高速铁路地基不均匀沉降的因素及机理分析.doc

高速铁路地基不均匀沉降的因素及机理分析2011年6月第2卷第3期高速铁路技术HIGHSPEEDRAILWAYTECHNOLOGY文章编号:1674-8247(2011)03005-_04No.3.Vo1.2Jun.201】高速铁路地基不均匀沉降的因素及机理分析冷长明(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京102600)摘要:高速铁路路基不均匀沉降量的大小直接影响列车运行的舒适度和安全性,尤其对无钟:轨道更是直接影响到其安全使用寿命.高速铁路路基设计和施工必须满足路基的工后沉降要求,支撑路基的地基压密沉降是造成路基:后沉降的最主要原因.地基的沉降变形大小则主要由地基土的性质,地基处理方法决定,通过对高速铁路地基产生不均匀沉降因素的归纳总结和机理分析,以指导高速铁路路基勘察设计及施工.关键词:高速铁路;地基;不均匀沉降;机:哩分析中图分类号:U213.157文献标识码:AAnalysisoftheFactorandMechanismofUnevenSettlementofHigh-speedRailwaySubgradeLENGChangming(ChinaRailwayFifthSurveyandDe,signInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)Abstract:Theunevensettlementsofthehighspeedrailwaysubgradewouldaffectthecomfortandsecurityofthetrain,andinparticular,theservicelifeoftheballatlesstrack.Thecompactionsettlementofthesupportingbaseforthesubgradeisthemainreasonforthepostconstructionsettlement.Basedonthesummaryandmechanicalanalysisoftheunevensettlementofthehighspeedrailwaysubgrade,thepapergetssomeusefulcluestoguidetheprospecting,designandconstructionofthehighspeedrailwaysubgrade.Keywords:highspeedrailway;subgrade;unevensettlement;analysisofmechanism1引言铁路路基工后沉降主要包括基床在列车荷载作用下产生的累积变形,路基本体在自重及线路上部结构作用下的压密沉降,支撑路基的地基压密沉降.工后沉降分为均匀沉降:和不均匀沉降.高速铁路上,不均匀沉降量的大小直接影响到列车运行中的舒适度和安全性,尤其对于无砟轨道更是直接影响到其安全使用寿命.对高速铁路,基床表层填筑级配碎石,地基系数.190MPa/m,压实系数K0.97,该变形在碾压完成后基本自调完毕.基床底层采用改良土或易碾压密实的砂类土或碎石类土填筑,其压实系数大=0.95,收稿日期:2011-03.21作者简介:冷长明(1981一,男,工程师.基床底层的变形很小,且基本在铺轨前完成并趋于稳定.基床以下路堤的变形量大小主要取决于填料的物理特性,含水量和填料自身的压密特性以及压实功和压实过程.当填料为化学改良土时,由于压实功的作用以及改良剂的作用,路基本体变形逐渐减小并趋于稳定.当填料为砂类土或碎石类土时,其变形量大小和稳定时间可认为是确定的,一般在路基施工完成后1年即趋于稳定.总体来说,路基填筑体变形对路基工后沉降影响不大,而支撑路基的地基压密沉降则是造成路基工后沉降的最主要原因.路基工后沉降示意如图1所示,路基沉降量随时间的变化曲线如图2所示.2高速铁路地基条件要求作为支撑路基的地基,不仅应有足够的强度,能安全地支撑路堤,不发生基底破坏,同时还应具有一定的一第3期冷长明:高速铁路地基不均匀沉降的因素及机理分析2011年6月基床在列车荷载作用基床表层下产生的累积变形吲圈逝图1路基工后沉降示意图路基路基施工施工期结束到铺轨前铺轨期运营期时间j图2路基沉降量随时间变化曲线图刚度,使地基不致发生过量下沉.路基应根据详细的地质勘察资料,路堤高度等,对软土,松软土地基的路基总沉降,工后沉降与每年的沉降速率等进行分析计算,沉降分析前必须先进行路基的滑动稳定检算和承I墨较大沉降变形或不均匀沉降的其它土质地基也应进行分析计算并采取必要的加固处理措施.3天然地基沉降机理土体变形通常由三部分组成:固体土颗粒被压缩;土中水及封闭气体被压缩;水和气体从孔隙中被挤出.由于土颗粒压缩性很小,在地基遇到的压力范围内,固体颗粒和水的压缩性与土体的总压缩量之比非常小,完全可以忽略不计.因此土体的变形是土粒孔隙中的气体和水排出,孔隙体积减小,颗粒重新排列,粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果.当荷载通过路堤传给地基以后,地基内部将产生附加应力和变形,从而引起地基沉降.地基沉降量或沉降差的大小,首先与土的压缩性有关;其次,与作用在地基上的荷载性质和大小有关.一般而言,荷载越大,地基沉降也越大,而偏心或倾斜荷载作用所产生的沉降差要比中心荷载作用产生的大.当相邻地基土体的性质不同,土体颗粒不均匀,作用在地基土体的荷载不均匀时,则地基土体产生不均匀沉降.3.1土体的沉降变形过程土体在外力作用下的沉降变形过程一般可分为3个阶段:瞬时沉降s,固结沉降s.,次固结沉降s.地基各沉降阶段如图3所示.岛卜itP加荷荷后经历时间t图3地基沉降阶段图3.2地基沉降计算天然地基的总沉降量S一般可由瞬时沉降s与主固结沉降S之和计算.对于泥炭土,富含有机质土和高塑性黏性土地层,可视情况考虑次固结沉降.s,即总的沉降计算公式为:S=Sd+S+S(1)3.2.1主固结沉降计算天然地基主固结沉降的计算一般采用分层总和法.铁路部门常用eP曲线法,elgP曲线法计算固结沉降.(1)用eP曲线法计算s=hh(2)式中:n地层分层层数;第i层厚度(ram);e第i层中点自重应力对应的孔隙比;e第i层中点自重应力及附加应力之和所对应的孔隙比.(2)用elgP曲线法计算对于正常固结,欠固结土层,有:Sc=nCclgc,式中:C土层的压缩指数;P.各分层中点自重应力(kPa);P前期固结压力,正常固结时P.=Po;P填土荷重附加应力(kPa).对于超固结土层,有:S=S+s,(4)对P>P一P.的土层:s.=ngcJgc)(5)对P尸一P.的土层:sngc)16式中:C回弹指数.3.2.2瞬时沉降S计算瞬时沉降可按下述弹性理论公式来估算,即s:F(7)第3期冷长明:高速铁路地基不均匀沉降的因素及机理分析2011年6月式中:JP路堤底面垂直荷载(kPa);B基础宽度(1TI);弹性模量,可由无侧限抗压试验得到,取分层厚度的加权平均值(MPa);F中线沉降系数.3.2.3次固结沉降s计算,1tS=lg()Ah(8)式中:C次固结系数;t主固结完成的时问;f需要计算次固结的时间.3.3地基沉降的时间地基的变形不是瞬时完成的,地基在荷载作用下要经过相当长的时间才能达到最终沉降量.饱和土体的压缩完全是由于孔隙中水的逐渐向外排出,孔隙体积减小引起的.因此,排水速率将影响到土体压缩稳定所需的时间.而排水速率又直接与土的透水性有关,透水性愈强,孔隙水排出愈快,完成压缩所需时间愈短.地基沉降时间的长短,取决于土层排水的距离,土粒粒径与孔隙的大小,土层渗透系数,荷载:小和压缩系数高低等因素.通常不同类型的地基土在施工期完成的沉降有以下几种情况:(1)碎石土和砂土地基,因压缩性较小,渗透性较大,一般在施工完成时,地基沉降已全部或基本完成;(2)低压缩黏性土,施工期可完成最终沉降量的50%80%;(3)中压缩黏性土,施工期可完成最终沉降量的20%50%;(4)高压缩黏性土,施期可完成最终沉降量的5%20%;(5)淤泥质黏性七渗透性低,压缩性大,对于层厚较大的饱和淤泥质黏性土地基,地基沉降有时需要几十年时间才能达到稳定.4地基不均匀沉降因素及机理分析地基土层受路基填筑体的重力以及运营车辆对基床的冲击所产生荷载的影响,而产生地基基础的沉降变形,其沉降变形的大小除与路堤填高和路基断面形式有关外,主要由地基土的性质,地基处理方法所决定.地基土体颗粒的不均匀,相邻地基土的性质差异,地基基础处理不当,以及地基土所受的荷载不同等,都会引起地基的不均匀沉降.4.1地基土层不同产生的不均匀沉降地基土并不是单一的匀质材料,在路基设计中对其作了简化假定,表达为土的重度,压缩模量,密实度等,这样就使计算与实际情况有一定的误差地基土沿路基纵横向分布不均,如土性,密度不同,颗粒不均,地层倾斜等,相邻地基土体由于性质不同受,了后表现出不同的沉降量.地基沿路基纵横向可能处在不同土质的地基上,如一般土地基,特殊土地基相互交接处,由于2种土体的物理力学性质不同,若采用相同的地基处理方法,则不能消除不均匀沉降.此类不均匀沉降,容易在以下情况发生:在复杂地质条件下,如山区地基,由于土层在平面与竖向分布上常有很大的差异,不但层次多,土层厚度变化较大,而且各种土层的物理力学指标相差悬殊;基岩起伏变化较大,上覆土层的厚度不同,可能使路基一部分置于坚硬的基岩上,另一部分置于土层上,使路基产生不均匀沉降;局部软弱土层,如部分路基处在池塘,河道沟渠的淤泥细砂,软塑状黏性土层等局部软弱土层上,如果地基处理不当,可能会产生地基不均匀沉降.4.2特殊土地基病害引起的沉降特殊土地基,如软土及松软土地基,湿陷性黄土地基,膨胀土地基,岩溶地基,冻土地基等,由于其组成土的物质成分和次生变化等多种复杂因素,造成其在特定情况下容易发生地基变形,而引起路基不均匀沉降.4.2.1软土,松软土地基软土,松软土本身力学性能差,在附加应力作用下,会发生固结沉降,次固结沉降和侧向塑性挤出,导致明显的沉降变形和不均匀沉降.软土,松软土地基上路基工后沉降量的控制,是高速铁路路基设计中一艮蓑呈显翥薯清淤曩有些软土,松软土地基如河谷,水塘处虽作了清淤啊处理,如果处理不彻底或回填材料控制得不好,会形成人为的相对软弱土层.在路基填筑后,地基容易出现不均匀沉降,进而造成路基的不均匀沉降,甚至路面开裂,如图4所示.有些路段所处地基不属于软土地基,但是处于丘陵低洼,河谷处,长期受水冲蚀,天然含水量较高,未做处理,也会产生不均匀沉降.i图4地基中软土层导致路基不均匀沉降4.2.2湿陷性黄土地基湿陷性黄土地基路基病害的主要诱因是由于水的侵入而产生的湿陷,其路基病害的主要表现形式为路基沉陷或陷穴,路堤或基底沉陷,路堤局部滑塌等.深厚黄土地基在受水浸湿的情况下产生湿陷,即使采用了强夯,碎石桩,水泥土挤密桩等地基处理方法,但桩间土等地基土仍不可避免地存在一定的湿陷,尤其是在防排水措施不当,桩基础的选型,布置和施工不当等情况下,黄土的湿陷性较为明显,会引起路基的不均匀沉降.第3期冷长明:高速铁路地基不均匀沉降的因素及机理分析2011年6月4.2.3膨胀土地基膨胀土遇水膨胀,失水收缩的变形特性及其边坡浸水强度衰减特性在工程建设和运营中起到极大的破坏作用,常引发路基下沉,翻浆,边坡沉塌等病害.当路基建设在深厚膨胀土地基上,如果防排水措施不当,地基膨胀土不均匀胀缩,则会引起路基的不均匀沉降.4.2.4岩溶地基在岩溶地区,地基下有时分布有岩溶洼地或漏斗,如果勘察或地基处理不充分,其中的充填物松软,在行车动载的作用下,充填物压实,侧向流动和下陷,造成路基不均匀沉降,如图5所示.图5岩溶导致的路基不均匀沉降4.2.5盐渍土地基盐渍土地基中不同的含盐性质和含盐量,会给路基造成不同的影响和危害.若地基处理控制不好,随_茎蒙墨篓耋成不均匀沉降影响.4.2.6冻土地基冻土地基的活动层中每年都发生着季节性融化和冻结,并伴有各种冻土现象.路基在冻结和融化期间将产生不均匀冻胀与翻浆,从而导致路基的不均匀沉降.4.3地基处理方法和效果对地基沉降的影响地基的沉降变形大小除与地基土的性质密切相关外,还与地基处理方法有关.当采取的地基处理方法不当,加固效果不明显,局部不能满足地基荷载条件的要求,则在施工后期可能会引起地基的竖向变形和侧向变形,而变形的大小和不确定性会影响路基的不均匀沉降.地基基础沿路基方向可能处在不同土质的地基上,实际工程中可能会使用同一方法处理不同软弱地基,若采用地基处理方法不当,使两侧地基的刚度差异较大,则将引起不均匀沉降.复合地基的荷载传递变形机理与天然地基存在不同,相对于桩而言,桩问土的压缩性更大.在路堤填土及列车荷载作用下,可能引起桩与周围土之间产生差异沉降,差异沉降也受土拱效应的影响.4.4不同地基处理措施连接处的不均匀沉降由于地基条件不同,根据相应的地质条件进行地基处理,因其处理方法不同,在地基连接处,如果没有采取逐渐过渡的处理方法,则刚度不同,随着运营后列车的冲击荷载,在不同地基处理方式的交界处会出现沉降突变,即形成路基不均匀沉降.4.5填挖方交界及地面斜坡处的不均匀沉降当路基处于斜坡或山区时,路基断面形式可能为半堤半堑或路堤底面为斜坡.在路基填方与挖方结合处的填方一般处于一个倒三角地形.填方土体压实效果较难保证与挖方部分相同,尤其是当填筑材料与原地面基底为不同材料,半填半挖处由于丽部分土体的性质和压密程度不同,