鐵路無砟軌道下地基沉降計算方法淺析

羊英姿

無砟軌道在國外鐵路客運專線的建設(shè)中已得到廣泛的應(yīng)用,并取得良好的技術(shù)和經(jīng)濟效益。隨著我國高速鐵路事業(yè)的迅速發(fā)展,無砟軌道因其具有穩(wěn)定性高、均勻性好、耐久性長、維修少等特點,已成為 300km/h及其以上高速鐵路的主型結(jié)構(gòu)。相對于有砟軌道,無砟軌道的剛度對基礎(chǔ)的沉降變形更加敏感。鋪軌后無砟軌道的永久變形只能通過調(diào)整扣件才能恢復(fù)軌道的幾何形狀,但扣件的調(diào)整值非常有限。因此為保證在路基上鋪設(shè)無砟軌道的質(zhì)量,必須嚴格控制路基的沉降變形。

由于施工期間發(fā)生的沉降可由隨后的路基填土補償,因此這部分變形對鐵路的使用性能影響不大;影響鐵路使用性能的是路基建成后發(fā)生的工后沉降,即:路堤基床在列車荷載作用下發(fā)生的彈塑性變形;路堤本體在自重作用下的壓密沉落;地基在路堤荷載作用下的沉降變形[1]。大量的工程實踐表明,對于路堤填土部分的彈塑性變形和壓密下沉可通過選擇優(yōu)良填料和提高壓實標準進行有效控制,地基的沉降變形成為控制重點,尤其是軟土地基,不僅沉降變形量大,而且需延續(xù)較長的時間才能完成[2]。可見,有效分析和預(yù)測客運專線地基的工后沉降量是很有必要的。

目前,沉降隨時間的變化有三種分析方法:第 1種為采用分層總和法計算最終沉降量,采用簡化固結(jié)公式計算固結(jié)度,然后推算沉降發(fā)展規(guī)律;第 2種為數(shù)值計算方法,根據(jù)固結(jié)理論并結(jié)合土體的本構(gòu)模型,計算最終沉降量及其發(fā)展規(guī)律;第 3種為根據(jù)現(xiàn)場實測資料推算沉降隨時間的發(fā)展規(guī)律,主要有雙曲線法、三點法、指數(shù)曲線法、星野法、泊松曲線法及灰色預(yù)測法等[2]。其中第 2種方法所涉及的計算參數(shù)較多,且必須通過大量的三軸試驗和單向固結(jié)試驗得到,因而在工程中難以采用。

工后沉降取決于預(yù)測的最終沉降量與施工期的沉降量。因此為計算工后沉降量,需得出最終沉降量。

1 最終沉降量

地基的最終沉降一般通過兩種方法確定:1)基于地基土層資料和設(shè)計參數(shù),采用分層總和法進行理論計算得到;2)根據(jù)實測的地基沉降時程曲線采用數(shù)學(xué)方法進行回歸預(yù)測。

1.1 分層總和法

對于地基沉降的計算方法,目前國內(nèi)外工程中基本都采用以彈性理論為基礎(chǔ),并滿足一維應(yīng)變狀態(tài)假設(shè)的分層總和法。

地基土在外力作用下的變形可分為瞬時變形、固結(jié)變形和次固結(jié)變形。而分層總和法計算的沉降僅為固結(jié)沉降。雖然分層總和法具有概念比較明確、計算過程及變形指標的選取比較簡便,而且適宜結(jié)合地基土層的不同變化給以分層分別計算等優(yōu)點,但分層總和法也同樣存在不可克服的問題,如采用彈性理論求算地基中的豎向應(yīng)力,用單向壓縮曲線求變形,這與實際地基受力情況有出入;對于變形指標,其試驗條件決定了指標的結(jié)果,而使用中的選擇又影響到計算結(jié)果。鑒于地基土在外力作用下的沉降變形特性十分復(fù)雜,由此引起的計算誤差甚大,必須引入沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs進行修正。

由文獻[3]得,地基最終沉降 S的計算式如下:

其中,ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù),文獻[3]中給出了關(guān)于沉降經(jīng)驗系數(shù)的取值,如表1所示;S′為按分層總和法計算得到的地基沉降。

表1 ψs的取值

表1中給出的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)是根據(jù) 132棟建筑物的計算沉降和實測沉降的比值得出的。建筑物主要承受的為靜荷載,且在建成后荷載變化不大;對于鐵路客運專線路基承受的主要為動荷載,表1中給出的沉降經(jīng)驗系數(shù)在鐵路客運專線路基中的適用性還有待檢驗。

1.2 最終沉降的回歸預(yù)測

文獻[2]中規(guī)定,沉降預(yù)測應(yīng)采用曲線回歸法,預(yù)測從路堤填筑完成后開始,用不少于 6個月的實測數(shù)據(jù)進行曲線回歸,回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于0.92,且預(yù)測時的沉降觀測值應(yīng)不少于預(yù)測最終沉降值的75%。

目前,實際工程中應(yīng)用最多的是雙曲線法。雙曲線法假定沉降時程曲線按照“沉降平均速度呈雙曲線遞減”的規(guī)律變化,如圖1所示。時刻 t(t≥t0)的沉降 St計算式為:

當 t→∞時,對應(yīng)的沉降則為最終沉降 S。

由式(2)可變化為:

式(2),式(3)中的符號意義如圖1,圖2所示。

通過實測的沉降時程曲線可得參數(shù)A,B,并可預(yù)測最終沉降量S:

2 工后沉降

施工期間發(fā)生的土體壓縮沉降將由隨后的填土補償,這部分變形對鐵路的使用性能影響不大,而影響鐵路使用性能的是路堤填筑完成后的路基沉降。為保證高速鐵路軌道的平順性需嚴格控制路基變形,規(guī)范中規(guī)定路基的工后沉降應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi),工后沉降的大小對于列車的安全、平穩(wěn)運行起到?jīng)Q定性作用,同時對路基的維修養(yǎng)護有著重要的意義。

工后沉降的大小取決于施工期的時間設(shè)置,因此,對工后沉降隨施工期時間不同的變化規(guī)律的研究是必要的。

文獻[3]指出,一般多層建筑物在施工期間完成的沉降量,對于砂土可認為其已完成最終沉降量的 80%以上,對于其他低壓縮性土可認為已完成 50%～80%,對于中壓縮性土可認為已完成20%～50%,對于高壓縮性土可認為已完成 5%～20%。由于建筑物和鐵路路基存在的差異,鐵路路基的工后沉降亦不能直接采用文獻[3]中的經(jīng)驗值。

目前,鐵路工后沉降的控制是根據(jù)施工期間系統(tǒng)的沉降觀測,并對沉降觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)綜合分析評估、驗證或調(diào)整設(shè)計措施,使路基等工程達到規(guī)定的變形控制要求[4]。根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)推算出最終沉降和工后沉降,合理確定無砟軌道的鋪設(shè)時間,確定無砟軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)質(zhì)量。

3 結(jié)語

為滿足鐵路無砟軌道的鋪設(shè)要求,路基的沉降變形必須保持在一較小的范圍內(nèi)。但關(guān)于工后沉降并沒有明確的計算方法,工程中常采用最終沉降的某一百分比來確定工后沉降。因此,需精確計算無砟軌道路堤下地基的最終沉降是控制路堤工后沉降的關(guān)鍵。

[1] 王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2009:371.

[2] TB 10621-92,高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].

[3] GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 姜領(lǐng)發(fā),陳善雄.鐵路客運專線路基工后沉降預(yù)測方法研究[J].鐵道標準設(shè)計,2010(2):19-22.