模擬高鐵軌道列車荷載附加沉降的堆載預壓試驗研究

曹 敏

(滬漢蓉鐵路湖北有限責任公司，武漢 430071)

1 概述

為滿足列車高速運行對線路平順性的要求，無論是有砟軌道或無砟軌道，對路基工后沉降均提出了嚴格的控制標準，需要對施工期路基沉降進行觀測、預測和評估[1]。

目前，工后沉降的計算方法包括理論計算、回歸分析與數值模擬。而對于軟土分布地段，軟土層在路基、軌道以及列車荷載作用下的長期變形往往是相當緩慢的，往往是運營后出現較大的工后沉降和不均勻沉降的主要原因;另一方面，軟土地基處理方式、施工工藝水平、路基填料、壓實質量等都會對路基工后沉降帶來影響。除了對各個環節進行質量檢驗控制以外，更直接可靠的方法是通過堆載來模擬運營期荷載，對路基工后沉降進行檢驗評價[2]。

針對某新建高速鐵路軟土地基，通過現場堆載預壓試驗，利用實測的沉降變形觀測成果對路基沉降變形趨勢、工后沉降、沉降速率等進行分析，為評價路基是否滿足鋪軌條件提供參考。

2 模擬試驗方案

在某高速鐵路的軟土路基選取2個典型試驗段，進行堆載預壓試驗分析，試驗段里程為:DK98+400～DK98+500、DK102+700 ～DK102+800。其中DK98試驗區段路基高度為4.5 m，基底采用水泥攪拌樁加固，樁徑0.5 m，樁間距為1.3 m，樁長8.35～8.79 m，伸至硬底以下0.5 m;DK102試驗區段路基高度為5.7 m，基底采用旋噴樁加固，樁徑0.5 m，樁間距為1.8 m，樁長29.16～30.18 m。試驗段為時速200 km的有砟軌道，鋪設后的工后沉降控制標準為150 mm，年沉降速率控制標準為40 mm/年[3]。

堆載預壓斷面采用梯形截面，以堆載高度為3.0 m的斷面為例，其斷面示意圖如圖1所示:底邊寬12.6 m，邊坡坡度為1∶1。

圖1 堆載預壓斷面示意(單位:m)

試驗段路基變形監測儀標布置示意如圖2所示。為了保證測試數據的可靠性，同時能更好的分析軟土路基縱向差異沉降，本次堆載預壓試驗在每個試驗段重點布置了4條監測斷面，間距為30 m。另外，為了避免沉降板遭到施工破壞而造成數據缺失，在4個監測斷面之間補設了3條輔助監測斷面。其中重點監測斷面在路面中心線上布置了1個沉降板，左右各布置了4個邊樁和2個路面觀測樁，輔助監測斷面僅在路面中心線上布置了1個沉降板。

圖2 堆載預壓路基監測儀標布置示意(單位:m)

3 模擬堆載高度計算與工后沉降計算方法

3.1 堆載預壓高度的計算

為保證堆載預壓荷載在基底產生的附加應力與列車及軌道荷載在基底產生的附加應力相當，設計堆載高度是根據設計列車及軌道荷載予以確定的。其中，列車及軌道荷載分為列車活載Q和上部建筑重力P兩部分[4]。按45°擴散角計算基床表層頂面應力，列車及軌道荷載在基床表層頂面應力分布寬度為L頂，則列車及軌道載荷在基床表層頂面產生的應力為

列車及軌道荷載在基床表層頂面的應力，通過基床表層、基床底層和路基本體擴散到基底面。基床表層應力擴散角取40°，基床底層擴散角取38°，路基本體擴散角取35°，計算的基床表層應力分布寬度為L表(圖3)，可算出基底應力分布寬度為L底，則列車及軌道荷載在基底引起的附加應力為

圖3 堆載土柱在基底引起的附加應力計算圖示(單位:m)

為保證堆載土柱所引起的基底附加應力與列車軌道荷載引起的附加應力水平相同，定義實際堆載寬度為L0，等效土柱高度為

根據《新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定》，鋼軌重力為0.606 4 kN/m，軌枕長2.6 m，道砟重度20 kN/m3，軌枕及扣件重力3.7 kN/根，每公里鋪設軌枕1 667根，即1.667根/m，列車設計軸重200 kN，則上部建筑重力P=49.6 kN/m，列車均布荷載Q=125 kN/m。列車及軌道荷載在基床表層頂面應力分布寬度按雙線雙荷計算，應力分布寬度為6.6 m，實際堆載施工按基床頂面寬度13.0 m進行全范圍堆載，即L0為13.0 m。采用上述計算方法即可得到在等載條件下的堆載高度，計算成果匯總于表1。

表1 堆載預壓試驗段堆載高度分析

3.2 工后沉降分析方法

本文中，對于堆載預壓路基的沉降分析分為2個階段:第一階段為模擬鋪軌及運營條件下的工后沉降分析，第二階段為堆載預壓試驗后的工后沉降分析。

其中，第一階段計算的工后沉降，是針對堆載預壓施工以前的路基而言的，堆載僅用于模擬設計軌道及列車荷載，即若在原路基上直接進行鋪軌施工的工后沉降量。

其工后沉降計算公式為

式中:SR是工后沉降;S∞(ξmax，∞)為堆載條件下的最大沉降量;ξf=ps/ΔHγ為設計運營載荷水平;ξmax為地基最大荷載水平，ξmax=1.0。

第二階段是針對堆載預壓以后的路基而言，分析堆載預壓試驗路段何時可以卸載，以保證卸載到設計荷載水平下的工后沉降滿足規范要求。當然，若第一階段計算的工后沉降滿足規范要求，那么在堆載預壓過程中沉降變形穩定的條件下，第二階段工后沉降肯定是能滿足規范要求的。

對于堆載預壓試驗后的工后沉降計算，即為預測的最大沉降量與卸載時觀測沉降量之差，計算公式為:

式中，S(ξf，∞)為實際堆載預壓后預測的最終沉降量;S(t卸)為卸載時的觀測沉降量[5]。

4 試驗結果分析

以往軟土路基堆載預壓是作為地基處理的一種方式，目的是加速地基的沉降變形，減小工后沉降。而本文中堆載預壓試驗的主要目的之一是通過堆載來模擬鋪軌工況下荷載條件，并通過分析堆載預壓期沉降觀測資料，來計算路基在設計荷載條件下的工后沉降及年沉降速率，并檢驗其值是否滿足規范要求。同時，通過堆載預壓試驗進一步減小工后沉降量。因此，先對沉降變形特征進行定性與定量分析，并計算模擬鋪軌工況下，工后沉降及沉降速率。

4.1 沉降變形特征分析

對于模擬鋪軌工況下，試驗段DK98+400～DK98+500、DK102+700～DK102+800的沉降變形特征分析，沉降監測數據匯總于圖4與圖5。

圖4 DK98實測沉降沿線路縱向分布曲線

圖5 DK102實測沉降沿線路縱向分布曲線

從圖中可以看出，對于試驗段DK98段，堆載高度約2.63 m，累計沉降量為20.81～67.81 mm，平均沉降速率為0.18～0.29 mm/d。對于DK102段，堆載高度約2.25 m，累計沉降量為84.33～131.23 mm，平均沉降速率為0.31～0.50 mm/d。

為直觀反映試驗段測點的沉降變形特征，以便對該試驗段的沉降變形趨勢進行分析，給出該試驗段某典型沉降板的沉降曲線，見圖6。

結合圖4、圖6可看出，沉降量逐漸增大至某一穩定值，沉降速率逐漸減少至趨于零，符合實際情況。

4.2 工后沉降及沉降速率分析

圖6 某典型路基面沉降板沉降-荷載-時間曲線

對于模擬鋪軌及運營條件下的工后沉降計算，需將超載條件下觀測數據預測的沉降量，換算為設計運營荷載水平下的沉降量。另外，根據各國高速鐵路的經驗，地基不良地段路基應放置6個月以上進行鋪軌施工，即填筑完成后應有足夠的恒載靜置期，以減小工后沉降。

以DK98+400～DK98+500及DK102+700～DK102+800試驗段為例，計算其模擬鋪軌工況下的工后沉降量及年沉降速率，計算結果列于表2。

表2 堆載預壓試驗段模擬鋪軌工況沉降分析

從表2可見，對該兩段試驗段進行預測分析，得到堆載荷載條件下的最終沉降量預測值分別為34.71～92.37 mm與117.13～173.93 mm。在計算工后沉降時，將實際堆載荷載條件下的最終沉降量，換算為設計荷載水平下的最終沉降量，即為堆載預壓模擬鋪軌運營荷載條件下的工后沉降。以此計算的工后沉降量為24.81～66.03 mm與94.22～139.92 mm，小于工后沉降控制標準150 mm。

最大年沉降速率即為模擬鋪軌1年后的沉降增量。對DK98區段，最大年沉降速率分別為11.17～29.71 mm/年，小于年沉降速率控制標準40 mm/年[6]，而對于DK102區段，最大年沉降速率達到42.40～62.96 mm/年，已超過了年沉降控制標準，堆載預壓前不滿足鋪軌要求。

4.3 鋪軌條件評價

由于超載是臨時荷載，在持續作用一定時間滿足設計荷載工后沉降要求后，須卸荷到設計荷載水平。以下根據實測沉降變形觀測數據，依據基床表層頂面沉降板觀測數據，采用曲線回歸法對設計荷載條件下的工后沉降進行預測分析，對比上述2種方法的分析成果，對該超載預壓段滿足工后沉降要求的卸載時機進行綜合評價。

仍以DK98+400～DK98+500及DK102+700～DK102+800試驗段為例，直接采用觀測數據計算超載條件下的工后沉降量，進行定量分析以進一步校驗上述分析結果，計算結果列于表3。

表3 堆載預壓后曲線回歸法沉降分析

從表3可見，對該2段試驗段進行曲線回歸分析，得到堆載荷載條件下的最終沉降量預測值分別為34.71～92.37 mm與117.13～173.93 mm。在計算工后沉降時，直接用曲線回歸法，計算出堆載條件下的工后沉降量為13.9～24.78 mm與30.43～46.8 mm/年，與模擬鋪軌工況下的計算值24.81～66.03 mm與94.22～139.92 mm相比，顯著減小，且均小于工后沉降控制標準150 mm。

最大年沉降速率即為模擬鋪軌1年后的沉降增量。對于本區段，最大年沉降速率分別為10.7～20.57 mm/年與25.24～38.15 mm/年，與模擬鋪軌工況下的計算值11.17～29.71 mm/年與42.40～62.96 mm/年相比，也明顯減小，且均小于年沉降速率控制標準40 mm/年[6]。設計荷載水平下的工后沉降和年沉降速率比超載條件下的更小。

由此可見，采用曲線回歸分析、計算的方法，真實、客觀地反映了模擬鋪軌及列車荷載工況和超載預壓情況下的路基沉降變形特征，兩個試驗段經堆載預壓后，其工后沉降和年沉降速率滿足規范要求，可進行卸載施工。

5 結論

針對高鐵軌道列車荷載引起的軟土路基附加沉降的評價問題，開展了堆載現場試驗研究，并給出了相應的計算方法，基于實測沉降變形數據的分析，對其沉降變形規律、工后沉降和卸載時機進行研究，研究結論如下。

(1)2個典型堆載預壓路段，在預壓期間，路基變形主要表現為沉降變形，而水平位移很小;經過6個月的堆載預壓后，沉降變形趨勢已逐步趨于穩定。一方面說明受軟弱地基不均勻性和加固施工工藝差異性影響，復合地基未能完全達到設計的理想狀態;另一方面也反應了復合地基的受力特征。

(2)采用等效堆載模擬軌道列車荷載工況下，預測的試驗段路基工后沉降較大，尤其是DK102區段最大年沉降速率超過了規范控制標準，表明若該路段不做預壓處理直接鋪軌，由軌道列車荷載可能引起較大的附加沉降，有可能對后期運營帶來一定的風險，預測方法作用顯著。

(3)經堆載預壓試驗后，路基工后沉降和年沉降速率均顯著減小，滿足規范控制要求。表明上述試驗方法，既可以用于分析軌道列車荷載引起的附加沉降，同時可以在施工期加速軟土路基的變形，在很大程度上減小了工后沉降，保證高速列車運營安全，為類似問題的分析評估提供一種實用有效的方法。

[1]宋劍，李明領，等.路基沉降觀測期對評估結果的影響及其合理控制[J].鐵道標準設計，2010(2):4-6.

[2]余飛，樂紅，等.鐵路客運專線超載預壓路基變形特征與卸載時間確定方法[J].鐵道標準設計，2010(2):22-27.

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2006]158號 客運專線鐵路有砟軌道鋪設條件評估技術指南[S].北京:中國鐵道出版社，2006.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2005]140號 新建時速200～250公里客運專線鐵路設計暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社，2006.

[5]張光永，王靖濤，等.超載預壓法的卸載控制理論研究[J].巖土力學，2007，28(6):1250-1254.

[6]劉吉福，陳新華.應用沉降速率法計算軟土路堤剩余沉降[J].巖土工程學報，2003，25(2):233-235.