【正文】 基的工后沉降，是指軌道工程鋪設(shè)后在路基荷 載和列車荷載作用下，路基發(fā)生的剩余沉降，即最終形成的總沉降量與路基竣工鋪軌開始時的沉降量之差。 目前，我國客運專線建設(shè)建設(shè)實踐中采用的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。 路橋、路隧間差異沉降 ≤ 5mm，折角 ≤ 1‰ 注： shR —— 軌面圓順的豎曲線半徑（ m）； sjV —— 設(shè)計最高速度（ km/h）。因此，在路基工后沉降控制設(shè)計中，除傳統(tǒng)的軟土、松軟土地基外，還需對可能發(fā)生較大沉降變形或不均勻沉降的其他土質(zhì)地基進行必要的分析計算和加固處理。理論上講 路堤填筑或列車運行必然引起地基內(nèi)附加應(yīng)力產(chǎn)生，從而 使地基土層壓縮變形引起路基下沉。路堤的穩(wěn)定與沉降關(guān)系到路堤是 否能完成其預(yù)定功能的重要條件，也是路堤設(shè)計的主要內(nèi)容。 路基沉降施工控制是公路修建質(zhì)量的重要保證常規(guī)的路基體應(yīng)力變形計算中，假定路基體一次到，荷載一次施加，則荷載的每一部分都由全結(jié)構(gòu)來承。 下面 結(jié)合河南省嶺南高速公路路基斷 面監(jiān)測成果，探討了逐級填筑作用下路基沉降變形數(shù)值仿真技術(shù) 。填料為風(fēng)化碎石，具有一定的代表性。無不良巖土。在該斷面的路中和左右路肩分別埋設(shè)有沉降板，如圖 1所示。填筑期間通過邊樁監(jiān)測到左側(cè)地面略有上升。可模擬巖土及混凝土材料，模擬逐級加荷條件下 路基的變形過程，而且還可以得到路基在各級荷載作用下地基不同位置的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值和圖形。采用自動網(wǎng)格劃分法，在路堤土和地基土的接觸面以及地基土和基巖的接觸面上采用共節(jié)點單元處理。 (1)計算區(qū)域的選定 所選路基斷面為非對稱，該斷面左側(cè)地基土為較深厚的粘土層 (麥田 )，右側(cè)地基土為粉質(zhì)砂土，附近為一山坡。 (2)邊界條件的確定 如圖 2按照平面應(yīng)變建立有限元模型。根據(jù)高路基填筑的具體情況，可將其劃分為如圖 2所示的 3個區(qū)域。 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 —————————————————————————————————————— 9 圖 2 路基橫截面分區(qū)及邊界條件示意圖 (3)單元劃分類型的選擇 對于 2D有限元分析 (該文為平面應(yīng)變問題 )，軟件可以選擇 6節(jié)點或者 15節(jié)點三角形單元。 l5節(jié)點三角形單元是一種非常精確的單元，對各類問題能得出精度很高的應(yīng)力計算結(jié)果。結(jié)構(gòu)單元和界面單元類型將自動和土單元類型相匹配。主要用于對應(yīng)力結(jié)果要求非常高的 2D有限元分析， 6節(jié)點三角形單元對于很多問題的計算精度要求已經(jīng)足夠。這些網(wǎng)格看上去可能較混亂，但是其數(shù)值計算一般優(yōu)于規(guī)則 (結(jié)構(gòu)化 )網(wǎng)格。 計算參數(shù) 結(jié)合河南嶺南高速公路工程地質(zhì)勘察資料和粗顆粒室內(nèi)大尺寸試驗成果，并參考國內(nèi)相關(guān)文獻，計算所用參數(shù)指標(biāo)如表 2所示。并將計算值與實際觀測的每層沉降進行對比分析。 分步施工是荷載輸入最重要的類型，它的一個特點就 是允許通過關(guān)閉或再次激活在幾何圖形輸入里建立的荷載、塊類組或結(jié)構(gòu)對象，來修改幾何圖形和荷載設(shè)置。這一選項還可以用來對材料數(shù)據(jù)組重新賦值，或者在幾何圖形里修改水壓分布。那些在計算一開始不需要用到的對象，應(yīng)當(dāng)在輸入程序結(jié)束時的初始幾何構(gòu)造里關(guān)閉來模擬實際工程問題，如路基填筑、開挖隧道、橋梁施工等。同樣，關(guān)閉單元的質(zhì)量和其他類似效果也設(shè)為 0值。單元的應(yīng)變在“關(guān)閉”的同時也將設(shè)為 0。用戶必須在建模時生成所有單元，包括后面要被激活的單 元。 當(dāng)一個單元被重新激 活時，其剛度、質(zhì)量、單元載荷等將恢復(fù)其原始的數(shù)值。 施工斷面采用“分層輪加法”施工，每次填筑 50～ 60 cm，對有限元計算而言，相當(dāng)于單元數(shù)目隨著施工進程逐步增加，若嚴(yán)格按照每次填筑高度劃分單元，雖然更精確地模擬了施工過程，但勢必大大增加單元數(shù)目及計算工作量。該填筑體共分 5層 填筑，每層填筑高度相等。根據(jù)計算結(jié)果可知，有限元計算的結(jié)果比實測結(jié)果偏小。 cj1的模擬結(jié)果與實測結(jié)果開始比較接近，誤差有逐漸加大的趨勢，最大差值達到 22 ，這是因為沉降板 Cjl中間被撞斷一次，后雖又接上，卻帶來一定的誤差。 cj3的模擬結(jié)果與實測結(jié)果總體趨勢一致，模擬結(jié)果 略小于實測結(jié)果，可見采用有限元法實現(xiàn)分級加載的模擬有較高的可信度。這是因為隨著施工的進行，應(yīng)力水平不斷提高，另外根據(jù)地質(zhì)資料獲取的計算參數(shù)也難以完全地反映現(xiàn)場實際情況，導(dǎo)致誤差累積。 由圖 5可以看出，由于左側(cè)路基下地基有較厚的粘性土層，豎向位移和水平位移均較大，地質(zhì)條件的差異導(dǎo)致整個路基斷面的差異沉降很大。 圖 4 有限 元 模擬水平位移云圖 圖 5 有限元模擬豎向位移云圖 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 —————————————————————————————————————— 13 圖 6 有 限元模擬相對剪應(yīng)力圖 受右側(cè)山體影響，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在路基中部和左側(cè)坡腳處，但是未出現(xiàn)剪切破壞情況。 在填筑加載期，坡腳處由于路堤填筑的加載作用有隆起現(xiàn)象，某級荷載填筑完畢后，該處即發(fā)生隆起，一旦重新填筑，該處又有新的隆起，這與實際情況相符。對穩(wěn)定驗算來說，失穩(wěn)是在外部荷載超過地基抗剪強度的某個位置某個時刻發(fā)生的，所以要選擇最不利的荷載組合，對于客運專線，應(yīng)考慮雙線有車，也就是應(yīng)考慮 2 個荷載換算土柱。公路部門在做路面設(shè)計時，對于行駛的汽車荷載，采用當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載的方式進行考慮，有一定的合理性。 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 —————————————————————————————————————— 14 列車荷載作用下的復(fù)合地基的沉降特性分析 近幾年來，我國廣泛采取復(fù)合地基的方法進行軟土地區(qū)的地基處理，通過這種方法可以有效地提高地基承載力、減小沉降，在軟土層的地質(zhì)條件下，混凝土剛性樁復(fù)合地基更是一種有效的地基加固方法，但目前針對黃土鐵路路基加固區(qū)動力響應(yīng)的研究并不多，特別是以測得真實列車荷載對復(fù)合地基的動力分析研 究。 某工 程概況及參數(shù) 某客運專線的路堤橫斷面如圖 7 所示，Ⅲ為堤身，Ⅱ為地基處理區(qū)地基 ，處理方法為擠密樁， I 為處理區(qū)以下的地基。 表 3 路堤填料參數(shù) 路堤下部土體分為兩層： 1)砂質(zhì)黃土，厚度 20m； 2)粉質(zhì)粘土，分布在 20m 以下。 表 4 路堤下部材料參數(shù) 分析方法 利用計算機有限元軟件，采用分離式和復(fù)合模量兩種方法計算該客運專線某段復(fù)合地基加固路基在列車靜、動荷載作用下的沉降，分離式計算將樁體視為線彈性材料，樁間土的本構(gòu)關(guān)系采用DruckerPreger 模型，在有限元分析方法中 Dp 材料需要三個參數(shù)，即粘 聚力 c、內(nèi)摩擦角 ? 膨脹角f? (文中取 0)，以上角度單位是度，對于 DP 材料，其受壓屈服強度大于受拉屈服強度。 該工程計算值 E = MPa。 計算模型及荷載 路基模型簡化為二維平面問題，寬度取 160 m，高度取 90 m 計算機軟件 自動劃分網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格見圖 4，其 中圖 4a)為分離式有限元網(wǎng)格，共有 18 077 個結(jié)點， 5 910 個單元；圖 4b)為復(fù)合模量法有限元網(wǎng)格，共有 5 047 個結(jié)點， 1 624 個單元，有限元網(wǎng)格兩側(cè)水平方向約束，豎直方向自由，底部邊界采用水平方向，豎直方向約束的邊界條件。 圖 8 復(fù)合地基加固路堤的有限元模型 靜力計算中列車及軌道荷載計算分別根據(jù) ZK 標(biāo)準(zhǔn)活載，以及結(jié)合實際的設(shè)計圖進行計算。動力計算荷載采取實際測得的列車動荷 載。由于分離式有限元網(wǎng)格的結(jié)點和單元數(shù)目遠大于復(fù)合模量法，計算速度明顯低于復(fù)合模量法，因此在動力分析中，采用復(fù)合模量法進行計算，節(jié)省計算時間。 圖 4 給出了路基中線及離路基中線最近軌道處的沉降隨時間變化曲線，從中可以 看出，沉降從零時刻開始迅速增大，到 1 左右時達到最大值分別約為 5 l39。nln，在路基中線處曲線是平滑的，說明振動不明顯，而在軌道處明顯可以看出振動跡象大約每隔 0． 2 S 出現(xiàn)一次波動，圖中波動幅值很小，能滿足列車乘客的舒適要求。 路基沉降觀測 路基沉降觀測的目的 保證路堤施工的安全和穩(wěn)定，控制路基填土速 率，推算工后沉降的發(fā)展趨勢，調(diào)整完善設(shè)計，進行設(shè)計再優(yōu)化，使地基處理達到預(yù)定的控制要求，為路基的交工驗收提供收據(jù)。邊坡兩側(cè)坡腳外側(cè) 2m、 10m 按順線路方向各布置一排地表水平位移樁（邊樁），樁與樁間距 20~50m，在填筑成型的路堤路肩設(shè)置沉降觀測樁。觀測桿與沉降鋼板焊接固定，并用 3 根直角鋼筋加強固定，使測桿與鋼板相互垂直。為了使沉降觀測桿不受損壞，將保護套管垂直套進測桿并使其與鋼板畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 —————————————————————————————————————— 19 間隔 15 cm 的距離。接高后的測 桿應(yīng)略高于保護套管 口 5～ 10 cm，套管頂用鐵皮帽封住，防止填筑施工時土粒落入管內(nèi)而影響測桿的自由沉降。 觀測樁采用預(yù)制混凝土樁 (150 mm x 150 mm 1 000 m)，樁頂預(yù)設(shè)金屬測頭，待路基填筑成形后設(shè)置在設(shè)計路肩線內(nèi) 的位置，縱向間距 20— 50 m。 在路堤填筑期間，每天監(jiān)測一次，中間如因各種原因暫時停工期間，前 2 天每天監(jiān)測一次，以后每 3 天監(jiān)測一次，第 15~30 天每星期監(jiān)測一次，第 30~90 天每 15 天監(jiān)測一次，以后每個月監(jiān)測一次直至交驗鋪軌。沉降觀測測量精度按照二級水準(zhǔn)測量要求。每次觀測完成后及時整理，匯總測量結(jié)果，繪制填土高度 時間 沉降量關(guān)系曲線。 （ 5）水平位移邊樁及觀測樁觀測 坡腳水平位移邊樁及觀測樁沉降觀測采用徠卡 (TC2022)全站儀測量，利用單三角前方交會法與視準(zhǔn)線法相結(jié)合的方法，對邊樁位移坐標(biāo)進行精準(zhǔn)定位量測。當(dāng)邊 樁水平位移超過 5mm／ d時，應(yīng)立即停止填筑，必要時進行卸載處理，待恢復(fù)穩(wěn)定后再進行填筑施工。 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 —————————————————————————————————————— 20 超載預(yù)壓 超載預(yù)壓法 超載預(yù)壓法是處理土層的方法之一。 由于鐵路運專線無砟軌道鋪設(shè)對工 后沉降提出了嚴(yán)格的要求設(shè)計上多采用 CFG 樁、注漿、旋噴樁等措施對原軟土地基進行加固處理，然后再通過超載預(yù)壓來加速地基土層的壓縮變形，以減小工后沉降。 高速鐵路超載預(yù)壓路基的沉降變形評估與一般路基在控制標(biāo)準(zhǔn)上是一樣的，均要滿足《客運專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》的相關(guān)要求，但由于超載預(yù)壓路基經(jīng)歷了二次堆載、預(yù)壓和卸載的過程，基底沉降變形觀測 曲線會隨著荷 載的變化而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，其卸載時機的合理性和工程沉降的計算分析較常規(guī)路基 要復(fù)雜得多。 實測數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)超載預(yù)壓路基段的沉降變形發(fā)展過程基本相同。 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 —————————————————————————————————————— 21 圖 10 DK1 671+ 典型堆載預(yù)壓后卸載 斷面的沉降變形過程曲線 從圖 10 中 可以看出，路基從填筑到卸載可分為三個階段 ： 第一階段：為堆載階段，堆載后沉降變形明顯增長，沉降速率增大，在沉降過程曲線上表現(xiàn)為下凹曲線。 第三階段：為卸載階段，卸載后沉降速率明顯減小，沉降變形趨于穩(wěn)定，且未出現(xiàn)明顯的回彈跡象，在沉降過程曲線上表現(xiàn)為一條平緩的曲線。上述變化規(guī)律反應(yīng)出堆載預(yù)壓措施能加速基底壓縮土層的變形，從而減小工后沉降是有效的。 (2)沉降預(yù)測方法 在沉降預(yù)測方法的選擇上，不建議采用拓展雙線法。故不建議采用，可以選擇三點法、常規(guī)雙曲線法進行預(yù)測。 (4)最終沉降量的預(yù)測計算 最終沉降量是指設(shè)計荷載條件下路基最后的沉降量，對于超載預(yù)壓路基，原則上應(yīng)根據(jù)卸載以后的觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析。若采用荷載系數(shù)來對前期觀測數(shù)據(jù)進行修正，卸載后會出現(xiàn)明顯的回彈變形，這與實際變形觀測結(jié)果存在較大的差異。 (5)工后沉降的計算 工后沉降是由鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)