高速鐵路無砟軌道軟土地基沉降區深部轉移的不平順控制理論及應用

2019-03-14 07:43:22趙國堂

鐵道學報 2019年2期

關鍵詞：變形

趙國堂

(中國鐵路總公司，北京 100844)

我國高速鐵路具有持續運行速度高、距離遠、時間長、運量大等特點，不僅要求線路的精度和平順性控制在毫米級，而且要求線路具有持久保持高平順的能力，為此，我國鐵路確立了設計速度350 km/h線路采用無砟軌道的技術路線，利用無砟軌道自身的穩定性，實現少維修條件下軌道的高平順性。但是，軌道結構與線下基礎本身就是一個大系統，軌道結構的疲勞傷損、基礎的變形和氣候條件的變化等都會引起軌道結構狀態的改變，導致軌道不平順的產生，其中，中短波不平順的產生將增大列車高速運行時的輪軌效應，引起動車組和軌道結構部件的傷損，影響高速鐵路的安全性。

國內外相關資料[1-3]表明，路基變形尤其是軟土地基變形對高速鐵路軌道平順性的影響最為常見，盡管圍繞高速鐵路無砟軌道路基工后沉降控制標準，通過對路基基床及其以下路堤填料和填筑標準的控制，保證了路基本體的沉降變形在施工期能夠完成，其剛度和強度滿足高速鐵路動力作用的要求，但是，地基沉降變形作為路基工后沉降的主要部分，在高速鐵路運營期間超過控制標準的問題時有發生。目前，關于地基沉降變形控制的研究，主要圍繞自上而下的荷載傳遞，計算分析土層在荷載作用下的應力水平和變形特征，特別在復合地基和復合樁基方面，形成了系統的計算理論、設計方法和成套技術[4-6]，而對于工后沉降區發生在地層不同深度時自下而上的變形傳遞則少有研究，其主要原因在于對工后沉降的理解有偏差，或理解為路基面沉降變形[7-9]，或是地基面沉降變形[10-12]，沒有認識到工后沉降區位置的不同，變形傳遞規律和影響也不同。實際上從地基面沉降變形向上傳遞結果可以看出[3，11]，隨著路堤高度的增加，地基面上的差異沉降對路基面的垂向擾動程度逐漸減小，縱向擾動范圍相應增大，對軌道不平順的影響減弱。因此，本文以工后沉降源精準控制為目標，提出將軟土地基沉降區向深部轉移以控制軌道不平順的思想，結合某高速鐵路路基沉降問題建立地基沉降傳遞模型，闡釋沉降區轉移控制軌道不平順的基本原理，研究沉降區深部轉移控制技術，并介紹沉降區轉移控制軌道不平順理論在分析路基局部沉降問題中的應用。

1 地基沉降傳遞計算模型

路基工后沉降區產生在地層不同深度時，其引起上覆地層的沉降變形由結構沉降變形和軟弱土層固結壓縮變形兩部分組成，其中，當工后沉降區產生沉降變形時，上覆地層出現跟隨變形，稱為結構沉降變形；而在結構沉降變形過程中，上覆地層應力平衡被打破，軟弱土層產生再固結過程出現的變形則為固結壓縮變形。考慮本文以闡釋基本原理為目的，計算分析時主要針對結構沉降變形計算結果。

為此，以某高速鐵路出現沉降變形的路基為研究對象建立計算模型，如圖1所示。路基填筑高度8 m，其中基床表層厚0.4 m，基床底層厚2.3 m，基床以下路堤厚5.3 m。地基表層土體為第四系沖湖積淤泥質粉質黏土、粉質黏土、含礫粉質黏土等(地層A～C)，下伏基巖為強風化到弱風化的志留系泥巖、泥質砂巖(地層D)。地基采用預應力管樁加固，樁徑0.4 m，正方形布置，樁間距2.2 m，樁長26.5 m，樁端進入泥巖強風化層。每一斷面共計設置19根樁，樁頂設1.4 m×1.4 m的C35鋼筋混凝土樁帽，樁帽頂部設置厚度0.5 m的碎石和厚度0.1 m的中粗砂墊層，中粗砂墊層內鋪設高強度土工格柵。

圖1 軌道與路基結構斷面

在建立沉降傳遞模型時，考慮到路基面沉降變形向軌道傳遞的規律研究結論[7-9]比較清楚，僅以路基本體和地基作為重點。路基和地基均采用實體單元模擬，選用Mohr-Coulomb材料；路基本體層間按層間接觸模擬，摩擦系數取0.5；地基層間按連續變形處理，基本參數見表1。

表1 土體基本參數取值

剛性樁采用植入式樁單元模擬，樁帽采用板單元模擬，土工格柵采用格柵單元模擬，基本參數見表2。

表2 剛性樁及土工格柵基本參數取值

初始沉降變形漏斗形狀用余弦曲線表示

S=0.5Smax[1-cos(2πx/L)]

( 1 )

式中：Smax為初始沉降曲線的幅值，即最大沉降量；x為沉降區的位置坐標；L為沉降曲線的波長，即初始沉降區的寬度。

為分析不同深度沉降變形區的傳遞規律，選擇了以下計算工況：初始沉降區沉降幅值為15，30，50 mm，初始沉降區波長取10，20 m，初始沉降區位置分別為地層A的上部(地基層以下5 m位置處)、地層A與B的交界面上(地基層以下15 m位置處)、地層C與D的交界面上(地基層以下25 m位置處)。

2 地基沉降區深部轉移控制不平順基本原理

一般認為，高速鐵路路基本體的沉降變形在施工期內已經完成，其工后沉降主要是地基的沉降。我國高速鐵路通過地區廣泛分布著軟弱土層，不僅固結壓縮量大、完成固結的時間長，而且次固結特征明顯，地基將處于長期持續變形中，影響高速鐵路運營期間路基的穩定及無砟軌道的平順性和穩定性。因此，本文提出將地基沉降區向深部轉移控制軌道不平順的思想，其基本原理是將地基主要的沉降區轉移到深部，特別是轉移到軟弱土層以下的堅硬土層中；不僅堅硬土層的壓縮變形量減小，在施工期內很快趨于穩定，有利于后續施工工序的展開，而且即使深部土層在高速鐵路運營期內產生工后沉降，其向路基面傳遞過程中將產生波長增加、幅值減小的擴散效應，從而可以將深部小波長、大幅值的有害沉降衰減為路基面長波長、小幅值的無害沉降，實現控制軌道不平順的目標。

選擇如圖2所示的計算結果進行分析，來闡釋沉降區轉移控制軌道不平順的基本原理。當初始沉降區在地層C與地層D的界面上時，波長為10 m、幅值為50 mm，折角達到10‰，傳遞到地基面時擴散為波長80 m、幅值7 mm左右的大漏斗，折角僅為0.17‰，能夠滿足無砟軌道鋼軌折角不大于1‰的要求；進一步傳遞到路基面時，沉降波長和幅值與地基面相同，其結果與既有研究得到的地基面沉降向軌道傳遞時的結論一致，即地基面沉降區波長超過30 m以后，路基本體的跟隨效應明顯，軌道不平順的波長和峰值與地基面上沉降區波長和幅值基本一致[3]。從圖2還可以看出，深部沉降幅值在傳遞過程中的衰減是通過波長的增大(即沉降區范圍的擴大)實現的。

圖2 沉降區在地層C與地層D交界面時的傳遞形狀

根據沉降變形幅值傳遞規律(圖3)，沿地基層自下而上可分為3個深度區段：

(1)快速跟隨變形區。初始沉降發生在下面地層中，緊臨其上的地層隨之產生變形。隨著如圖2所示的波長增加，以及深度減小后上覆土層自重的減小，沉降變形幅值隨之迅速衰減。當初始沉降區位于如圖3(a)所示的地基淺部時，沉降變形波長在地基內擴散區域有限，淺部地基均處于快速跟隨變形區內，沉降變形幅值衰減量較地基更深部(圖3(b)和圖3(c))的小。

(a)沉降區在地層A上部

(b)沉降區在地層A、B界面處

(c)沉降區在地層D頂部

圖3 不同深度沉降區沉降量傳遞規律

(2)跟隨變形過渡區。當初始沉降區在更深的地基中(圖3(b)和圖3(c))時，快速跟隨變形區內幅值衰減近2/3，隨著如圖2所示的波長增大及上覆土層荷載的減小，土體沉降變形趨于穩定，由快速跟隨變形過渡到跟隨沉降。

(3)跟隨沉降區。如圖3(a)所示，當初始沉降區在地基淺部時，由于路基本體的強度和剛度明顯大于地基，具有一定的抗彎能力，在地基產生沉降時，路基本體的填土并不產生變形，僅隨著地基的沉降而沉降；當初始沉降區在地基較深位置時，如圖3(b)和圖3(c)所示，跟隨沉降區除路基本體外，還會擴大到地基淺部。

對圖3中地基沉降變形曲線做進一步的回歸分析，沉降變形幅值Smax與深度h之間的關系符合指數函數傳遞規律

Smax=ae-bh

( 2 )

得到的回歸系數a，b和相關系數R2見表3～表5。可以看出，b值主要取決于初始沉降區的深度和波長，深度和波長越大，b值越小，沉降幅值衰減較小；初始沉降區深度一定時，b值基本不隨初始沉降幅值變化。a值則與初始沉降區深度及沉降波長和幅值有關，深度越大，a值越小，表明傳遞到路基面的沉降變形量較小；初始沉降波長越大，上覆地層總體跟隨沉降越明顯，a值越大，傳遞到路基面的沉降變形量越大；初始沉降量越大，a值越大，路基面上的沉降變形越大。所以，從控制路基面沉降量出發，將初始沉降區轉移到更深地層中最有效。

表3 圖3(a)工況幅值傳遞函數回歸系數

表4 圖3(b)工況幅值傳遞函數回歸系數

表5 圖3(c)工況幅值傳遞函數回歸系數

沉降波長的傳遞規律與沉降量不同，除了與地基深度有關外，還與土層特性有明顯的關系。沉降波長的傳遞規律如圖4所示，從深度來說，自下而上大致分為4個區段：

(1)起始區。在圖4(a)和圖4(b)所示的地基單一土層和圖4(c)的地基3種土層情況下，均在緊臨初始沉降區的地層中出現波長增大起始區，可以認為是沉降幅值快速衰減以后，為保持地基連續變形，通過沉降范圍的擴大增加土層的跟隨性。

(2)快速區。在波長開始增大以后，對應的沉降幅值仍處于快速衰減階段，從變形能平衡出發，波長進入快速增大階段，通過沉降范圍的快速擴大，增加土體對下部變形的跟隨性。

(3)過渡區。在波長快速增大之后，進入波長增大緩沖段，以平衡沉降范圍擴大和幅值衰減的影響，土體跟隨沉降增強。

(4)穩定區。地基沉降傳遞到路基本體，完全進入跟隨沉降狀態，波長與幅值均處于穩定階段。

(a)沉降區在地層A上部

(b)沉降區在地層A、B界面處

(c)沉降區在地層D頂部

圖4 不同深度沉降區寬度傳遞規律

從土層性質來看，在同一土層中，沉降波長L與深度h的關系基本符合線性函數傳遞規律

L=kh+c

( 3 )

由圖4(b)和圖4(c)，對地層A和B的波長變化曲線進行回歸，得到回歸系數k，c和相關系數R2見表6～表8。可以看出，k值與初始沉降變形波長及幅值的關系規律性不明顯，但c值隨著初始沉降變形波長和幅值的增加而增大，說明最終傳遞到路基面上的沉降變形波長與初始沉降有關。對于同一地層A來說，初始沉降區越深，k值越小，波長增加越快，c值越大，擴散后的波長越大。對于圖4(c)，初始沉降區在同一深度時，埋深更大的地層B其k值和c值均小于地層A，其總體處于波長緩慢增大段。從土層性質分析，地層B性能優于地層A，其波長變化規律也符合土體變形規律。

表6 圖4(b)地層A工況波長傳遞函數回歸系數

表7 圖4(c)地層A工況波長傳遞函數回歸系數

表8 圖4(c)地層B工況波長傳遞函數回歸系數

地基不同位置上沉降變形幅值和波長傳遞規律表明，沉降變形向上傳遞時的幅值衰減是通過波長增大實現的，從而可以有效減小路基面的不均勻沉降和軌道不平順；初始沉降區所處地基深度越大，傳遞到路基面的不均勻沉降越小，對軌道不平順控制越有利。

3 地基沉降區深部轉移控制技術

在諸多地基處理技術中，剛性樁加固技術符合地基沉降區深部轉移控制軌道不平順的基本原理，即通過剛性樁穿過軟土層能夠將路基絕大部分荷載傳遞到樁端以下的較堅硬土體上，使得下臥層堅硬土體的沉降變形成為路基總變形及工后沉降的主要組成部分。從實測結果來看，從路基填筑到穩定，剛性樁加固地基下臥層的沉降變形占路基總變形的比例超過了50%，最高可達80%[6]，說明其在沉降區深部轉移中應用是可行和可靠的。

由于下臥層土體一般性質較好，滲透系數較大，其次固結性較弱，不僅施工期變形較快、易穩定，運營期內壓縮變形量也較小。假設無砟軌道鋪設后下臥層產生了沉降變形，如圖5和圖6所示，沉降變形幅值在緊臨其上地層中的較小范圍內迅速衰減，變形波長快速增大；剛性樁加固區內基本沒有產生變形，變形波長基本穩定；到地基面樁頂時，土拱效應和褥墊層產生變形，幅值減小明顯；在路基本體內沉降幅值和波長有微小變化。隨著傳遞到路基面上時沉降波長的增加和幅值的衰減，路基面沉降折角均在0.4‰以內，下臥層沉降對路基不均勻沉降和軌道不平順的影響大為減弱，驗證了剛性樁加固技術在地基沉降區轉移中應用的可行性。

圖5 下臥層沉降變形幅值傳遞規律

圖6 下臥層沉降變形波長傳遞規律

與圖3相比，剛性樁加固地基的沉降變形傳遞到路基面時幅值衰減量較小，主要是計算結果僅考慮地層的結構沉降變形，沒有計入軟弱土層固結壓縮變形。由于剛性樁加固區形成復合地基，樁體置換作用明顯，整體性增強，下臥層沉降時主要是跟隨沉降。如果考慮軟弱土層自身的固結壓縮變形，由于剛性樁加固區中樁體分擔絕大部分荷載，土層分擔荷載僅占20%～40%[6]，在下部沉降變形影響下，其應力水平遠低于天然地基土層，加固區軟弱土層的固結壓縮變形量相比很小；而天然地基在下部沉降變形擾動下產生應力重分布，土層所處深度越深，上覆土柱重量越大，固結壓縮變形量越大。由于計算結果僅為分析一般性規律，其量值大小并不影響定性分析基本原理的正確性。

從圖7沉降形狀傳遞過程中的變化可以看出，其規律與圖2基本相似，但波長和幅值變化主要在地層C完成，波長由10 m增大到約120 m，幅值由50 mm減小到約30 mm；漏斗區傳遞到地基面也沒有完全擴散，在漏斗底部還有一個小漏斗，說明剛性樁對沉降變形擴散具有約束作用。

圖7 下臥層沉降區的傳遞形狀

通過計算結果的分析可以看出，剛性樁加固技術將地基沉降區轉移到下臥層以后，下臥層的沉降變形向路基面傳遞時幅值衰減是通過波長增加實現的，其機理與天然地基一致；同時，沉降傳遞對剛性樁加固區的影響很小，不會引起軟弱土層變形失穩問題；緊臨下臥層沉降區的地層受影響最大，沉降幅值衰減和波長增大均在此基本完成。因此，在剛性樁設計時應將樁端深入到下臥層中一定深度，以利于沉降區的變形在較好的土層中發展變化，減少沉降變形對樁端區域穩定性的影響。

4 沉降區轉移控制不平順理論的應用

根據現場實際觀測，圖1所示的路基面發生了如圖8所示的沉降變形，最大沉降量達到90 mm，并發生了樁帽與樁頂脫離、路基本體與地基間的脫空現象。為分析問題產生的原因，嘗試應用沉降區深部轉移的軌道不平順控制理論做出基本判斷。首先，假設路基面沉降變形是下臥層沉降所致，包括管樁沒有深入到下臥層巖體中或下臥層巖體嚴重風化，其沉降傳遞規律應當如圖5所示，路基本體及管樁加固區跟隨沉降現象明顯，不會出現樁帽脫離和路基本體與地基脫空現象。因此，可以排除樁端或下臥層出現了問題。

圖8 現場實際沉降波形

其次，假設管樁加固區內發生了沉降變形，將初始沉降變形區選在管樁接頭附近，計算結果如圖9所示。從圖9可以看出，沉降幅值僅在初始沉降區臨近區域產生很小的衰減，隨后加固區一直是跟隨沉降，并傳遞到地基面上；由于路基本體具有一定的抗彎能力沒有跟隨地基沉降，從而在樁頂出現較大的離縫，可能會引起樁帽脫離。因此，可以基本判定該區段的沉降變形是加固區內產生沉降變形引起的。地基面在樁頂區出現離縫后，在路基本體荷載和列車荷載反復作用下，路基本體將會產生沉降變形，路基面沉降變形隨之顯現，路基本體和地基面的離縫將會減小。

圖9 初始沉降區在剛性樁加固區內幅值傳遞特征

為驗證理論分析結果，該區域產生90 mm沉降變形后，在現場設置了深部位移監測點，監測結果如圖10所示。500多天的監測結果表明，樁端以下的下臥層沒有發生沉降變形，路基基床表層、底層和樁帽仍處于變形發展中，管樁加固區淺部的沉降變形量大于路基本體和樁帽，管樁加固區深部(h=-18.6 m)沉降變形量則較小。可以看出，該區段出現沉降變形不是由下臥層沉降變形引起的，而是加固區內出現了沉降變形，實測結果與理論分析結果相一致。

圖10 現場實測結果

5 結論

通過建立地基沉降傳遞模型，計算分析了地基沉降區從深部向路基面的傳遞規律，進一步闡釋了地基沉降區深部轉移的軌道不平順控制理論，并得到以下結論：

(1)地基深部沉降區的沉降變形向路基面傳遞過程中，隨著沉降變形波長的增加，沉降變形幅值隨之衰減，初始沉降區深度越大，傳遞到路基面的波長越大、幅值越小，其對路基不均勻沉降和軌道不平順的影響大為削弱，表明利用地基沉降區深部轉移控制軌道不平順的基本原理是正確的。

(2)應用剛性樁加固技術將地基沉降區向更大的深度轉移以后，下臥層沉降變形向軌道傳遞時幅值衰減較小，但波長增大明顯，從而減小了路基面的不均勻沉降及鋼軌折角，尤其在下臥層沉降變形傳遞過程中，剛性樁加固區主要產生跟隨沉降，有利于保持軌道-路基-地基體系的高穩定性，表明利用地基沉降區深部轉移控制軌道不平順在技術上是能夠實現的。