【文章內(nèi)容簡介】 ..49第 1 章 緒論 選題背景及意義我國幅員遼闊，鐵路經(jīng)過的地區(qū)比較復雜，路基作為鐵路的重要組成部分，是承受軌道結(jié)構重量和列車荷載及各種附加力的基礎，路基本體必須有足夠的強度和一定范圍內(nèi)的變形，所以作為承載高速鐵路的基礎—路基的設計得到越來越廣泛的重視，把路基作為土工結(jié)構物來設計的理念在路基設計中逐步得到體現(xiàn),在一般情況下，路基給工程帶來的主要難題是沉降變形及其各種處理措施條件下的固結(jié)問題，所以路基沉降變形問題是高速鐵路設計中所要考慮的主要控制因素。為了確保列車安全、平穩(wěn)運行，路基必須具有強度高，剛度大、穩(wěn)定性、耐久性好，不易變形等優(yōu)良特性。隨著我國既有線大面積提速改造及快速鐵路、高速鐵路的修建，如何解決路基沉降這個屢屢出現(xiàn)的問題就被提上日程。 我國鐵路路基現(xiàn)狀長期以來，我國新建鐵路沒有把路基當成土工結(jié)構來對待，而普遍冠名為土石方。在“重橋隧，輕路基，重土石方數(shù)量，輕質(zhì)量”的傾向下，路基翻漿冒泥、下沉、邊坡坍滑、滑坡等病害經(jīng)常發(fā)生，使新建鐵路交付運營多年仍不能達到設計速度與質(zhì)量，經(jīng)濟效益與社會效益較差。運營鐵路路基技術狀態(tài)不佳，強度低，穩(wěn)定性差，嚴重威脅鐵路運輸和安全，已成為鐵路運輸?shù)闹饕∪醐h(huán)節(jié)。如今，全國鐵路網(wǎng)已相繼完成四次提速，開發(fā)了一批最高運行速度為140～160KM/h的“快速列車”。運營時速為200KM的秦沈客運專線的建成通車，使我國鐵路路基設計施工水平有了較大幅度的提高，極大地促進了路基工程的進步。 黃土通常將具有以下特性的土稱為黃土；顏色以黃色、褐黃色為主，有時呈灰黃色；顆粒組成以粉粒(～)為主，含量一般在60%以上；有肉眼可見的大孔隙、較大孔隙，；富含碳酸鹽；垂直節(jié)理發(fā)育。公路工程中，根據(jù)黃土沉積年代不同，可將黃土分為新黃土(如馬蘭黃土Q Q 4)、老黃土(離石黃土Q 1Q 22)、紅色黃土(午城黃土Q 1)三類；根據(jù)黃土的濕陷性又分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土。 黃土的顆粒組成會及結(jié)構黃土的顆粒組成以粉粒為主，其含量可達50%以上，其中粗粉粒(～)含量大于細粉粒(～ mm)含量。黃土中的粘粒、細粉粒和腐殖質(zhì)膠體，大部分被膠結(jié)成集?；蚋≡谏傲＜按址哿５谋砻?，或聚集在大顆粒間的接觸點處。黃土中的粉粒和集粒共同構成了支承結(jié)構的骨架，較大的砂?！敖痹诮Y(jié)構體中由于其排列比較疏松，接觸連接點少，構成了一定數(shù)量的架空孔在結(jié)構體中，而在接觸連接處沒有或只有少量的膠結(jié)物質(zhì)。常見的膠結(jié)物質(zhì)有聚集在連接點處的粘粒，易溶鹽及沉積在該處的CaCO MgCO 3等。研究表明，黃土的粉粒含量越大，其孔隙比越大，干密度越小，其濕陷性越明顯。粘粒的存在對濕陷性有抑制作用，當粘粒含量大于30％時，濕陷性幾乎減弱到不復存在，當然這與粘粒的結(jié)構、性質(zhì)及分布有關。在顆粒大小中。 黃土的多孔性黃土中的孔隙，呈垂直或傾斜的管狀，以垂直為主，上、下貫通，其內(nèi)壁附有白色的膠結(jié)物，一般為CaCO 3,這種膠結(jié)對黃土起著加固作用。一般將黃土的孔隙分為以下三類：①大孔隙，～，肉眼就可辯識；②細孔隙，是架空結(jié)構中大顆粒的粒間孔隙，肉眼看不見，可在放大鏡下觀察到：③毛細孔隙，由大顆粒與附在其表面上的小顆粒所形成的粒間孔隙，肉眼更看不見。由這三種孔隙形成了黃土的高孔隙性，故又將黃土稱為“大孔隙土”。黃土孔隙率一般在35％～60％之間，有沿著深度逐漸減小的趨勢；在地理位置上，自東向西，自南向北，黃土孔隙率有增大的規(guī)律。一般認為黃土的孔隙是引起黃土濕陷的主要原因，但有資料表明壓實黃土仍存在大孔隙，也具有濕陷性，表明這不是黃土濕陷的根本原因，但它為黃土濕陷提供了足夠的空間 【1】 。 黃土的濕陷性與變形特性 濕陷性是指土在自重或附加應力與自重共同作用下受水浸濕后產(chǎn)生急劇而大量的下沉。浸水濕陷只在士體自重作用下產(chǎn)生的黃土稱為自重濕陷性黃土，而浸水濕陷在土體自重與附加應力共同下產(chǎn)生的黃土稱為非自重濕陷性黃土。根據(jù)自重濕陷量與總濕陷量可對濕陷性場地進行濕陷等級與濕陷類型劃分。非自重濕陷性場地的濕陷起始壓力一般大于土的飽和自重壓力，濕陷敏感性較弱，濕陷性事故較少，自重濕陷性場地的濕陷起始壓力小于其上覆土的飽和自重壓力，濕陷敏感性較強，濕陷性事故多 。黃土與其它粘土的區(qū)別在于黃土對含水量的變化極為敏感，含水量的高低嚴重影響土的濕陷性和承載力的高低，含水量低時，土的濕陷性強烈，但承載力卻很高，隨著含水量的增加，土的濕陷性逐漸減弱，承載力隨之急劇下降，而壓縮性卻得以提高。根據(jù)大量土樣的試驗資料統(tǒng)計結(jié)果表明，黃土的濕陷性與飽和度成直線反比關系，見表ll，即飽和度愈低，土的濕陷性愈強，土的濕陷性隨著飽和度的增大而降低。表11 飽和度Sr與濕陷系數(shù)6s的關系 飽和度 (％)Sr濕陷系數(shù) 范圍?s濕陷系數(shù) 中值?s＜30 ～ 30～40 ～ 40～50 ～ 50～60 ＜～ 60～70 0～ ＞70 0～＞ %?s黃土的壓縮性反映黃土地基在外荷載作用下產(chǎn)生壓縮變形的大小，主要取決于土的密實程度和含水量，三者的關系見表l2。表12 黃土變形模量與含水量和孔隙比的關系土類 含水量（%） 孔隙率（%） 變形模量（Mpa）10～17 47～48 ～6～8 46～48 ～8～14 47～49 ～12～18 43～45 ～22～25 45～48 ～粘土 25～30 40～45 ～ 黃土的結(jié)構性問題結(jié)構性應該是描述土物理本質(zhì)中比粒度、密度、濕度重要的一個側(cè)面。它的重要性早為太沙基所指出，也早為一系列學者所重視。如果說結(jié)構性對任何土都是重要的，那么，對黃土就更是不可避免的，具有更大的意義。研究黃土的結(jié)構性及其在力和水作用下的變化規(guī)律對整個土力學研究的對象都會有很大的輻射作用。目前，將黃土受力、水作用后結(jié)構由損傷到破壞作定量描述的固體力學方法，因其可以回避在尋求獨立表示土結(jié)構性參數(shù)上的困難，使結(jié)構性關系的建立出現(xiàn)了新的跳躍。但它仍然遇到了建立不同濕密狀念土在受到外力作用過程中損傷變量正確表述的困難．顯然，如果能夠找到一個能合理反映土的結(jié)構性及其隨水與力的作用而變化的土結(jié)構性參數(shù)，無疑會使問題的解決更加直觀、更加靈活，會使土力學的參數(shù)體系更加完善．文獻中關于綜合結(jié)構勢這一新指標的提出及對其合理性、靈敏性、穩(wěn)定性與普遍性的檢驗的相關研究表明： (1)黃土的結(jié)構可視為一個由單粒、集?；蚰龎K等骨架單元共同形成的空間結(jié)構體系．它的單元形態(tài)(單粒的礦物碎屑與集?；蚰龎K)確定了力的傳遞性能和土的變形性質(zhì)，它的連接方式(點接觸、面接觸)確定了土的結(jié)構強度，它的排列方式(大孔隙、架空孔隙、粒間孔隙)確定了土的穩(wěn)定性．單粒點接觸、架空孔隙占優(yōu)勢的結(jié)構，濕陷性大；集?；蚰龎K，面接觸、粒間孔隙占優(yōu)勢的結(jié)構，濕陷性?。? (2)黃土結(jié)構性的研究，應既注意揭示土顆粒排列的幾何特征(以孔隙分布特征最為敏感)，又注意揭示土顆粒聯(lián)結(jié)(物理的和化學的，而以化學的為最敏感)的力學特征，同時將結(jié)構與組成相結(jié)合，探討黃土的非均質(zhì)性，各向異性．(3)從黃土力學的觀點來看，結(jié)構性研究的根本目的在于揭示結(jié)構性對土力學行為的影響及內(nèi)在聯(lián)系，因此，將土的微觀結(jié)構與宏觀力學行為相結(jié)合是一條正確的研究途徑．(4)黃土的結(jié)構性問題在其結(jié)構聯(lián)結(jié)沒有遭到破壞以前表現(xiàn)為它維持結(jié)構可穩(wěn)性的能力，它和顆粒聯(lián)結(jié)的特性與穩(wěn)定性有關；在結(jié)構聯(lián)結(jié)遭到破壞以后表現(xiàn)為結(jié)構可變性的能力，它和顆粒的排列特性與均勻性有關．第2章 路基沉降的原因及影響 路基沉降路基裸露在自然界中，整個路基經(jīng)常受到自重、列車荷載和各種自然因素的作用。由于水、溫度和各種荷載的作用，路基的各部分將產(chǎn)生可恢復和不可恢復的變形，那些不能恢復的變形，將引起路基標高和邊坡坡度、形狀的改變，甚至造成土體位移和路基橫斷面幾何形狀的改變，危及路基及其各組成部分的完整和穩(wěn)定，形成路基的危害 路基沉降的原因 路基填土壓實度不足由于壓實度不足，往往導致填方路基的不均勻沉降變形，路基兩側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫，路基土體壓實度不足的主要原因有以下幾點:(1)施工受實際條件的限制。路基施工時，天氣太干燥，局部路堤填料粘土土塊粉碎不足致使路基壓實度不均勻。暗埋式構造物處因構造物長度限制使路基邊緣不能超寬碾壓，致使路基邊緣壓實度不夠。某些加減速車道與行車道沒有同步施工，當拼接處理得不好時，其拼接處也會產(chǎn)生壓實度不足的情況。(2)考慮到施工安全和進度，使得壓力或壓力作用時間不足，路基壓實不充分，致使路基壓實度達不到規(guī)范要求。(3)由于填方土體的最佳含水量控制不好，壓實效果達不到規(guī)范要求。(4)在填方路堤施工中，當路堤施工到一定高度以后，路堤邊緣土體往往存在壓實度不足問題，對于較高的填方路基，通常都要做相應的處治。填方土體壓實度不足，其結(jié)果是土體前期固結(jié)壓力小于自重應力和各種附加應力之和，在自重作用下就會發(fā)生沉降變形，這些附加應力主要來自以下幾個方面:①車載，尤其超載情況。②含水量變化造成土體容重的改變。③地下水位升降而導致浮力作用改變。④土體飽和度改變，引起負孔隙水壓力改變。這些附加應力引起土體中有效應力改變，從而導致土體發(fā)生壓縮變形。 路堤填料不均勻，控制不當在公路施工過程中，對填料、級配很難得到有效的控制，填料常常是開挖路塹、隧道掘進產(chǎn)生的方法，這些填料性質(zhì)差異大、級配也相差很遠。一方面，在施工過程中，如果分層碾壓厚度過大，小顆粒填料和軟弱物質(zhì)很難得到有效壓實，在荷載的長期作用下，回填料會產(chǎn)生不協(xié)調(diào)沉降變形，路面會產(chǎn)生局部沉陷，剛性路面還可能產(chǎn)生裂紋。另一方面，由于回填料的性質(zhì)不一樣，特別是有的回填料具有膨脹性，在路基排水系統(tǒng)局部失效后，水的滲入會使路面局部隆起，影響行車舒適度，嚴重的會使路面破壞。 地下水的影響在地下水的交替作用下,路基土體內(nèi)含水量反復變化,土體容重在一定范圍內(nèi)波動,更為重要的是由毛細管張力引起的負孔隙水壓力可以達到相當?shù)臄?shù)值,再加上水的軟化、潤滑效應,可以使土體產(chǎn)生沉降變形。路基或地基中地下水的動態(tài)特征對路基不均勻沉降影響很大，路堤及其地基中的地下水主要補給來源有 3 種類型，即地下水側(cè)向補給、降雨補給、地表水側(cè)向補給。其動態(tài)變化及潛蝕作用影響到土體中的有效應力分布、土體的結(jié)構特征和土體強度從而導致路基的不均勻沉降。 路基不均勻沉降的影響和危害 路基不均勻沉降對鋪軌施工的影響路基不均勻沉降會增加施工難度和施工強度，在鋪軌時需要再度調(diào)整路基整體的高度使其達到統(tǒng)一，因扣減可調(diào)整量很小并要預先填高一定量為工后沉降留有空間以便達到設計標高，還要考慮未來行車后各不同時間段各路段不同土質(zhì)以及路橋過渡段不同沉降量。 路基對稱將對高鐵運營的危害路基是路面的基礎,路基不均勻沉降必然會引起路面的不平整,導致路面產(chǎn)生許多病害,主要表現(xiàn)為坑凹、起拱、波浪、接縫臺階、碾壓車轍、橋頭或涵洞兩端路面沉降、橋梁伸縮縫的跳車等,破壞了線路平順通暢，不僅難以滿足客運專線高速行駛的要求,而且還會加大運輸成本,增加運輸時間,增加養(yǎng)護維修費用，減少使用壽命，降低社會經(jīng)濟效益，降低旅客舒適度，危及行車安全等。 影響路基沉降的因素 影響沉降穩(wěn)定的自然因素 地形地形不僅影響路線的選定與線形設計．也影響到路基設計。平原、丘陵、山嶺各區(qū)地勢不同，各區(qū)的水和溫度的情況也不相同。平原區(qū)地勢平坦，地面水易于積聚，地下水水位較高，因此路基需要保持一定的最小填土高度，力求不低于自然區(qū)劃和土質(zhì)所規(guī)定的臨界高度：丘陵區(qū)地勢起伏，山嶺區(qū)地勢陡峭。如果排水設計不當，或地質(zhì)情況不良，易降低路基的強度與穩(wěn)定性，出現(xiàn)水毀、邊坡坍方、路堤沿山坡的滑動等壞現(xiàn)象。 氣候氣候條件，如氣溫、降水、濕度、冰凍深度、日照、年蒸發(fā)量、風向和風力等，都影響路基水溫情況。在一年之中．氣候有季節(jié)性的變化，因此路基水溫情況也隨之變化。氣候還受地形的影響，例如山頂與山腳、山南與山北，就有所不同。即所謂“小區(qū)地形與小區(qū)氣候”．因此路基水溫情況也有所差異。大氣的溫度變化使路基的溫度也發(fā)生相應的變化．并造成土基內(nèi)不同深度處溫度出現(xiàn)差異。在溫度差的影響下，土基中的水分以液態(tài)或氣態(tài)由熱處向冷處轉(zhuǎn)移，并積聚或凝結(jié)在該處。從而使土基中的濕度分布發(fā)生變化．特別是在季節(jié)性冰凍地區(qū)，濕度積聚現(xiàn)象更為嚴重。 水文地質(zhì)水文條件指地面徑流、河流洪水位、常水位及其排泄條件、有無積水和積水期的長短以及河岸的沖刷和淤積情況等。水文地質(zhì)條件指地下水位、地下水移動情況、有無泉水、層間水等。所有這些。都會影響路基的穩(wěn)定性，如處理不當，往往會導致路基出現(xiàn)各種病害 影響沉降穩(wěn)定的人為因素 荷載作用作用于路基的荷載有路面路基的自重(靜載)和機車的輪重(動載)。靜載在土基內(nèi)部產(chǎn)生的應力隨深度的增加而增加；相反，動載在土基內(nèi)部產(chǎn)生的應力隨深度的增加而減少。且車型不同．動載在土基內(nèi)部的應力作用深度也不相同。隨著交通運輸?shù)呐畈l(fā)展，交通量逐年增長，在很大程度上影響路基的穩(wěn)定性。 施工方法正確的施工方法也是保證路基穩(wěn)定性的重要因素。就土質(zhì)路堤而言，既要選擇良好的土填筑路基，同時還要選用正確的填筑方法和合適的施工機械。通常采用水平分層填筑法自下而上逐層填筑，并在土的含水量控制于最佳范圍同時進行充分壓實。保證達到《路基施工規(guī)范》規(guī)定的壓實度，使路基具有足夠的強度和穩(wěn)定性。相反，如果填筑方法不正確，壓實不充分。土基在車輛荷載的重復作用下就會出現(xiàn)不同程度的變形沉陷。從而造成路面破壞。 養(yǎng)護措施養(yǎng)護措施包括一般措施及在設計、施工中未及時采用而在養(yǎng)護中加以補充的改善措施。通過及時養(yǎng)護可以保證路基在使用期限內(nèi)具有較高的強度和穩(wěn)定性。第 3章 路基沉降的控制客運專線路基沉降控制的主要目的是控制路基沉降，以確保高速