【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 因此基床厚度定為 。 圖 21 滿足變形條件的基床表層厚度與基床表層材料、土基模量的關(guān)系 圖 22 基床表層厚度的確定 鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 14 笫三章 客運(yùn)專線工后沉降控制 第一節(jié) 工后沉降控制的意義 路基沉降變形主要包括三個(gè)方面： ①列車行駛中路基面產(chǎn)生的彈性變形；②長(zhǎng)期行車引起的基床累積下沉；③路基本體填土及地基的壓縮下沉。 客運(yùn)專線基床表層采用級(jí)配碎石，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)較高，表層彈性模量可達(dá) 200 MPa 以上，路基面彈性變形在 之內(nèi)；路堤填土壓密下沉量為路堤高度的％～ ％，而且在一年左右完成。 由此可見，只要滿足基床及路基本體填筑材質(zhì)、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，列車行駛中彈性變形、運(yùn)營(yíng)階段的塑性變形及路基填土壓縮量都是有限的，而且也可得到控制。因此，控制路基沉降變形特別是工后沉降的關(guān)鍵，在于控制支承路基的地基沉降。 松軟、軟土地基由于地基土層強(qiáng)度低、壓縮性大、滲透系數(shù)小等特性，在其上修筑路基時(shí)，地基的沉降問(wèn)題突出，過(guò)大的沉降量影響軌道的穩(wěn)定和平順，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此，在這種地基上修建路基，應(yīng)將 其工后沉降量和沉降速率控制在允許范圍內(nèi)，使其不影響列車高速、舒適、安全地運(yùn)行。 路基上鋪設(shè)無(wú)碴軌道的核心問(wèn)題是沉降控制。無(wú)碴軌道對(duì)沉降變形特別敏感，特別是不均勻沉降。無(wú)碴軌道鋪設(shè)后對(duì)路基沉降變形的調(diào)整范圍是極其有限的，一般局部的沉降應(yīng)在扣件的可調(diào)整范圍，大范圍的均勻沉降應(yīng)該滿足線路豎曲線圓順的要求。對(duì)于調(diào)高量為 30mm 的扣件，如果允許在施工中調(diào)高＋ 6mm 和－4mm，那么只剩 20mm 可以調(diào)整，再考慮軌道結(jié)構(gòu)變形要留有 5mm的余量，實(shí)際留給運(yùn)營(yíng)部門的可用于路基沉降調(diào)整的僅為 15mm。這是局部調(diào)整的極限。對(duì)于 20m范圍內(nèi)的情況，德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范的規(guī)定可以到 20mm。對(duì)于更大范圍的均勻沉降德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)是，最大沉降為扣件的運(yùn)營(yíng)可調(diào)整范圍的 3 倍時(shí)是可以圓順的，規(guī)范要求為扣件可調(diào)整范圍的 2 倍，也就是 30mm。過(guò)渡段沉降的逐漸過(guò)渡和折角的要求也在于控制不均勻沉降。 由于對(duì)沉降控制的要求較高，而影響沉降計(jì)算的影響因素較多，沉降控制已完全超出了處理方法的計(jì)算精度，因此，規(guī)定的工后沉降已不再是最初設(shè)計(jì)的預(yù)留值，是一個(gè)允許出現(xiàn)的誤差值。由于無(wú)碴軌道對(duì)不均勻沉降的嚴(yán)格要求，如預(yù)留沉降，路基與橋梁及隧道是很難協(xié)調(diào)的，只有在共同追求不產(chǎn)生 工后沉降的基鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 15 礎(chǔ)上才能較好地實(shí)現(xiàn)各種過(guò)渡，也就是零沉降的概念。工后沉降實(shí)際上是零沉降控制基礎(chǔ)上的允許偏差。這一點(diǎn)對(duì)于軟土地基處理的思想和方法都有較大的影響。 由于沉降計(jì)算是不夠精確的，不足以控制無(wú)碴軌道的工后沉降。為保證精度和有效的控制，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的觀測(cè)與分析評(píng)估。系統(tǒng)的觀測(cè)在于有一定的數(shù)量和設(shè)定在恰當(dāng)?shù)臄嗝?，并以合理的觀測(cè)周期進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)斷面的數(shù)量平均 50m一處，且在過(guò)渡段是沿線路縱向連續(xù)觀測(cè)的，系統(tǒng)的分析評(píng)估依據(jù)沉降觀測(cè)曲線進(jìn)行。表 31 列出各規(guī)范中的工后沉降限值。 表 31 各種規(guī)范中工后沉降控制限值 序號(hào) 規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn) 一般路基 工后沉降 過(guò)渡段 工后沉降 年沉降速率 0 高速公路 30 15 6 1 秦沈客運(yùn)專線暫規(guī) 15 8 4 2 時(shí)速 200 公里客貨共線 15 8 4 3 時(shí)速 200250 公里客運(yùn)專線 10 5 3 4 京滬高速鐵路暫規(guī) 5 3 2 5 時(shí)速 300350 公里客運(yùn)專線 3 縱向平順度每 20m 小于 20mm 第二節(jié) 觀測(cè)儀器比選 一、觀測(cè)樁 用木樁和鋼釬釘入土中，用水準(zhǔn)儀抄平，即可測(cè)量地表面的沉降量。此方法最簡(jiǎn)便，但只能測(cè)定建筑物表面的沉降值，無(wú)法測(cè)試土體 內(nèi)部某位置的沉降，對(duì)填土施工有干擾。 二、沉降杯 將盛水密閉容器置于土中，容器上接出進(jìn)水管、排水管和排氣管至填土以外。進(jìn)水管外部與觀測(cè)量杯相連。容器灌水以后，容器內(nèi)部的水位與外部觀測(cè)水杯的水位一致，則可通過(guò)觀測(cè)量杯中的水位得到容器的沉降。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，缺點(diǎn)是三根管的埋設(shè)要求比較高，如果埋設(shè)不平順，容易形成氣泡阻塞水管，使測(cè)試無(wú)法進(jìn)行。此方法比較少用。 鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 16 三、沉降板 由底板和測(cè)桿、護(hù)套組成。底板為邊長(zhǎng)約 50cm厚度 3cm的鋼筋混凝土板。測(cè)桿為直徑 40mm 左右的鋼管，第一段垂直固定于鋼筋混凝土板的中 央，隨著填土高度的增加，分段以絲扣接長(zhǎng)測(cè)桿。測(cè)桿外套接塑料管保護(hù)，以免測(cè)桿受外來(lái)擾動(dòng)變形。 沉降板是目前沉降觀測(cè)的最常用的手段。其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低廉，操作簡(jiǎn)便，易于測(cè)試。但其弱點(diǎn)也很明顯，主要是影響填土壓實(shí)施工，壓實(shí)機(jī)械經(jīng)過(guò)時(shí)必須繞道而行，極為不便，機(jī)械經(jīng)常撞壞沉降桿，且形成壓實(shí)死角，降低壓實(shí)質(zhì)量。其次是一個(gè)沉降板只能測(cè)量路堤中一點(diǎn)的沉降。一個(gè)斷面上多放幾個(gè)沉降板影響壓實(shí)施工的矛盾更突出。另外一個(gè)缺點(diǎn)是損壞后的補(bǔ)救非常困難。 四、水壓式剖面沉降儀 由沉降管和二次測(cè)試儀器組成。沉降管為一般的 PVC 管，二次測(cè) 試儀器由探頭、注水管、注水架組成。其工作原理見圖 31. 探頭內(nèi)的主要元件是靜水壓力傳感器。由于地基沉降的原因，探頭處于不同位置時(shí)，靜水壓力傳感器所受到的靜水壓力是不同的，記錄不同的靜水壓力，據(jù)此可得到不同位置的高程，從而得到沉降值。剖面沉降儀測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)， 1）能夠測(cè)定任意一點(diǎn)的沉降值，甚至可以測(cè)試整個(gè)剖面的連續(xù)的沉降曲線，配置自動(dòng)記錄儀即可實(shí)現(xiàn)。 2）測(cè)試成本低。除了一次性投入二次儀器約 2 萬(wàn)元外，每次使用只需購(gòu)買廉價(jià)每米 5 元左右的 PVC 管即可。 3）對(duì)填 土施工無(wú)干擾。但其缺點(diǎn)也比較突出。首先精度比較低。若要提高精度，需根據(jù)待測(cè)沉降的大小范圍，配置若干不同靈敏度的探頭，增加了二次儀器的造價(jià)。第二個(gè)缺點(diǎn)是測(cè)試操作比較復(fù)雜。圖 31 剖面沉降儀工作示意圖 沉降管 記錄儀 注水系統(tǒng) 鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 17 整個(gè)系統(tǒng)不能方便攜帶，測(cè)試時(shí)需取水和注水。第三個(gè)缺點(diǎn)是受氣候干擾大，風(fēng)使測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；溫差大改變了水的密度，影響精度。 五、水平測(cè)斜儀 與水壓式剖面沉降儀相似，水平測(cè)斜儀也由沉降管和二次測(cè)試儀器組成。不同的是水平測(cè)斜儀無(wú)需注水系統(tǒng)，其沉降管是特制的 PVC 管。工作原理見圖 32 探頭內(nèi)的主要元件是伺服加速度傳感器。由于地基沉降，探頭處于傾斜方向，通過(guò)重力加速度在敏感水平軸上的投影，可精確測(cè)量探頭的傾角，再根據(jù)探頭長(zhǎng)度得到探頭兩端的高程差，從而得到沉降值。其優(yōu)點(diǎn)： 1）精度高。每次讀數(shù)的誤差小于 ， 36 米長(zhǎng)剖面測(cè)試的累計(jì)誤差小于 2mm。 2）操作方便。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)可由一個(gè)人攜帶，移動(dòng)非常方便。測(cè)試操作僅需兩個(gè)人即可，一個(gè)人記錄，一個(gè)人拉線。 3）可得到整個(gè)剖面的沉降曲線，測(cè)點(diǎn)間距最小為 。 4）對(duì)填土施工無(wú)干擾。 5）不受氣候影響。二次儀器一次性投資約二萬(wàn)元。水平測(cè)斜儀的不足主 要是特制的 PVC 管造價(jià)比較高，每米 25 元左右，約為普通 PVC 管的四倍。 第三節(jié) 沉降測(cè)試方法 一、水平測(cè)斜儀工作原理 水平測(cè)斜儀具有常規(guī)測(cè)試技術(shù)無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。解決了全斷面量測(cè)、不影響施工等問(wèn)題，而且還具備耐嚴(yán)寒、抗干擾特性、便于操作等優(yōu)點(diǎn)，因而很受工程界歡迎。水平測(cè)斜儀測(cè)試原理見圖 32。 水平測(cè)斜儀以高精度的伺服加速度計(jì)為敏感元件，可廣泛用于觀測(cè)路基、土石壩、巖土邊坡、建筑物基坑、堤防、地下建筑、港務(wù)工程等土體內(nèi)部的垂直位移，是土木工程中必備的精密測(cè)量?jī)x器。 圖 32 水平測(cè)斜儀的工作示意圖 沉降管 記錄儀 探頭 電纜 鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 18 測(cè)試原理：在待測(cè)土體中水平向預(yù)埋帶槽測(cè)斜 導(dǎo)管，此導(dǎo)管可隨土體一起變形；測(cè)斜探頭具有一定長(zhǎng)度，一般為 ，兩端裝有導(dǎo)輪，探頭中心安裝了精密加速度計(jì)，當(dāng)水平測(cè)斜儀的導(dǎo)輪沿測(cè)斜導(dǎo)管的導(dǎo)槽移動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)，探頭中的加速度計(jì)的重力矢量在水平軸上的分量被測(cè)定，從而確定了探頭與水平軸的傾角。傾角與探頭的長(zhǎng)度之積即為探頭兩端的高程差。 如圖 33 所示：當(dāng)加速度計(jì)敏感軸在水平方向時(shí)，矢量 g 在敏感軸上的投影為零，加速度計(jì)的輸出為零。當(dāng)加速度計(jì)敏感軸與水平方向存在一夾角θ時(shí)，加速度計(jì)的輸出電壓信號(hào)為： 式中： K0 為加速度計(jì)初始偏值，儀器出廠時(shí)給定。 K1 為加 速度計(jì)電壓因數(shù) g 為重力加速度 為了消除 K0 的影響，可將探頭調(diào)轉(zhuǎn) 180 度，在該點(diǎn)進(jìn)行第二次 測(cè)量得： （ 1） — （ 2）得： ?s i n2 121 gKUU o u to u t ?? 由圖 1 可知： sinθ＝Δ i/L 式中：Δ i 為探頭在某個(gè)位置時(shí)，兩端的高程差值。 L 為探頭長(zhǎng)度（ m），即兩個(gè)導(dǎo)輪的間距 則： gKUULi outout 121 2/)( ??? 用導(dǎo)線拖拉探頭前進(jìn)，每隔 米（探頭長(zhǎng)度）記錄一個(gè)高程差△ i，則任意位置相對(duì)于測(cè)試起始點(diǎn)位置的高程差即為此距離內(nèi)所有讀數(shù)的代數(shù)和： 二、 水平測(cè)斜儀誤差處理 由上述公式（ 1） ~（ 3）可知：伺服加速度傳感器的初始位置與基準(zhǔn)位置的Δ i Δ i1 圖 33 水平測(cè)斜儀原理圖 δ=∑△i ?s in101 gKKU ou t ?? （ 1） ?s in102 gKKU out ?? （ 2） （ 3） ??? i?鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 19 偏離誤差為 k0。正反向拉測(cè)兩次，然后相減，即可消除 k0。實(shí)際上，這種方法可以消除絕大部分各種原因產(chǎn)生的誤差，使測(cè)試達(dá)到 mm 級(jí)精度。 基準(zhǔn)樁測(cè)量精度。沉降觀測(cè)按Ⅱ等水準(zhǔn)要求，在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，采用的儀器為自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀（瑞士， NA3003）并配備專用的因瓦水準(zhǔn)尺。觀測(cè)中誤差為 1mm/krn，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用閉合水準(zhǔn)路線或附和水準(zhǔn)路線，允許閉合差控制標(biāo)準(zhǔn)為： 三、 埋設(shè)工藝 沉降管布置位置見圖 47。 (1)當(dāng)被測(cè)標(biāo)高以上填筑一層并壓實(shí) 以后，在被測(cè)斷面處開挖寬 20cm，深30cm 的溝槽，槽底剛好是被測(cè)標(biāo)高。 將特制 PVC 管埋設(shè)在溝槽內(nèi)的被測(cè)位置。導(dǎo)槽方向?qū)?zhǔn)鉛垂方向，整個(gè)斷面 上的沉降管連接后，盡量保持平直，以圖 35 測(cè)斜管的埋設(shè) 圖 36 保護(hù)管 圖 34 路堤壓縮量及地基沉降量測(cè) 試布置圖 基床表層 基床底層 沉降變形管 沉降變形管 二布一膜 觀測(cè)樁 鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 20 便使探頭容易牽引，見圖 35。 (2)沉降管端頭用帶蓋的鋼管保護(hù)筒保護(hù)，沉降管應(yīng)盡量位于保護(hù)筒的中心，保護(hù)筒平日用螺栓將蓋封死，用土覆蓋，測(cè)量時(shí)將蓋打開即可，這樣可避免人為破壞 ,見圖 36。 四、測(cè)試方法 將特制 PVC 管埋設(shè)在被測(cè)位置，導(dǎo)槽方向?qū)?zhǔn)鉛垂方向。 (1)將電纜一端接記錄儀，一端接探頭。 (2)用普通 6 號(hào)鐵絲將探頭及電纜拉至沉降管的起始端，然后拉鐵絲，每 米刻度線處讀數(shù)一次，直至沉降管的終止端。然后將測(cè)斜儀水平掉轉(zhuǎn) 180 度，從另一端在前次同樣的測(cè)點(diǎn)位置上進(jìn)行第二次測(cè)試，讀數(shù)。注意每次測(cè)試讀數(shù)都要把電纜拉緊，位置要拉準(zhǔn)確，以防讀數(shù)不穩(wěn)。通常采用正反測(cè)試的目的是提高精度，可以抵消探頭的初始值和溝槽傾斜偏差等因素所造成的系統(tǒng)誤差。 (3)用水準(zhǔn)儀和現(xiàn)場(chǎng)的水準(zhǔn)基點(diǎn)抄平，得到沉降管起始端的標(biāo)高，從而根據(jù)沉降差可得到各讀數(shù)點(diǎn)的標(biāo)高。第一次測(cè)試推算出各點(diǎn)的標(biāo)高，即為未來(lái)測(cè)試的基準(zhǔn)標(biāo)高，即初始標(biāo)高。 現(xiàn)場(chǎng)操作表明：采用雙向拉測(cè)法使水平測(cè)斜儀具有不影響施工，不受天氣的影響，操作方便、輕捷、靈活，精度高等優(yōu)點(diǎn)，為及時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)試路基沉降，提供了保障?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)處理方法及程序滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的錄入及后期的數(shù)據(jù)整理工作的要求，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)捷方便。測(cè)試實(shí)例見圖 37。 鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 21 鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù) 22 第四節(jié) 觀測(cè)數(shù)據(jù)處理及工后沉降預(yù)測(cè) 各斷面路基中心地基面處的沉降與施工過(guò)程的關(guān)系見圖 38。將填土加荷過(guò)程對(duì)應(yīng)畫在沉降曲線的上方，便于對(duì)照分析。 工后沉降預(yù)測(cè)采用雙曲線法。沉降與時(shí)間的關(guān)系可表示為： )4(bta tS ?? 變換為直線形式： )5(btaSt ?? 根據(jù)式（ 5）變換測(cè)試數(shù)據(jù)，得到一組直線。則 1/b 即為最終沉降量。見圖 39。根據(jù)最終沉降量和圖 38 中的竣工沉降量，就可求出預(yù)測(cè)工后沉降值。 圖3 8 地基面實(shí)測(cè)沉降與施工過(guò)程的關(guān)系曲線00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000t ( 天)s(m)距管口1 3 . 5 米處沉降量（9 2 0 ）距管口1 6 米處沉降量（0 0 0 ）距管口2 0 米處沉降量（8 0 0 ）填土過(guò)程圖3 9 最 終沉降量擬和曲線1800016000140001202010000800060004000202000 100 200 300 400 500 600 700 800 900t( 天 )t/s80 0底 層