规定了相应的填料标准，填土质量标准要求较 高。多数标准采用压实系数k 与k 。标准。施工中严格进行质量检验及控制。 日本、法国标准中分别提出可用贯入仪及落球回弹法等快速检验法。为了调 整接近桥台时路堤的刚度，对桥头路堤规定了更高标标准。 ( 4 ) 为控制路基不发生过大的下沉，对路堤填土的地基条件提出了规定及 处理的要求。 ( 5 1 加强路基的排水系统，加强边坡和灾害的防护。要求防护工程与主体 工程同时完成，增加路基的坚固和稳定性，避免运营期间发生病害。 三路基工程的发展前景 高速铁路、重载铁路和大运量铁路的兴建，对铁路线路的质量提出了新 要求。因此，路基的性状必须与之相一致。在线路养护维修允许的条件下， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 路基在各种因素作用下的变形应控制在确保线路不出现不良状态的范围内。 各种有关技术基础学科水平的提高，为路基工程技术的发展创造了良好 条件。近年来获得的进步主要表现在： ( 1 ) 测试方法和设备进一步现代化，对土石的工程性质有较充分的了解 室内土工试验仪器精密化、自动化程度的提高，为研究土体的应力历史、 应力路径，判别砂土液化的可能性，动荷载作用下土强度和变形等提供了条 件。土工离心模拟试验可直观显示构筑物因重力引起的应力、应变状态，便 于研究构筑物的破坏机理，并已用于研究软土地基上路堤临界高度等课题中。 利用原位测试手段了解现场土的物理力学状态。克服了取样试验的一些 局限性。通过大量试验，对各试验指标之间及各试验指标与室内试验相应指 标之间的相关关系研究取得了可应用的成果。 在多年实践和研究的基础上，对土石的分类、填筑土的要求逐渐合理而 具体、土石成为规格分明的材料。对于软土、膨胀土、黄土、盐渍土等特殊 土的性质有了较深入的了解，有利于提高上述土分布地区路基工程的工程质 量。 ( 2 ) 设计计算技术提高 计算技术的发展促进了对岩土本构关系的研究，国内外出现的上百种非 线性弹性模型，使对土体的变形和破坏机理的研究翻开了崭新的一页。 利用现有计算技术，能方便对地基土石的物理力学指标进行概率统计处 理，为可靠性设计奠定了基础。国内已有多个行之有效的计算机程序，可以 完成路基的初步设计和施工设计，在不断应用过程中它必然会日臻完善 ( 3 ) 多种新材料、新施工方法和高效施工机械的运用，使路基工程面貌 一薪，对滑坡的处理除采用重力式挡土墙外，经历了抗滑桩、锚杆，发展到 应用预应力锚索：对软土地基的处理，从采用砂井、反压护道，经历袋装砂 井、塑料排水板、发展到粉喷加固、士工织物加筋地基；对基床病害的处理 经历了换填砂石料，敷设沥青面层设盲沟排水等措施，发展到较普遍地应 用高分子聚合材料。在相应工程中，技术人员可以因时、因地制宜，选用合 理的处理方案。 我国高速公路路基工程中，曾多次用粉煤灰填筑，铁路路堤也已开始试 用。这是轻量填筑法的开始。除粉煤灰外、还有水淬矿渣等一类工业废料可 以利用，它们在减轻结构物质量，保护环境，减少投资等方面有独到之处。 在使用新材料的同时，还出现了一些新的施工方法。如降低地下水位取土， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 克服了“浅挖宽取”的缺点，为减少占地量和缩短运输距离创造了可贵的经 验。 使用高效施工机械，大大提高了施工速度和施工质量，减轻了工人的劳 动强度；爆破技术的进步，减少了施工对路堑边坡的破坏；一些灾害报警装 置效能的明显提高，使施工和行车安全有了保障；施工组织、管理水平也逐 渐向世界先进水平靠拢。 ( 4 ) 制定规范，有章可循 制定规范可以说是各项建筑工程的“国策”，有了规范才有章可循。只有 从事建设者遵守规范，才能加强管理和统一验收标准，确保工程质量。在调 查研究，总结经验，吸取科研成果的基础上我国已制定了若干有关堪察设 计施工及维修养护的规范。随着建设事业的发展，规范本身也将不断改革和 更新。一个时期的规范，实际表现着那一时期的技术进步状况。路基工程技 术的进步，为使路基稳固、经济，把路基的变形控制在允许范用内奠定了基 础。 1 4 论文的主要研究工作与研究意义 对于高速铁路，为了保证列车在高速行驶中的平顺性、安全性以及乘客 的舒适性，高速铁路设计中应对路基的变形量加以严格控制。本论文为铁道 第二勘查设计院与西南交通大学合作项目“高速铁路以桥代路决策及合理桥 路分界高度选择原则”中高速铁路高路堤工后沉降量大小提供计算依据，同 时该项目其他方向同时有师兄弟进行。对不同的速度目标值，对路基的变形 量有严格的规定。为了满足高速铁路对路基变形量的控制，对不同路段，应 合理的选择修筑路基或者桥梁。高速铁路合理路桥分界路堤高度选择，是工 程界争论的热点问题之一，已有的研究结论差异很大，而且至今还很难找到 一种合理的评价方法或体系。影响路桥分界高度的因素主要有路基变形、填 料、软土路基造价、地域、土地及其增值、环境保护、运营养护费用、施工 难度、工期要求、铁路等级、速度目标值、路基沉降标准【”】。根据京沪高 速铁路设计暂行规定( 修订版) ，高速铁路的路基沉降标准为一般地段不超 过5 啪( 无碴轨道为2 锄) ，桥路过渡段不超过3 c m ( 无碴轨道为2 锄) ，沉 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 降速率不超过2 c l ，年。路基工后沉降主要分两部分：一是路基填方本体的沉 降，二是地基沉降。高路堤稳定性是通过对路堤边坡稳定分析计算出路堤边 坡稳定系数及稳定系数与边坡坡度、路堤填土c ，f 值、路堤高度的关系对影 响高路堤稳定性因素进行分析州。 对高速铁路路基的工后沉降值计算有很多方法，举几种常见的方法。方 法1 ，以e p 曲线为依据的方法。方法2 ，以p l g p 曲线为依据的方法，这 种方法考虑了应力历史对沉降的影响。方法3 ，考虑侧向变形的方法，侧向 变形是引起沉降的重要因素，而e p 曲线法和e l g p 曲线方法没有考虑侧 向变形对路基的影响【7 l 。方法4 ，有限元法，有限元法是对路基的整体进行 分析，可以将路基作为二维或者三维问题来考虑，反映了侧向变形的影响， 它可以考虑土体的应力应变关系的非线性特性，采用非线性弹性的本构模型 或者弹塑性本构模型来对路基的沉降进行求解，从计算方法上来看是一种比 较完善的方法。方法5 ，路基沉降的灰色系统理论的预测方法。这种方法是 根据灰色系统理论，建立灰色预测模型，对路基沉降进行预测【“。方法6 ， 预测路基沉降神经网络技术方法。这种方法应用b p 神经网络模型预测路基 的工后沉降值【2 9 j 。 对高速铁路路堤的工后沉降研究，一直是工程界关心的问题之一。目前 国内殴院土要是根据经验公式来预测路堤的工后沉降值。出于影响路堤沉 降因素很多，而一般的计算方法都是对影响路堤的沉降因素做了简化，不能 很好的模拟路堤工后的实际状态，因而用一般的预测计算方法计算值与实际 的路堤工后沉降值还是有比较大的差异【5 7 】。目前已有不少专家、学者正开展 预测路基的工后沉降的工作，但还需进一步完善。所以找到与路基工后沉降 实际接近的计算方法或者改进现有的计算方法使其更好的满足工程要求是必 要的。因用有限元法对高速铁路的路堤沉降预测有不同方法，所选用工程预 测软件亦不同，对同一问题计算条件不同所得计算结果亦不同，本文主要运 用大型有限元软件a n s y s 来对高速铁路计算高速铁路的路堤沉降量，对高 速铁路的路堤工后沉降量预测，目前有很多人进行这方面的工作，所选预测 模型，预测方法不尽相同，所得的预测结果亦不同，本文通过研究灰色系统 理论预测模型，找出了比较适宜的预测模型对高速铁路路堤的沉降进行预测， 得到比较好的预测结果。在分析路基的工后沉降值时，采用的是有限元方法 和灰色系统理论预测方法。应用有限元法对高速铁路路堤的实际状态的模拟 使之能够更好的反映路堤的实际状态，计算出路堤工后沉降值。可以用计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 所得出的路堤工后沉降的结果来控制路堤的路桥分界高度的选择。同时应用 灰色理论预测方法与有限元法，借助有限元软件对高速铁路路堤进行沉降计 算，为确定合理的桥路分界高度，使之用量化的方法确定路桥分界高度提供 依据。 总之，预测高速铁路路堤的工后沉降以及控制高路堤的稳定性对路堤的 路桥高度的选择是有重要工程意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章高路堤稳定性分析 2 1路基土体的强度与稳定性 铁路路基是在复杂条件下工作的永久性土工建筑物。在列车动荷载的反 复作用和轨道及土体自重的作用下，路基应不产生大量下沉和过大的变形， 而应有足够的强度( 或称坚固性) 和稳定性，以保证线路的良好状态和行车安 全。 对于土质路基，如果土质比较均匀，可以作为均质土来对待。路基土体 的坚固性和稳定性可以通过土体的各点的应力、变形的计算求得。用土中应 力计算的方法，可以得出土体任一点的应力。当土中应力及变形处于弹性变 形范围内时，则这一点的土体仅产生压实变形，而无剪切破坏。当士中应力 值达到土的极限强度时，土体这点开始出现剪切破坏。路基土体的各点的应 力是不相等的，因此路基土体内各点的变形也是不相等的。这样。就可能出 现路基土体内各点的应力与变形的调整过程。即路基士体内达到剪切破坏部 分的剪应力r 将由周围处于弹性土体承受，而使剪切破坏区约束在剪应力f 与土的抗剪强度s 相等的极限平衡状态下。这个区域，由于应力重分配的结 果，要比计算所得的剪切破坏区大。同样的理由，土中产生的压实变形状态 也会产生某种程度的调整，即压实量大的部位，将由相邻部位压实量小的土 承担。土中应力与变形重新调整过程是十分复杂的，现在还没有完善的方法 可以计算。在路基工程中，通常用某些限量来保证路基的坚固稳定。对于基 床，应严格要求土体处于弹性阶段，对于其他部分，要求把计算所得的剪切 破坏区约束在某一范围内，例如，计算的踌堤基底剪切破坏区，应约柬在路 1 堤底宽的 范围内。实际产生剪切破坏的区域也称塑性区，耍求比计算所得 z 的s = d f g 妒+ c 包络线范围要大。 s 三盯增垆+ c ( 2 1 1 ) 式中s 路基土体中的某个点沿某剪切面上的抗剪强度( t m2 ) 口路基土体中这个点的同一剪切面上的法向应力( t m2 ) ； 妒土的内摩擦角f 1 ； 妒土的内摩擦角f 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 c - 一土的粘聚力( t m 2 ) ； 因此，在路基土体内，是否存在处于剪切破坏状态的点，可按照下式 进行判断： f 口ss f 。s 盯。留妒一c 根据仃。、f 。与q 、仃：之间的关系可得： j s i n 妒 ( 2 1 2 ) d i + 0 2 + 2 c c t g 甲 1 式中 仃。、仃：一作用于土体内的任一点的微分体上的大主应力，小主应力； 盯。一与盯。成a 角的斜面上的法向应力； l 一与盯，成口角的斜面上的剪应力。 式( 2 1 2 ) 中，左项小于右项时，则整个路基土体处于直线性变形阶段。 如果土体内一点的应力状态左项等于右项，即 百瓦葛友而= 8 唧 则说明该点处于剪切破坏的应力状态，也称为极限应力状态或塑性状态。 如以k 。作为剪切稳定系数，则此时 量羔型1 ( 2 1 3 ) f af o 如果以土体中任一点处于极限平衡状态时的粘聚力以c 。表示，则 ( 2 1 2 ) 式可写为： g 亟竺毒鱼竺坐业 ( 2 1 4 ) z c 0 s 口 当土体根据试验所得的粘聚力为c ，时，则土体中任一点的剪切稳定系数 可表示为： c 。 k - ( 2 1 5 ) l t 当然，式( 2 1 2 ) 左项小于右项时，该点的极限平衡状态会破坏，并产 生相对位移，当土体中这一点或这些点产生相对位移变形以后，力系平衡状 态就改变了，位于相邻的点或区域处于新的极限平衡状态。如此陆续发展， 就可能导致极限平衡区或塑性区的继续扩大，以致剪切面互相联通切割土体 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 而产生剪切滑动，最终使路基丧失稳定。因此在均质的各向同性的土质路基 土体中分析其稳定性时，必须首先计算土体和各点的应力分量吒、l ； 盯。、盯，、仃。；或q 、盯：然后根据各点的剪应力r 与抗剪强度s 之间的相互 关系分析各点的变形状态，并根据路基十体各部分如基床、边坡、基底达到 破坏状态的变形条件，分别确定允许的变形范围( 区域) 。一般在路基土体中， 并不要求所有各点都处于直线变形性的阶段，允许有若干点或一定区域内的 点处于塑性状态，只要符合一定的计算要求即可p j 。 对于非均质的土质路基和石质路基，也有人应用应力分析方法来分析路 基稳固性。但通常采用工程地质比拟法，即按照相似条件下的既有建筑物或 自然土体的稳固性来判断路基的稳固性。采用工程地质比拟法进行路基应力 分析时，必须考虑以下因素的性质和特征。因路基的稳固性是和它的工作条 件密切相关的。 1 在路基体内承受着列车的反复荷载和路基本体与轨道的重力作用。 2 路基修筑在天然地基上，因而与地基土的工程地质、水文地质条件密 切相关。 3 路基暴露在大气之中，受各种自然力，如风、霜、雨、雪、日晒、冰 冻、水流冲刷、地震以及人为的爆破作用等各种因素的影响。 其中第一类因素是必须满足的要求；第二类因素是条件或称环境；第三 类因素是促使路基稳固性变化的因素。我们必须根据第二类因素的基本特点 和第三类因素的作用情况，使路基的稳固性提高到一定的程度，而与第三类 因素的作用相适应，或者调节第三类因素，将其作用情况和对路基稳固性的 影响幅度减小到容许范围。例如，加强排水设备：设置防护支撑建筑物来增 加路基的稳定性。在影响路基稳定性的各种因素中，最主要的是水的作用与 温度变化的作用【4 3 j 。 2 2 高速铁路路堤边坡与容许高度 路堤边坡坡度决定于填土的性质和所处的环境，如抗震、防洪等。根据 我国目前积累的经验，只要地基稳定，填土碾压质量符合设计要求，按现行 规范确定的路基边坡坡度是稳定的。由于高速铁路路堤一般均采用较好的填 料，因此世界各国的边坡坡度基本上都相当接近【3 l 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 2 1 为几个国家铁路路提边坡的有关规定 表2 2 1 国外高速体路路堤边坡坡度 国家或组织填料堤高( m )边坡坡度1 ：m 德国( d s8 3 6 ) 级配好的砾砂 o 1 21 ：1 5 g w ，g i ，g f ，s i ，s w o 1 21 ：1 7 级配不好的砂s e o 1 2l ：2 0 粗细粒混合土 0 6l ：1 6 g t ，s u s t 6 91 ：1 8 9 1 21 ：2 0 1 5 1 ：2 0 及以上 日本黏土、粉土、超湿 1 ，路堤边坡是稳定的：k 1 2 5 ，由此可推导出内摩擦角和坡角 之间的关系 妒- t 姐_ 1 ( k l a n 口) ，其中k 苫k i 咖。 无黏性砂性土的内摩擦角和压实度之间回归关系为妒= 旅压宴度+ 6 。口，6 为待测系数，由无黏性砂性土的物理力学性质试验可测。 式中：妒表示细砂填料的内摩擦角，以。表示； k 压宴度表示路基填料的实际平均压实度，表示； 焉 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 由此式可根据压实度估算出内摩擦角的值【删。 下面举例分析： 例：现由有5 中路堤填土工况压实度已测出的无黏性砂性土，工况1 的平均 压实度为8 5 6 ，工况2 平均压实度为8 8 3 ，工况3 平均压实度为9 0 5 ， 工况4 平均压实度为9 5 6 ，工况5 平均压实度为9 7 8 。无黏性砂性土的 内摩擦角和压实度之间回归关系妒= 拉k e 宴度+ 6 。口，6 已由无黏性砂性土的物 理力学性质试验测出，妒爿1 8 k 压宴度一6 9 7 2 。则可得5 种工况下无黏性砂性 土填料内摩擦角值分别为妒1 = 3 1 3 。；妒2 = 3 4 5 。；仍= 3 7 1 。；吼= 4 3 1 。； 妒5 = 4 5 7 。 计算出5 种工况不同坡比下的k 。值，如下表 表2 4 1 5 种工况不同坡比下的x 。值 城比 1 ：l1 ：1 51 ：1 7 5 1 ：2 kk 工况1 0 6 l0 9 11 0 71 2 2 工况2 0 6 91 0 31 2 11 3 8 工况3 0 7 61 1 41 3 31 5 2 工况4 0 9 41 4 l1 6 51 8 8 工况5 1 0 21 5 31 7 92 0 4 由上表可以看出，对无黏性砂性土当压实度9 0 ，边坡的坡率m 5 时 路基边坡可以保持稳定，当边坡的坡率1 d 7 5 时，路基的边坡可以保持稳定， 这与无黏性砂性土路堤实际工程设计中的设计坡率取值范围相吻合。根据京 沪高速铁路设计暂行规定基床以下路堤应采用a 、b 、c 组填料或改良土， 其压实标准应符合下表规定。 表2 4 2 基床以下路堤填料及压实标准 填料压实标准细粒土粗粒土碎石类 a 、b 、c 组填地基系数 毒9 01 1 01 3 0 料或良土 托o ( 肘砌，1 ) 压实系数k o 9 0 孔隙率n 3 1 3 1 从上表中我们可以看出，对高速铁路无黏性砂性土的细粒土要求压实系 数k o 9 0 ，综合表2 4 1 数据可知当对高速铁路路堤填料为无黏性砂性土压 实系数k 0 9 0 ，边坡坡率1 d 7 5 时，稳定系数 1 3 ，高速铁路路基的边坡可 以保持稳定，这与高速铁路路堤工程设计中的设计压实系数、坡率取值范围 相吻合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 5 滑动面为圆弧面的稳定性检算 对一般铁路的路基边坡，根据大量的调查资料表明，黏性土体路堤土坡 破坏的形态多呈较陡立的圆弧形，用圆弧条分法分析边坡稳定性是可行的。 1 静力情况 在无渗流、无地震的情况下，边坡的圆弧形破坏如图2 5 1 所示。 i 讥 ， 图2 5 1 静力条件下边坡圆弧破坏面 由此得到的稳定系数公式为： + 彬o o s b 培妒) k 一璺一 s i l l b ) 式中： c ，妒一土的内聚力，内摩擦角； 鼠一第i 条土体滑弧切线与水平面夹角； 彬一第i 条土体总量，位于路面部分的土条可把列车荷载等动荷载以静 力形式计入土条重量内； i 一正应力； 厶一第i 条土体的弦长； 2 渗流情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 在已知浸润面或孔隙水压力y 。的情况下，滑动体内土条的受力如图2 5 2 所示。由此得到稳定系数公式： k 薹堕：竖! 兰竺! 型；薹堕竺：! 兰二竺! 竺竺! ! 善假虹n b )善孵咖b 式中： 抚一第i 个土条的宽度； c ，歹一土的有效粘聚力和内摩擦角 图2 5 2 考虑渗流作用的圆弧条分法 3 计算参数及边界的确定 ( 1 ) 稳定系数求解 采用简化b i s h o p 法，假设每个土条侧面上的是水平方向的，沿破坏面所 发挥的剪应力是将抗剪强度除以稳定系数得到的，根据经验用牛顿切线迭代 3 4 次就可以得到改滑动面的稳定系数，可满足进度要求，迭代通常总是收 敛的【7 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 地基 图2 5 3 稳定计算边界 ( 2 ) 边界条件 所需边界条件如图2 5 3 所示。b 为路堤顶部宽度，h 为路堤高度，风为 地基高度，h ，为上游水深，虚线为浸润线，l ：m 为边坡的坡度。 4 影响边坡稳定性因素相关分析 对于高速铁路路堤边坡影响的因素有很多，可归纳为内在因素、外界条 件和人为影响三个主要方面。内在因素是土质成因、结构和构造、土的物理 组成和物理力学性质等。外界条件是指边坡处出的环境，如地下水条件、地 表水作用、风化作用、地震作用等。人为因索是指设计、施工和维修不当而 造成的一些不利条件，以及人为对边坡的破坏等，包括设计不合理、施工不 当，养护不良等。 现有高速铁路路堤其参数如下表2 5 1 。 2 5 1 路堤土体参数 土类 y d ( 科m 勺 c “口h ) 妒( 。) i 路堤填土 1 7 o1 4 03 3 9 利用圆弧形破坏面的圆弧条分法作b i o s h o p 简化后，用牛顿切线法进行 迭代3 4 次，然后作出稳定系数k m 、k 妒的关系，当日：一0 时得当h = 3 0 m 时k m 关系如图2 5 4 、当m = 1 2 时，k 旷如图2 5 5 。 广 i卜 墨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 k 1 8 1 ，6 14l 1 i 1 了酉磊带 l2131 415 图己5 4k n 关系图 图2 55k 巾关系图 由图2 5 4 和图2 5 5 可以看出：高速铁路路堤边坡m ( 坡度定义为1 ： m ) 与稳定系数k 成正比。稳定系数随填土妒值的降低而降低，呈线性关系。 当m = 1 2 时，得当h = 3 0 m 时k c 关系如图2 5 6 。当m = 1 2 时，得k h 关系如图2 5 7 。 k 2o 18 1 4 l 08厂 5 0 08 5 01 1 0 01 4 5 0 j 图25 6k c 关系图 o1 0己o 3 0 h 图2 5 7k h 关系图 可以看出：高速铁路路堤边坡稳定系数k 与c 大致成对数关系；稳定 系数k 随填土高度h 值的增加而减小。 h 4 2 门 8 6 4 己 2 2 2 l ， l l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 2 6 小结 1 对由高速铁路路堤填料土的粘聚力c 为零时，由x m 一；等可知 k 。- m f g 妒，稳定系数只与坡率有关，与路堤的高度无关，高度5 m 的 路堤与高度1 0 m 的路堤，边坡坡率相等时，同样是稳定的。但是土的内 摩擦角是随应力的增大而减小，而随路堤的高度增加，稳定系数也应该相 应的增加，在设计时，一般在超过标准边坡的高度设置2 米宽的平台，平 台下边坡放缓，这与京沪高速铁路设计暂行规定对路堤边坡坡度的要 求相一致。 2 上游水深h ，- o ，路堤高度h = 3 0 m 时高速铁路路堤边坡m ( 坡度定义为1 ： m ) 与稳定系数k 成正比。稳定系数k 随填土妒值的降低而降低，呈线性 关系。 3 当m = 1 2 时，当上游水深h ，一o ，路堤高度h = 3 0 m 时高速铁路路堤边 坡稳定系数k 与c 大致成对数关系。稳定系数k 随填土高度h 值的增加 而减小。 4 高速铁路路堤的稳定性包含三个方面，一是整体稳定性，即高路堤边坡不 会发生坍塌和滑动，不会沿基底整体滑动。二是路堤不会沉陷变形，或 其符合设计要求。三是路堤不会受雨水或水流的冲刷破坏，因此要保证 路堤稳定应采用综合性措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第3 章灰色理论预测高速铁路高路堤工后沉降 3 1 预测高速铁路高路堤工后沉降的意义 为