模擬高鐵軌道列車(chē)荷載附加沉降的堆載預(yù)壓試驗(yàn)研究

曹 敏

(滬漢蓉鐵路湖北有限責(zé)任公司，武漢 430071)

1 概述

為滿足列車(chē)高速運(yùn)行對(duì)線路平順性的要求，無(wú)論是有砟軌道或無(wú)砟軌道，對(duì)路基工后沉降均提出了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)施工期路基沉降進(jìn)行觀測(cè)、預(yù)測(cè)和評(píng)估[1]。

目前，工后沉降的計(jì)算方法包括理論計(jì)算、回歸分析與數(shù)值模擬。而對(duì)于軟土分布地段，軟土層在路基、軌道以及列車(chē)荷載作用下的長(zhǎng)期變形往往是相當(dāng)緩慢的，往往是運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)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(shí)質(zhì)量等都會(huì)對(duì)路基工后沉降帶來(lái)影響。除了對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)控制以外，更直接可靠的方法是通過(guò)堆載來(lái)模擬運(yùn)營(yíng)期荷載，對(duì)路基工后沉降進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)價(jià)[2]。

針對(duì)某新建高速鐵路軟土地基，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)堆載預(yù)壓試驗(yàn)，利用實(shí)測(cè)的沉降變形觀測(cè)成果對(duì)路基沉降變形趨勢(shì)、工后沉降、沉降速率等進(jìn)行分析，為評(píng)價(jià)路基是否滿足鋪軌條件提供參考。

2 模擬試驗(yàn)方案

在某高速鐵路的軟土路基選取2個(gè)典型試驗(yàn)段，進(jìn)行堆載預(yù)壓試驗(yàn)分析，試驗(yàn)段里程為:DK98+400～DK98+500、DK102+700 ～DK102+800。其中DK98試驗(yàn)區(qū)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(zhǎng)8.35～8.79 m，伸至硬底以下0.5 m;DK102試驗(yàn)區(qū)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(zhǎng)29.16～30.18 m。試驗(yàn)段為時(shí)速200 km的有砟軌道，鋪設(shè)后的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為150 mm，年沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)為40 mm/年[3]。

堆載預(yù)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(yù)壓斷面示意(單位:m)

試驗(yàn)段路基變形監(jiān)測(cè)儀標(biāo)布置示意如圖2所示。為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)能更好的分析軟土路基縱向差異沉降，本次堆載預(yù)壓試驗(yàn)在每個(gè)試驗(yàn)段重點(diǎn)布置了4條監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)缺失，在4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面之間補(bǔ)設(shè)了3條輔助監(jiān)測(cè)斷面。其中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面在路面中心線上布置了1個(gè)沉降板，左右各布置了4個(gè)邊樁和2個(gè)路面觀測(cè)樁，輔助監(jiān)測(cè)斷面僅在路面中心線上布置了1個(gè)沉降板。

圖2 堆載預(yù)壓路基監(jiān)測(cè)儀標(biāo)布置示意(單位:m)

3 模擬堆載高度計(jì)算與工后沉降計(jì)算方法

3.1 堆載預(yù)壓高度的計(jì)算

為保證堆載預(yù)壓荷載在基底產(chǎn)生的附加應(yīng)力與列車(chē)及軌道荷載在基底產(chǎn)生的附加應(yīng)力相當(dāng)，設(shè)計(jì)堆載高度是根據(jù)設(shè)計(jì)列車(chē)及軌道荷載予以確定的。其中，列車(chē)及軌道荷載分為列車(chē)活載Q和上部建筑重力P兩部分[4]。按45°擴(kuò)散角計(jì)算基床表層頂面應(yīng)力，列車(chē)及軌道荷載在基床表層頂面應(yīng)力分布寬度為L(zhǎng)頂，則列車(chē)及軌道載荷在基床表層頂面產(chǎn)生的應(yīng)力為

列車(chē)及軌道荷載在基床表層頂面的應(yīng)力，通過(guò)基床表層、基床底層和路基本體擴(kuò)散到基底面?；脖韺討?yīng)力擴(kuò)散角取40°，基床底層擴(kuò)散角取38°，路基本體擴(kuò)散角取35°，計(jì)算的基床表層應(yīng)力分布寬度為L(zhǎng)表(圖3)，可算出基底應(yīng)力分布寬度為L(zhǎng)底，則列車(chē)及軌道荷載在基底引起的附加應(yīng)力為

圖3 堆載土柱在基底引起的附加應(yīng)力計(jì)算圖示(單位:m)

為保證堆載土柱所引起的基底附加應(yīng)力與列車(chē)軌道荷載引起的附加應(yīng)力水平相同，定義實(shí)際堆載寬度為L(zhǎng)0，等效土柱高度為

根據(jù)《新建時(shí)速200～250 km客運(yùn)專(zhuān)線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，鋼軌重力為0.606 4 kN/m，軌枕長(zhǎng)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(shè)軌枕1 667根，即1.667根/m，列車(chē)設(shè)計(jì)軸重200 kN，則上部建筑重力P=49.6 kN/m，列車(chē)均布荷載Q=125 kN/m。列車(chē)及軌道荷載在基床表層頂面應(yīng)力分布寬度按雙線雙荷計(jì)算，應(yīng)力分布寬度為6.6 m，實(shí)際堆載施工按基床頂面寬度13.0 m進(jìn)行全范圍堆載，即L0為13.0 m。采用上述計(jì)算方法即可得到在等載條件下的堆載高度，計(jì)算成果匯總于表1。

表1 堆載預(yù)壓試驗(yàn)段堆載高度分析

3.2 工后沉降分析方法

本文中，對(duì)于堆載預(yù)壓路基的沉降分析分為2個(gè)階段:第一階段為模擬鋪軌及運(yùn)營(yíng)條件下的工后沉降分析，第二階段為堆載預(yù)壓試驗(yàn)后的工后沉降分析。

其中，第一階段計(jì)算的工后沉降，是針對(duì)堆載預(yù)壓施工以前的路基而言的，堆載僅用于模擬設(shè)計(jì)軌道及列車(chē)荷載，即若在原路基上直接進(jìn)行鋪軌施工的工后沉降量。

其工后沉降計(jì)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(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)載荷水平;ξmax為地基最大荷載水平，ξmax=1.0。

第二階段是針對(duì)堆載預(yù)壓以后的路基而言，分析堆載預(yù)壓試驗(yàn)路段何時(shí)可以卸載，以保證卸載到設(shè)計(jì)荷載水平下的工后沉降滿足規(guī)范要求。當(dāng)然，若第一階段計(jì)算的工后沉降滿足規(guī)范要求，那么在堆載預(yù)壓過(guò)程中沉降變形穩(wěn)定的條件下，第二階段工后沉降肯定是能滿足規(guī)范要求的。

對(duì)于堆載預(yù)壓試驗(yàn)后的工后沉降計(jì)算，即為預(yù)測(cè)的最大沉降量與卸載時(shí)觀測(cè)沉降量之差，計(jì)算公式為:

式中，S(ξf，∞)為實(shí)際堆載預(yù)壓后預(yù)測(cè)的最終沉降量;S(t卸)為卸載時(shí)的觀測(cè)沉降量[5]。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

以往軟土路基堆載預(yù)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(yù)壓試驗(yàn)的主要目的之一是通過(guò)堆載來(lái)模擬鋪軌工況下荷載條件，并通過(guò)分析堆載預(yù)壓期沉降觀測(cè)資料，來(lái)計(jì)算路基在設(shè)計(jì)荷載條件下的工后沉降及年沉降速率，并檢驗(yàn)其值是否滿足規(guī)范要求。同時(shí)，通過(guò)堆載預(yù)壓試驗(yàn)進(jìn)一步減小工后沉降量。因此，先對(duì)沉降變形特征進(jìn)行定性與定量分析，并計(jì)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(duì)于模擬鋪軌工況下，試驗(yàn)段DK98+400～DK98+500、DK102+700～DK102+800的沉降變形特征分析，沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總于圖4與圖5。

圖4 DK98實(shí)測(cè)沉降沿線路縱向分布曲線

圖5 DK102實(shí)測(cè)沉降沿線路縱向分布曲線

從圖中可以看出，對(duì)于試驗(yàn)段DK98段，堆載高度約2.63 m，累計(jì)沉降量為20.81～67.81 mm，平均沉降速率為0.18～0.29 mm/d。對(duì)于DK102段，堆載高度約2.25 m，累計(jì)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(yàn)段測(cè)點(diǎn)的沉降變形特征，以便對(duì)該試驗(yàn)段的沉降變形趨勢(shì)進(jìn)行分析，給出該試驗(yàn)段某典型沉降板的沉降曲線，見(jiàn)圖6。

結(jié)合圖4、圖6可看出，沉降量逐漸增大至某一穩(wěn)定值，沉降速率逐漸減少至趨于零，符合實(shí)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(shí)間曲線

對(duì)于模擬鋪軌及運(yùn)營(yíng)條件下的工后沉降計(jì)算，需將超載條件下觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的沉降量，換算為設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)荷載水平下的沉降量。另外，根據(jù)各國(guó)高速鐵路的經(jīng)驗(yàn)，地基不良地段路基應(yīng)放置6個(gè)月以上進(jìn)行鋪軌施工，即填筑完成后應(yīng)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(yàn)段為例，計(jì)算其模擬鋪軌工況下的工后沉降量及年沉降速率，計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 堆載預(yù)壓試驗(yàn)段模擬鋪軌工況沉降分析

從表2可見(jiàn)，對(duì)該兩段試驗(yàn)段進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得到堆載荷載條件下的最終沉降量預(yù)測(cè)值分別為34.71～92.37 mm與117.13～173.93 mm。在計(jì)算工后沉降時(shí)，將實(shí)際堆載荷載條件下的最終沉降量，換算為設(shè)計(jì)荷載水平下的最終沉降量，即為堆載預(yù)壓模擬鋪軌運(yùn)營(yíng)荷載條件下的工后沉降。以此計(jì)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(biāo)準(zhǔn)150 mm。

最大年沉降速率即為模擬鋪軌1年后的沉降增量。對(duì)DK98區(qū)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(biāo)準(zhǔn)40 mm/年[6]，而對(duì)于DK102區(qū)段，最大年沉降速率達(dá)到42.40～62.96 mm/年，已超過(guò)了年沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，堆載預(yù)壓前不滿足鋪軌要求。

4.3 鋪軌條件評(píng)價(jià)

由于超載是臨時(shí)荷載，在持續(xù)作用一定時(shí)間滿足設(shè)計(jì)荷載工后沉降要求后，須卸荷到設(shè)計(jì)荷載水平。以下根據(jù)實(shí)測(cè)沉降變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)基床表層頂面沉降板觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用曲線回歸法對(duì)設(shè)計(jì)荷載條件下的工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，對(duì)比上述2種方法的分析成果，對(duì)該超載預(yù)壓段滿足工后沉降要求的卸載時(shí)機(jī)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

仍以DK98+400～DK98+500及DK102+700～DK102+800試驗(yàn)段為例，直接采用觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算超載條件下的工后沉降量，進(jìn)行定量分析以進(jìn)一步校驗(yàn)上述分析結(jié)果，計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3 堆載預(yù)壓后曲線回歸法沉降分析

從表3可見(jiàn)，對(duì)該2段試驗(yàn)段進(jìn)行曲線回歸分析，得到堆載荷載條件下的最終沉降量預(yù)測(cè)值分別為34.71～92.37 mm與117.13～173.93 mm。在計(jì)算工后沉降時(shí)，直接用曲線回歸法，計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)150 mm。

最大年沉降速率即為模擬鋪軌1年后的沉降增量。對(duì)于本區(qū)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)40 mm/年[6]。設(shè)計(jì)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(jiàn)，采用曲線回歸分析、計(jì)算的方法，真實(shí)、客觀地反映了模擬鋪軌及列車(chē)荷載工況和超載預(yù)壓情況下的路基沉降變形特征，兩個(gè)試驗(yàn)段經(jīng)堆載預(yù)壓后，其工后沉降和年沉降速率滿足規(guī)范要求，可進(jìn)行卸載施工。

5 結(jié)論

針對(duì)高鐵軌道列車(chē)荷載引起的軟土路基附加沉降的評(píng)價(jià)問(wèn)題，開(kāi)展了堆載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并給出了相應(yīng)的計(jì)算方法，基于實(shí)測(cè)沉降變形數(shù)據(jù)的分析，對(duì)其沉降變形規(guī)律、工后沉降和卸載時(shí)機(jī)進(jìn)行研究，研究結(jié)論如下。

(1)2個(gè)典型堆載預(yù)壓路段，在預(yù)壓期間，路基變形主要表現(xiàn)為沉降變形，而水平位移很小;經(jīng)過(guò)6個(gè)月的堆載預(yù)壓后，沉降變形趨勢(shì)已逐步趨于穩(wěn)定。一方面說(shuō)明受軟弱地基不均勻性和加固施工工藝差異性影響，復(fù)合地基未能完全達(dá)到設(shè)計(jì)的理想狀態(tài);另一方面也反應(yīng)了復(fù)合地基的受力特征。

(2)采用等效堆載模擬軌道列車(chē)荷載工況下，預(yù)測(cè)的試驗(yàn)段路基工后沉降較大，尤其是DK102區(qū)段最大年沉降速率超過(guò)了規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)，表明若該路段不做預(yù)壓處理直接鋪軌，由軌道列車(chē)荷載可能引起較大的附加沉降，有可能對(duì)后期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)方法作用顯著。

(3)經(jīng)堆載預(yù)壓試驗(yàn)后，路基工后沉降和年沉降速率均顯著減小，滿足規(guī)范控制要求。表明上述試驗(yàn)方法，既可以用于分析軌道列車(chē)荷載引起的附加沉降，同時(shí)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(chē)運(yùn)營(yíng)安全，為類(lèi)似問(wèn)題的分析評(píng)估提供一種實(shí)用有效的方法。

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