（道路与铁道工程专业论文）既有线改造新旧路基结合部位的沉降规律研究.pdf

中文摘要 中文捅要 摘要：在既有线提速改造工程中，新旧线路会在某些地段交叉。进而会产生新旧 路基不均匀沉降的问题。目前，关于新旧路基结合问题，国内外的系统研究日趋 增多，但绝大部分为高速公路的平行加宽问题，铁路路基的新旧路基结合尤其是 新旧路基交叉时结合部位的沉降问题基本无人涉及，更没有相应的规范作为设计 和旌工的依据，处治措施大多基于工程经验，这往往造成处治不当或处治效果不 理想。 本文以浙赣线电气化改造工程为工程背景，取玉山到湖沿d k 3 4 2 + 4 8 0 - d k 3 4 2 + 5 3 0 和局界到湖沿d k 3 3 3 + 1 2 0 d k 3 3 3 + 2 2 6 两个典型路段为研究对象，紧密结 合工程实际，根据现场调研和工程勘测资料确定计算参数，考虑平行加宽和斜交 两种不同的新旧路基结合方式，分别建立平面和立体模型，运用a d i n a 有限元软 件对新旧路基结合部的沉降规律进行研究。 针对路基平行加宽的情况，建立了平面应变分析模型，系统分析了路堤和地 基的竖向和水平位移以及孔隙水压力随时间的变化规律。并对开挖台阶、加铺土 工格栅、填筑轻质路堤等不同措施的处治效果进行了对比分析。 针对裁弯取值过程中出现的新旧路基斜交的情况，建立了三维有限元模型， 系统分析了新线路基沿纵断面方向和横断面方向的沉降规律，并对新旧路基在不 同交叉角度( 3 0 。、6 0 。、9 0 6 ) 时结合部位的沉降规律进行了对比分析，找出 了不同交叉角度时新旧路基不均匀沉降的影响范围。 关键词：新旧路基交叉平行加宽a d i n a 固结沉降 分类号：u 2 1 3 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h er e b u i l d i n go fe x i s t i n ge l e c t r i c r a i l w a yn l e 0 1 da n dn e w l i n e sw i l lc r o s s ms o m es e c t i o n s i tb r i n g st h ep r o b l e mo ft h eu n e v e ns e r l e m e n tb e t w e e nt h en e w a n d o l de m b a n k m e n t , t h i si sn o to n l ya l li n c r e a s eo fm a i n t e n a n c ec o s t s ，b u ta l s oan 鹏a tt 0 t h es a f eo p e r a t i o n a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nn l eo l da n dn e w e m b a n k m e n ti sm o r ea n d m o r ei m p r o v e d ，b u tm o s to ft h ei s s u ei sa b o u tw i d e n i n gt h ee x i s t i n ge x p r e s s w a y s r a i l w a ye m b a n k m e n ti sr a r e l yi n v o l v e d ，t h e r ei sn os t a n d a r df o rt h ed e s i 霉1 觚d c o n s t r u c t i o n ，t h em e a s u r e so ft r e a t m e n ta r em o s t l yb a s e do ne n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ， w h i c ho r e nr e s u l t si ni n a p p r o p r i a t et r e a t m e n t t h ez h e - g a nl i n ee l e c t r i f i c a t i o np r o j e c ti st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d t h i s p a p e r t a k e sd k 3 4 2 + 4 8 0f r o my u s h a nt oh u y a na n d d k 3 3 3 + 1 2 0 d k 3 3 3 + 2 2 6f r o mj u j i et o h u y a na st w ot y p i c a lc r o s s s e c t i o n s c o n s i d e r i n gt w od i f f e r e n tw a y so fc o m b i n a t i o n ， t h ep l a n a ra n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li su s e dr e s p e c t i v e l y i t st h e o r e t i c a lh y p o t h e s e s a r eb i o tc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n dm o h r - e o u l o m b h y p e r b o l i cs o i lm o d e l i nt h ep l a n a rm o d e l ，t h ei n f l u e n c e so ne m b a n k m e n ta n dg r o u n d w o r ki nt h ei o i n t o w m g t ow i d e n i n ga r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gu n e v e n s e r l e m e n t ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ， p o r ep r e s s u r e i no r d e rt or e d u c eu n e v e ns e t t l e m e n ti nt h ej o i n t ，t h r e e 仃e a 舡n e n t t e c h n i q u e si n c l u d i n ge x c a v a t e ds t e p s ，e m b a n k m e n tr e i n f o r c e m e n t ，l i g h te m b a n k m e n t ， a r ec o m p a r e di nm e c h a n i s ma n da p p l i c a b l ec o n d i t i o n h lm et h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l ，t h es e t t l e m e n tr u l e so n 锄曲a m e n ta i l d g r o u n d w o r ki nv e r t i c a ld i r e c t i o na n dc r o s s s e c t i o n a ld i r e c t i o ni nt h ej o i n ta r ea l l a l y z e d ， c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c e so ft h ed i f f e r e n ta n g l e so ft h ej o i n t ，t h ei n f l u e n c es c o p eo f u n e v e ns e t t l e m e n ti sf o u n d k e y w o r d s ：c r o s sw i d e n i n ga d i n ac o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t c l a s s n o ：u 2 1 3 1 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。 学位论文作者躲加锯期：卅 月f 丫日 f 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) 学位论文储签名疹砥 签字日期：姗歹年多月，9 d 日 导师签名：，马络谚 签字日期：z 口哆年月，垆日 致谢 时光荏苒，转眼间两年的研究生生活即将过去，交大，承载着我无数梦想的 红果园即将成为我圆梦的地方。在这两年中，对未来的渴望与期待激励我在求学 路上一步一步向前迈。一路上，有过成功，有过失败，有过喜悦，有过无奈! 一 路伴着我的，是老师，同学，朋友们的帮助与关爱! 此时此刻，已难说再见，一 切均化作无限的珍惜与怀念! 首先感谢我的导师冯瑞玲老师，能成为冯老师的开山弟子，我感到十分的荣 幸，在两年的学习生活中，冯老师给予了我无微不至的关怀与帮助。在论文的撰 写过程中，冯老师平和的态度，耐心的指导帮助我解决了许多难题。冯老师深厚 的理论知识，丰富的实践经验，严谨求实的科学作风以及踏实勤奋的工作态度使 我终生受益。 衷心感谢倪永军老师对我的支持与帮助! 两年中，倪老师在学习和生活中给 予我极大地的支持与鼓励，提供给我参与课题的机会，本文的研究就是其中之一。 这些课题给了我很大的锻炼，使我的理论知识以及工程实践经验有了很大的提高。 衷心感谢王连俊老师在路基的基本理论方面给予的指导与帮助! 衷心感谢杨成永老师在a d m a 有限元软件方面的指导与帮助! 非常荣幸能加入到京沪岩溶地质路基课题组，一个月的现场实践经验对我论 文的撰写有很大的启发。衷心感谢课题组白明洲老师，刘莹老师，陈祥老师对我 的关心与帮助! 感谢实验室姜龙，丁桂伶，郝建芳，曲建军，辛涛等师兄师姐对我的关心与 帮助! 是你们让我对那段忙碌却又充实的实验室生活倍感怀念! 感谢我的室友郭积程，乔神路同学对我的关心与照顾。两位同学积极向上， 踏实刻苦的学习生活态度激励我不断进步! 感谢硕士0 7 0 7 和所有我认识的交大的兄弟姐妹们，是你们让独自在异地求学 的我感受到了家的温暖! 也是你们让我的生活变得快乐充实! 最后要感谢我的家人，在漫漫的求学路即将走完的一刻，我想衷心的向我的 父母以及所有关心我的亲人道一声谢谢! 我今天拥有的一切都来自你们无私的付 出，而这足以让我用一生去报答! 李耐振 2 0 0 9 6 1 写于红果园 i 引言 1 1 研究背景及意义 1 引言 铁路的提速一直是世界各国铁路共同追求的长期目标，也是铁路管理、技术 装备发展和市场服务水平的综合体现。相比新建高速线路，既有线提速工期短， 投资小，因此国外各个国家对既有线提速改造都非常重视：1 9 8 5 年，欧盟( e u ) 确定的既有线提速改造速度标准为时速1 6 0 - - 2 0 0 公里；1 9 9 1 年，日本提出在2 0 1 0 年前在窄轨既有线实现时速2 0 0 - - 2 5 0 公里的运行速度；1 9 9 6 年，俄罗斯铁路对既 有铁路旅客列车的最高速度确定为时速2 0 0 公里；美国对既有线提速提出了时速 1 4 5 公里、1 7 7 公里、2 0 0 公里、2 4 0 公里四个等级；法国对繁忙既有干线旅客列 车要求最高速度提高到时速2 0 0 公里。为缓解铁路运输能力严重不足对经济发展 的制约问题， 中国铁路自1 9 9 7 年起先后实施了五次大面积提速，2 0 0 7 年4 月1 8 日，铁路 实施第六次大提速，共计6 0 0 3 公里的既有铁路干线实施了时速2 0 0 公里的提速， 这次提速后，全国铁路客运能力增长了1 8 以上，货运能力增长了1 2 以上，大 大增加了铁路的运输能力。根据我国中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，我国铁 路将修建“四纵四横”客运专线、城际快速客运通道、新的客货运输通道。同时， 加强对既有线的改造。既有线要进一步提速，有条件的繁忙干线旅客列车提速到 2 0 0 k m h ，货物列车提速到1 2 0 k m h 。从而加快完善路网结构和既有线扩能改造， 提高路网质量，迅速提高装备水平。建设我国铁路的快速客运网必须采取加快建 设客运专线和既有线提速改造相结合的方针。将一些客流量较大、线路条件较好、 并与客运专线相连接的既有线进一步实施提速，能够达到投资省、见效快的效果。 同时又可与逐步建成的客运专线连网，实施跨线运输，发挥网络规模效应，实现 效应最大化。 由于铁路的既有线线路标准较低，迂回线、曲线较多，这在很大程度上制约 着列车速度的提高。因此需要进行铁路的既有线改造，这是一个系统工程，在运 输，工务，机务，电务等很多相关方面要进行综合考虑，合理匹配。在土建工程 方面，需要解决曲线、接头和道岔等问题。就曲线改造来讲，速度的提高必然要 求曲线半径的增大，因此在一些小半径曲线路段，就需要进行裁弯取直，重新布 线，这就造成新旧线路会在某些地段交叉。在这些线路交叉的地方必然会产生新 旧路基的结合。 北京交通大学硕士学位论文 在新旧路基结合部位，原有路堤经过多年运营，沉降已经基本完成，而新路堤 在自重作用f 仍会产生较大的沉降，这样，新旧路基之问便产生了不均匀沉降。 路基的差异沉降会造成上部轨道结构标高的变化，线路纵向的差异沉降会造成线 路轨道的不平顺，横向的差异沉降 会造成线路超高的改变，这些都对 列车的行车安全造成了严重的威 胁。为了保证列车的安全正常运 行，在线路维护中，只能通过填补 道碴来维持轨道原有的标高。在新 旧路堤结合段，道砟一般都比较厚 ( 如右图) ，在某些软底地段，道 砟厚度甚至达到l m 。这使得铁路的 一 维护费用的大幅增加，而且对提速后的行车安全构成极大的威胁。 在实际的既有线改造工程中，新i n 路基会有两种不同的结合方式：第一种是 平行加宽，第二种是裁弯取直引起的新帕路基斜交。前者和高速公路加宽工程较 为相似，国内外的研究已经较多，处治经验也较为丰富。但鉴于铁路路基和公路 路基在施工方法荷载类型等方面仍存在差异，因此不能照搬公路加宽的理论， 需要根据铁路路基的特殊性和工程实际情况进行系统分析。对于新旧路基斜交时 结合部位的沉降规律目前基本无人涉及更没有相应的规范作为设计和施工的依 据，处治措施太多参考其它路基改造工程的经验，这往往造成处治不当或处治效 果不理想。 目前，我国已完成了包括浙赣线在内的多条繁忙干线的既有线提速改造工程， 在已完成的既有线改造中仍然存在着一些技术问题，一些技术措旄的工程实旖效 果也有待考验。在我国铁路“十一五规划”中，要完成建设既有线复线8 0 0 0 公里 以及既有线电气化改造1 5 0 0 0 公里。因此对既有线改造工程新旧路基结合部位沉降 规律的研究有着非常重要的前瞻性和实践意义。 1 2 国内外研究现状 12 1 新旧路基不均匀沉降机理 黄琴龙“1 等对重庆和上海新旧路基结合部位的病害研究表明，影响因素主要包 括：新老路基问的不协调变形、新老路基之间的不良结合、路基稳定性等。差异 沉降的发生往往不是由单个因素决定的，而是多种因素共同作用的结果。引起新 旧路基结台差异沉降的主要原因有： 1 引言 ( 1 ) 新老路基下地基沉降的差异：新老路基地基压缩固结时间不同，老路地 基经多年荷载作用，沉降变形已经基本稳定：而新路地基在施工过程中以及竣工后 都将有较大的沉降变形发生，因此，新老路基下的地基间将产生不均匀变形。同 时，由于铁路的既有线改造工期较紧，控制工后差异沉降的难度较大。 ( 2 ) 新老路基强度和刚度的差异：新旧路修筑年代不同，取土地点也不相同， 因此加宽路基填筑土料与老路基填筑土料不可能完全相同。填筑材料经自重，列 车荷载的作用，老路基已经完全被压实，而新路基的填料虽经严格压实，仍有塑 性累积变形的存在；同时，新老路基采用的施工方法和工艺不同也会造成差异沉 降。 ( 3 ) 新老路基结合部处治措施不当：新老路基结合部是拓宽工程的最薄弱部 位，最容易发生路基病害。如果结合部表面土体强度不足、台阶开挖不合理以及 加筋处治不当等，将会导致新路基沿结合面产生滑移。 ( 4 ) 施工因素的影响：施工因素是导致新1 日路基差异沉降的重要因素，新老路 堤结合部施工过程中的以下情况会形成路基病害隐患： ( a ) 结合部的表面根植土、松散土层、腐殖土、杂物等清理不彻底，土路肩、 硬路肩部位不适宜作填料的材料换填不彻底，填料粒径偏大、含泥量多，透水性 不佳等，使新老路堤结合部形成薄弱的带状结合面。 ( b ) 边坡开挖面过大，老的边坡开挖面长时间地暴露在外，受到雨水直接冲 刷，造成新老路堤亏方，新老路堤接触面减少。同时，地基处理施工、抽水清淤( 地 下水位降低以及施工期间荷载等会对削坡开挖后的老路路基的稳定性产生影响。 ( c ) 路基填料压实不到位，引起不均匀沉降，铁路的既有线改造通常受地形 限制，大型压实机具很难发挥作用，压实难度较大，特别是新老路基结合部。较 低的压实度不仅会使路基塑性累积变形大大增加，而且抗变形能力也大幅下降。 ( d ) 填筑速率过快，由于拓宽工程工期较紧，过快的填筑速率使新路基的沉 降速率远远高于原路基的沉降速率，造成原路基失稳。 1 2 2 新旧路基不均匀沉降处治措施 在铁路既有线改造路基工程中，关键是处理填方段新老路基之间的衔接，即 采取有效措施，保证加宽路基与旧路基的整体性，避免或减少新旧路基之间的差 异沉降。目前，铁路既有线改造的路基处治措施主要借鉴于高速公路加宽工程的 工程实践经验。 开挖台阶是最常见的处治方法。高翔旺1 在其博士论文中，用有限元方法对台阶 开挖的效果进行了模拟计算，结果表明开挖台阶对新旧路基不均匀沉降的减小是 3 北京交通大学硕士学位论文 有效的，但台阶的高度，宽度，内倾角的不同会对处治效果产生影响。长安大学 陈星光口1 在其硕士论文中对台阶的开挖尺寸进行了有限元模拟，得出了台阶高度和 宽度的合理开挖范围，并根据工程实际情况提出了合适的处治方案。 为了使新旧路堤紧密衔接形成整体，减少新老路堤的不均匀沉降，新旧路基 结合部位经常采用土工合成材料处理。s p c o r b e t 等h 1 通过现场测试研究了土工合 成材料在加宽路基边坡中的设计和施工方法，认为加筋材料用于路基加宽工程具 有很大的优势。j u h af o r s m a n 和y e l i m a t t iu o t i n e n 佑1 利用p l a x i s 有限元程序和现 场试验进行了研究，发现使用土工合成材料可以降低由于路堤自重引起的水平应 力，从而减少水平位移，有效地防止路面开裂；l u d l o w s 嘲等路基加宽工程的有 限元分析表明，加宽路基工程中可以有效的减小路基的侧向位移；杨茂n 1 等成功地 将土工合成材料应用于我国内蒙古5 1 0 3 线喇嘛湾一大饭铺段公路改建中，解决了 路基下沉和新旧路基土体结合处路面反射裂缝等公路病害问题。 另外，澳大利亚对新路基软弱地基部分，采用专门机械翻动表层土，再掺入 一定比例的生石灰、粉煤灰和液体固化剂等进行混合搅拌来处治。处治后用落锤 式弯沉仪检测路基抗变形能力符合要求嘲。 日本对软土地基上的不均匀沉降控制方面进行了多方面的研究，由于新建路 堤重力的影响，老路堤也会产生沉降，向新路堤一侧倾斜，这就导致路基面的不 平顺，可以采取的措施有，在原有路堤外侧路肩处打入竖直板桩，使新旧路基隔 离在板桩俩侧，减小新路基对就路基的连带沉降。另外，可以在新路基地基上加 挤压桩，石灰桩等来减小地基的沉降，。 美国哥伦比亚大学对加筋挡土墙的设计和施工进行了研究，分析中包括了稳 定性分析，挡墙应力分析和地基沉降变形分析。进行内部分析时采用两楔块模型， 进行外部稳定性分析采用f e l l e n i u s 模型分析法，地基沉降模型采用分层总和法 和e p 曲线，但当固结沉降超过l o c m 时，需采用有限元法对固结变形导致的不均匀 变形在加筋挡墙里产生的附加应力n o 】。 蔡斌，程名n 1 1 等比较了实际工程段上软基上的新旧结合部的处治方法，包括 复合地基，加筋路堤，排水固结预压，c f g 桩，e p s 超轻质路堤以及它们的相互组 合方式，通过对实际沉降结果对比确定了最合适的方案。王春华，李俊等，以云南 安楚高速第1 0 合同段新老路基结合部为试验段，重点采用土工格栅铺筑、级配粒 料填筑路基以减小新老路基结合部连接等部位产生的不均匀沉降。 在施工方法方面，a n g v a n m e u r sa v a nd e nb e r g 提出了间隙法 ( g a p m e t h o d ) u 引，即现在距离老路基一定距离外填筑部分新路基，两者之间留 有一定间隙，然后再填筑空隙，由于新路基填土自重作用下的固结会使新老路基 间隙下的软土强度和水平应力提高，因而可以减小填土对老路基产生的附加变形。 4 1 引言 田波，谭旭n 3 1 等研究了强夯法处理新旧路基结合部的工法，提高新旧路基结 合部位的强度及压实度，减少不均匀沉降。此法曾应用于沈大高速公路改扩建工 程新旧路基结合部加固处理。 材料方面，国外很多工程均采用轻质材料来填筑新路基，这样就减少了由于 新路基的重力引起的老路基的附加变形，从而减小了新老路基的沉降差口射。 1 3 沉降理论分析与计算研究现状 对于新旧路基结合部位的沉降计算分析，目前还没有统一的计算方法，国内 外的相关研究也相对较少。在早期，固结计算大多采用太沙基一维固结理论，假 设地基只产生竖直变形和渗流。实际上，土体存在侧向变形。因此在目前多采用 二维分析方法进行固结和沉降的计算。计算的方法也有多种： 蔡利平，蒋甫n 5 1 等通过对陕西试验路段新老路基沉降的长期观测，采用一种 合适的曲线对新老路基沉降进行模拟，得到新老路基的沉降规律和沉降差异以及 黄土的沉降规律，同时还得出新老路基在长期荷载和短期荷载作用下的沉降差异。 通过拟合曲线可以预测新老路基不同部分的最终沉降值，为预测新老路基的不协 调变形以及建立黄土路基沉降的本构方程提供参考。陆新民，谢关云等n 阳通过采 用分层总和法计算最终沉降，用比奥固结理论计算施工期沉降，并采用基于遗传 算法的反分析方法反求计算所需参数。费正华，邓水明等n 7 1 提出了应用邓肯一张 非线性模型对路基沉降量进行估算的近似算法。并与规范算法和实测沉降进行了 对比分析。 另外，也有学者通过模型试验来研究加宽路基的应力与位移场的规律，以便 为有限元法编制合理程序提供依据，汪浩n 明通过离心模型试验模拟旧路堤填筑、 有无路堤加筋的拼接加宽和极限破坏四种情况，量测加宽过程中不均匀沉降和孔 隙水压的发展以探求新老路堤的相互影响。 吴欣，陈容娟等对多种地基沉降计算方法的优缺点做了比较，他们认为根据 新、老路基的沉降规律，模拟各种加载情况，利用有限元分析法进行新、老路基 的拼接计算方法从理论上讲是比较符合实际的，但这种理论还未成熟，所以针对 传统的计算方法的优点与缺点，设计中根据已建的拼接路段进行分析，收集数据， 并对计算方法进行必要的修正，是比较合理的新老路基拼接地基沉降计算方法。 现在随着计算机技术的提高与普及，有限元分析方法得到了迅速的发展。有 限元的计算速度和精度越来越高，但是由于各个工程的地质条件，施工工艺的不 同，所采用有限元分析软件不尽相同，土体的本构模型也有很大差别。 唐朝生，刘义怀n 们等运用f l a c 程序对高速公路新老路基拼接中所产生的差异 5 北京交通大学硕士学位论文 沉降问题进行了数值模拟分析，对拼接路基在荷载作用下的应力与变形特征以及 差异沉降的发生过程进行了研究，讨论了路基的变形发展及应力的集中与分布情 况。他们的计算结果表明新老路基的拼接部位是整个拓宽公路最薄弱的环节，水 平应力和竖向应力都在拼接部位发生应力集中，最大沉降发生在新拓宽路基形心 位置下方，采用台阶式拼接是一种控制新老路基差异沉降的有效方法。 长沙理工大学的徐柱杰将黄土考虑为弹塑性材料，并模拟了地基和新旧路基 结合处处治的方法，用2 d _ o 有限元分析软件对新旧路基结合处进行了分析模拟 测。并指出应该从地基，路基，路面三者全面考虑问题，对拓宽问题进行综合处 置，并从三者之间建立有限元计算模型，研究分析它们的相互作用，影响机理， 最终提出并总结了用于拓宽工程的技术控制措施，并在试验中加以证实。 王璃，魏艳红，孙勇通过有限元软件a n s y s ，采用非线性有限元法和弹塑性 d p 模型，计算分析不同填土高度对新老路基差异沉降的影响，总结了旧路加宽工 程中不均匀沉降的规律口。在白重作用下新老路基及上承路面结构将出现不均匀 沉降变形，而且沉降变形主要发生在新加宽路基部分。随着填土高度的增加，新 路基的沉降量增加。同时，在填土高度增加后，路基的不均匀沉降差增大。通过 不同填土高度沉降曲线，得出新路基的最大沉降值在路肩内侧。这一结果和现场 实测结果基本符合。 长沙理工大学的黎霞假定土体为非线性弹性材料，各向同性、均质，按照m o h r - - c o u l o m b 屈服准则用2 d 一0 有限元分析软件进行分析蚴。得出结论：新老路基明 显存在不均匀沉降：新路基对老路基作用，形成上覆压力和负摩阻力，导致老路 基也随着新路基的变形而沉降；拓宽路基顶面的最大沉降出现在拓宽路基顶面靠 边坡一侧。道路拓宽后，老路基可能仍会有较大的沉降。并建议新老路基采用设 置土工格栅、采用轻质填料、设置挡土墙或矮墙能增强结合部的稳定性，减少不 均匀沉降。 孟云海等采用邓肯一张e v 模型对路基进行了有限元沉降模拟分析，并将模拟 结果和实测数据与分层总和法所得的计算结果进行了对比分析嘲。在有限元计算 中，由于考虑土体的侧向变形，所以比分层总和法计算的结果要大一些。同时作 者提出参数对有限元计算结果的影响很大。输入参数具有不确定性，所以需采用 多种方法进行可靠性论证，使得所选的参数满足计算分析要求。路基填筑时，地 基土体的应力状态直接影响路基的稳定，而路基的稳定性恰恰是我们所关心的， 因此，必须经多种方法进行可靠性论证后采取合理的参数： 东南大学汪浩在其硕士论文中，结合新老路基结合部的处治的特殊性，用有 限元的方法对比分析加筋路堤、粉喷桩复合地基、隔离墙、轻质路堤四种处治技 术的设计思路、适用场合、工程效果和参数敏感性n 8 1 。有限元分析结果表明在加 6 i 引言 宽后新老路堤顶面出现较大的不均匀沉降，随地基状况的不同，最大横坡比的改 变在0 5 1 3 左右，随着时间的增长，新路堤的最大沉降增大，不均匀沉降的 坡比几乎不变，老路肩的水平位移增大；随着加宽宽度的增加，新路堤最大沉降 的位置向外移动，数值增大，老路表面各点最大剪应力的最大值位于距老路路肩 l 一2 m ，并不在接缝处，加宽时不同位置处地基的稳定性不同。 长安大学的胡锋通过有限元理论计算，分析了旧路加宽改造后路基的沉降规 律及影响因素，通过不同结构层厚度和路面材料模量条件下结构层内力计算，结 合材料自身的抗拉强度，提出了旧路拓宽改造的工后沉降指标及标准，并采用有 限元理论对不同加筋模量，加筋位置，加筋层数以及地基土模量下的土工格栅加 筋路堤进行了力学分析，研究了各因素对应力和位移的影响，并结合工程实践， 提出了不同情况下的处置措施1 。 1 4 论文主要研究内容 1 研究内容 本文以浙赣线铁路提速改造工程为背景，以玉山到湖沿d k 3 4 2 + 4 8 0 一d k 3 4 2 + 5 3 0 路基平行加宽工程和局界到湖沿d k 3 3 3 + 1 2 0 一d k 3 3 3 + 2 2 6 段裁弯取直路基工程为研 究对象。分别研究了线路改造过程中，新旧路基结合部位的沉降规律。主要研究 内容如下： 1 调研国内外新旧路基结合工程实践，结合不同路段新旧路基的不同结合方 式以及地质条件，分析新旧路基结合部不均匀沉降的机理。 2 基于b i o t 固结理论和非线性有限元原理，利用a d i n a 有 限元软件对不同工况 下新旧路基结合部位的沉降规律进行分析： ( 1 ) 利用b i o t 固结理论，分析新旧路基平行加宽时路堤和地基沉降、孔隙水 压力等随时间的变化规律。 ( 2 ) 平行加宽时，考虑在原有坡面直接填筑新路基、1 日路边坡开挖台阶后填 筑新路基、开挖台阶并铺土工格栅以及采用轻质路堤等情况下，新旧路基结合部 位的沉降规律，分析各种处治措施的处治效果。 ( 3 ) 新旧路基交叉时，考虑交叉角度为3 0 。、6 0 。、9 0 。时，新线路基纵断 面方向和横断面方向不同部位的沉降规律。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 技术路线 1 通过查阅资料、实地调研的方式了解目前国内外新旧路基结合部位的研究 现状，对比分析当前研究成果的优点与不足，结合工程实例，确定论文的研究重 点和创新点。 2 运用有限元软件分别建立平面和三维模型，模拟计算不同工况下新旧路基 结合部位的沉降规律。 8 2 新旧路基结合部位沉降有限元分析原理 2 新旧路基结合部位沉降有限元分析原理 2 1 有限元概述 有限元法的基本思路是：将连续的结构离散为一组有限个按一定方式相互联 结在一起的单元的组合体，利用在每个单元内假设的近似函数来分片表示全求 解域上待求的未知场函数，单元的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的 各个节点的数值和其插值函数来表示。未知函数或其导数在各个节点上的数值成 为新的未知量( 即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自 由度问题。求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近 似值，从而得到整个求解域上的近似解，若近似解在某些区域不连续还可以通过 加权平均等一定的方法进行处理，保证有限元解在全求解区域的连续性。由于有 限元进行数值求解首先要将求解区域进行离散网分，随着单元数目的增加，计算 精度也不断改进。 2 2 有限元分析的过程 2 2 1 对结构进行离散化 将要分析的结构分解为有限个单元体，并在单元体上指定节点，相邻的单元 通过节点连为整体，同时使单元有关参数具有一定的连续性。单元划分的疏密程 度对计算结果的精度有很大影响。 2 2 2 选择位移模式 为了能用节点的位移来表示单元体的位移、应变与应力，同时考虑到单元体 的连续性，必须假设单位体中的位移是坐标的一种函数，称之为位移模式或插值 函数。根据所选位移模式，可以导出单元内任一点位移与节点位移之间的关系式， 其矩阵形式为： 以- - n 6 1 。 ( 2 1 ) 式中： 一单元内任点的位移列阵 f 卜一形函数矩阵，其元素为位置坐标的参数 占 。一单元节点的位移列阵。 进行有限元分析要选择适当的位移模式，由于多项式的数学运算较为方便， 9 北京交通大学硕士学位论文 而且所有光滑函数的局部都可以用多项式逼近，通常选择多项式作为位移模式。 多项式的项数与阶次的选择，需要考虑单元的自由度与解的收敛性，般来说， 其项数应该等于单元的自由度数，其阶次应包含常数项和线性项，以保证单元之 间的连续性。如果单元的节点划分方式不同，位移模式也就不同，二维中常用的 是四节点等参单元和八节点等参单元。在计算精度要求较低的部位采用四节点单 元、精度相对要求较高的用八节点单元。 2 2 3 建立单元刚度方程 选定位移模式后，就可以进行单元的力学特性分析，具体的分析过程分为以 下abc 三方面的内容。 a ：利用几何方程，由位移表达式导出用节点位移表示单元应变的关系式，其 矩阵形式如下 - e l a p ( 2 2 ) 式中： 占 _ 单元内任一点的应变列阵 【曰卜一单元应变矩阵 b ：利用本构方程，由应变表达式导出用节点位移表示单元应力的关系式，其 矩阵形式如下： 仃 = 【d 】【b 】 万) 。 ( 2 3 ) 式中： 仃 _ 单元内任一点的应力列阵 【d 卜一与单元材料有关的弹性矩阵 c ： 利用变分原理或最小势能等，建立作用单元上的节点力和节点位移之间 的关系式，即单元的平衡方程： ，) f = k ) p 8 ( 2 4 ) 式中： ， 。一一等效节点力列阵 k 。单元刚度矩阵 2 2 4 重新组合单元，构造总刚度矩阵 组合单元包括将各个单元刚度矩阵集合成整个结构的刚度矩阵，以及把各单 1 0 2 新旧路基结合部位沉降有限元分析原理 元的等效节点力集合成总的荷载列阵。集合单元刚度矩阵的方法一般采用直接刚 度法。组合过程要求所有相邻单元在公共节点处的位移相等，于是可得整个结构 的平衡方程，矩阵形式如下： 【k 】= f ) ( 2 5 ) 式中： 【k 卜一一一结构整体刚度矩 万卜结构位移列阵 ，卜一一荷载列阵 2 2 5 求解 应用边界条件处理集合起来的平衡方程组，针对方程组的特点用不同的求解 方法，就可以解出节点的位移，反代入方程组2 2 ，2 3 ，2 4 中就可分别求出所 关心的节点位置的位移、应变与应力值。 2 3 沉降计算有限元分析的基本原理 2 3 1 沉降的基本原理 土的沉降量按其变形可分为三部分：表达式为： s = s o 七s c + se 式中： ( 2 - 6 ) j d 瞬时沉降，也称为初始沉降 j c 一固结沉降 j p 一次固结沉降( 次压缩沉降) 瞬时沉降是指加荷后立即产生的沉降。在施加荷载的瞬间，土中孔隙水短期 内排除甚少，可视为不产生体积压缩。所以加荷后立即产生的变形为体积不变的 剪切变形，由此产生的竖向位移称为瞬时沉降。 固结沉降是指在荷载压力作用下，由于土的结构骨架受力压缩，是孔隙中水 排出体积压缩引起的部分沉降，即由于排水固结引起的沉降。特点是沉降不是加 荷后立即产生，固结沉降速率取决于孔隙水的排出速率。 北京交通大学硕士学位论文 次固结沉降是在荷载长期持续作用下，作用于土骨架上的有效压力使土的结 构矿物颗粒间接触点产生剪切蠕变，水膜进一步减薄，骨架进一步压缩，导致孔 隙体积进一步压缩而产生的沉降。这种变形的速率已于孔隙水排出的速率无关， 而是取决于土骨架本身的蠕变特性。 2 3 2 沉降计算的基本方法 既有沉降计算方法很多，可归纳为以下几个大类。 ( 1 ) ( 2 ) 1 2 2 新旧路基结合部位沉降有限元分析原理 ( 3 ) ( 4 ) 第一类弹性理论法是将土视为弹性体，测定其弹性参数，再用弹性理论计算 土体中的应力与土的变形量，但由于土的压缩特性随处变化，边界条件比较复杂， 加之用它不能求得土体变形随时间的变化，这类方法应用较少。 第二类工程实用法是实用较多的方法，尤其是前面的两种。这类方法是按弹 性理论计算土体的应力，通过试验提供的各项变形参数，利用分层叠加原理计算 沉降量，这种方法可以方便的考虑到土层的非均质，应力应变关系的非线性以及 地下水位变动等实际存在的复杂因素。其中的曲线拟合法是利用现场已经测到的 初期沉降资料，绘制沉降曲线，预估后期沉降量的方法，因依据的实测资料，所 以计算出的结果具有较高的可信度。 第三类经验法是现场测试结果，借经验相关关系，求得土的压缩性指标，再 带入理论公式求解的方法。对于无粘性土取原状样进行室内试验有困难的情况下， 是一种可行的方法。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 第四类方法以有限元法为主，它是利用计算机作为运算手段，以基本理论为 基础，借有限单元法离散化的特点，计算复杂的几何和边界条件、施工与加荷过 程、土的应力应变关系的非线性( 各种本构关系) 、该方法的精确度取决于建立模 型与输入参数的正确性，近几年，由于计算机科学的快速发展，有限元法在沉降 计算中精确度也越来越高，运用也越来越广泛。 2 3 3b o i t 固结理论 b o i t ( 1 9 4 0 ) 从连续介质的基本方程出发，推导了能准确反应孔隙压力消散 与土骨架变形相互关系的三维固结方程，建立了b o l t 固结理论 在土体中取出一微单元体，则在三维条件下平衡方程表达式为 盟+ 堡+ 盟一x ：o o x 砂 毖 堡+ 堡+ 生一y ：o o x 砂 出 盟+ 堡+ 盟一z ：o ( 2 - 7 ) 式中x 、y 、z 一x 、y 、z 方向单元体体力 根据饱和土有效应力院落里给出有效应力t ，孔隙水压力“。和总应力之间仃的关 系 仃= 仃+ “w ( 2 8 ) 反应土体形变和位移的几何方程为( 压缩为正) a u = 一一 1 a x 加 e = 一一 砂 撕 = 一 2 a z a ub v 邳 如敲 a v 饥 。弘8 za v a wa u h 敏8 zu z 式中u 、v 、w 一x 、y 、z 方向土体位移 设土体骨架变形服从胡克定律，即 1 4 ( 2 - 9 ) 2 新旧路基结合部位沉降有限元分析原理 ：3 k _ - - 2 一g q + 2 g s x = 半g 髟 ：3 k _ - 2 g q + 2 g e = 勺= g y p l = g = g y = j 式中g - 一剪切模量 土体中渗流服从d a r c y 定律，即 一颤锄。 1 ，= 一o o 。 凡融 砖o u 。 1 ，= 一2 3 y w 却w ， 一恕o u 。 ，= 一2 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 根据饱和土的连续性，固结过程中单位时间内流经单元土体表面的水量与单位时 间内土体体积改变是相等的，得连续条件 盟+ 堕+ 竺：堡 ( 2 1 4 ) 舐 砂 瑟钟 将几何方程带入物理方程，再代入有效应力原理方程，然后代入平衡方程，可得 1 5 北京交通大学硕士学位论文 f 堡丝1 堡+ g v 2 u - 堕+ x ：o 3 o x o x f 堡堑1 堡+ g v 2 v - 盟+ 】，：o 3 砂 砂 f 堡塑1 拿+ g v 2 w - 盟+ z ：o ( 2 - 1 5 ) 式中：v 2 = 岳+ 等+ 等 将几何方程和d a r c y 定律代入连续方程，得 堡+ 蔓婆+ 笠婆+ 蔓婆= o ( 2 - 1 6 ) a t y w 辩y w 却1 y wo z l 有胡克定律得 代入上公式可得 堡：土里! 竺二丝1 8 t3 k8 t ( 2 - 1 7 ) 五1 塑a 型t + 薏粤o x + 鲁警a y + 务磐0 z = 。 ( 2 - 1 8 ) 3 k y 坩 1 y w 。 y w 1 这就是b l o t 固结理论方程，结合边界和初始条件，即可得到路基任一点任一 时刻的位移u 、v 、w 值和孔隙水压力值“。 t e r z a g h i 固结理论中假定总应力和不变，把应力和应变从方程中消去，只含 孔隙水压力一个未知变量，孔隙压力的消散只和孔隙压力的初始条件和边界条件 有关，与固结过程中位移的变化无关。而b l o t 固结理论没有作总压力和为常量的 假定，在方程中不能将应力或应变消去，完整的引入物理方程，进而引入几何方 程，最后把孔隙水压力与位移联系起来。这样就考虑了孔隙水压力与土骨架变形 的耦合作用，更符合土的实际变形规律。 1 6 2 新旧路基结合部位沉降有限元分析原理 2 3 4 土的本构关系 土是一种散粒材料，变形规律非常复杂，具有非线性，弹塑性，粘塑性，剪 胀性，各项异性等特征。很难建立一个能反映各种状态的土在各种荷载作用下的 应力一应变关系的数学模型。对于土，a d i n a 中常用的材料模式有弹性非线性模型， 比如d u n e a n - z h a n g 模型，弹塑性模型比如m o h r - c o u l o m b 模型，本文采用 m o h r - c o u l o m b 理想弹塑性模型。其主要基于以下条件： ( 1 ) 非关联流动法则 ( 2 ) 理想弹塑性m o h r - c o u l o m b 屈服特征 ( 3 ) 极限抗拉 m o h r - c o u l o m b 模型可以用于二维和三维固体单元。当考虑小位移问题时，采 用材料非线性描述，当考虑大变形，小位移问题时，采用完全拉格朗日表述。当 考虑大变形，大位移问题时，采用更新拉格朗日表述。 m o h r - c o u l o m b 屈服函数如下 k = 1s i n 9 ，+ 昙( 3 ( 1 一s i l l 矽) s i i l 口+ 压( 3 + s i i l 矽) c o s 乡) 何一3 c ( 2 1 9 ) 相应的潜在函数 g m c = s i i l 沙+ - 导( 3 0 “n y ) s i n 0 + 压( 3 + s i n 缈) c , o s p ) 厄一3 c ( 2 2 0 ) 舯朋= p ( 等每l 矽为土的内摩擦角，c 为粘聚力，沙是剪胀角( 一个材料常量) ，厶是t 时刻主 应力第一不变量，以是t 时刻偏应力第二不变量，以是t 时刻偏应力第三不变量。 m o h r - c o u l o m b 材料模型的一些重要特性将在图3 - i 至图3 - 4 中说明。 ( 1 ) m o h r - c o u l o m b 材料模型不能应用硬化准则。m o h r - c o u l o m b 材料模型仅能 与理想弹塑性屈服条件相结合共同使用。 ( 2 ) 当使用m o h r - c o u l o m b 材料模型时，剪切引起的体积膨胀的大小由剪胀角 梦决定。为了降低材料不正常的体积膨胀，通常将剪胀角的值取得比摩擦角