高速鐵路路堤穩(wěn)定和地基沉降影響因素敏感性分析

李明

【摘 要】控制路基變形是高速鐵路的關鍵技術之一，也是一個長期困繞工程界的難題。特別是在路基和結構物連接處、路堤和路塹連接處、路堤底部不同地基處理措施連接處等部位易產生的不均勻變形會直接導致線路的不平順，從而影響高速列車的安全平穩(wěn)運行。本文主要對高速鐵路路堤穩(wěn)定和地基沉降影響因素進行了分析研究。

【關鍵詞】高速鐵路；路堤穩(wěn)定；地基沉降；控制措施

引言

近年來高速鐵路在我國的快速發(fā)展，使得具有高平順、高穩(wěn)定特性的無砟軌道得到了大量應用，但其僅能通過扣件調高來保證軌道的幾何型位。正因如此，無砟軌道對路基變形，特別是對路基不均勻變形的要求比有砟軌道更為嚴格。目前，我國高速鐵路無砟軌道路基一般地段工后沉降要求控制在15mm范圍內，過渡段工后沉降差僅允許在5mm以內，并要求不均勻變形折角不大于1/1000。

另一方面，我國的高速鐵路路堤通常采用優(yōu)質填料填筑，而且壓實標準較高，一般變形較小，路基面的沉降主要由地基下沉引起。所以，在高速鐵路建造中需要對地基沉降，尤其是不均勻沉降進行“毫米級”的嚴格控制，這無疑給工程建設帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

一、高速鐵路路堤存在的問題

1、填筑體橫向差異沉降

斜坡路堤必然使得路堤橫向填筑高度存在差異，路堤橫向填筑高度不同就會引起填筑路堤本身橫向的差異沉降，斜坡越陡填筑體的高度差越大，造成填筑體本身的橫向差異沉降就越大。路堤填筑體本身沉降是指路堤本體在填筑完成以后，路堤自身重力和交通荷載作用下產生的壓密和側向變形引起的沉降，這部分沉降因路堤填料、路堤斷面結構形式以及地基條件而不同。根據國外高速鐵路的經驗和實測資料，路堤填土壓實沉降量，當路堤以粗粒土、碎石類土填筑時，約為路堤高度的0.1%～0.3%；當以細粒土填筑時，約為路堤高度的0.3%～0.5%，可見斜坡地基由路堤橫向填筑高度差引起的本體差異沉降很容易就能達到數毫米以上，無砟軌道客運專線應予以充分考慮。

2、斜坡地基土層引起差異沉降

當斜坡地基存在土層時，由于斜坡土體大多為堆積（或沖洪積）形成，大多情況下在斜坡坡腳形成的土層一般厚于斜坡上側，形成如圖2所示的地層，在斜坡上填筑路堤工程，地基在上部填筑體作用下，下部土層厚度較大及填筑土體高度又大，故其下側地基產生的沉降大于上側，加劇路基面橫向不均勻沉降。此外，即使斜坡地基土層厚度一致，但在外荷載作用下，斜坡地基內的附加應力擴散不再像平面地基條件呈對稱的隨圓形等值線向深部發(fā)展，而是呈不對稱性。斜坡地基條件下，由于路堤下方一側臨坡缺少了約束，其承載能力必然降低，同時斜坡地基上填土引起的應力與應變主要集中在下方側坡腳附近，故在荷載作用下路堤坡腳變形更加明顯。附加應力擴散的不對稱性隨著地基上部荷載的增大或隨著地基坡度的增大將變得更加明顯，從而造成的路堤不均勻沉降差更大，特別是當斜坡存在軟弱地基時，斜坡軟弱地基上填土引起的應力與應變集中在下方側坡腳附近，因此，傾斜地基較水平地基在填土荷載作用下地基失穩(wěn)的可能性更大，不均勻性變形更加明顯。不均勻斜坡土質地層如圖1所示。

3、斜坡土質地基加固施工困難

當斜坡地基覆蓋較厚的土層時，為滿足高速鐵路沉降要求，無法采用挖除換填處理，需要對地基進行復合地基加固，斜坡地形復合地基施工較為困難，坡度越大施工越困難。一般通常需要在斜坡地基上挖臺階后再逐級進行復合地基施工，如圖2所示。

二、修建高速鐵路路堤工程技術

1、斜坡路堤變形控制設計原則

斜坡地基在路堤荷載作用下，路堤下坡一側坡腳附近地基的剪應變、水平變形均較水平地基大，地面坡度越大或存在軟弱地基這種趨勢越明顯。斜坡地基填方工程，應采取限制或減小地基剪應變、水平變形的措施。具體工程措施可從以下幾個方面入手，即清除基巖上薄層土挖臺階填筑或在較厚土層上挖臺階填筑路堤、限制地基側向變形、提高地基土層強度以增加抵抗變形能力、減小路堤不均勻沉降、控制支擋結構頂部側向變形等。

2、斜坡地基挖臺階

這是一種簡單而有效的措施，一般適用于緩于1∶2.5的斜坡路基，臺階寬度不應小于2m。當地基土層厚度較薄時可采取挖除薄層土層，在基巖上挖臺階再進行路堤填筑，既可保證填筑路堤的穩(wěn)定性又可有效控制填筑路堤的變形；當土層厚度較厚但計算工后沉降滿足高速鐵路要求時，可在原地面上挖臺階后再進行路堤填筑。

3、限制地基側向變形技術措施

限制地基的側向變形，可有效保證斜坡地基路堤的穩(wěn)定。限制地基側向變形的方法，可分為被動限制和主動限制兩種技術措施。被動限制：斜坡路堤可采用在下坡一側坡腳設置鋼筋混凝土側向約束樁，側向約束樁的設置既可有效提高路堤的穩(wěn)定性，又可限制地基的側向變形，當地基沉降較大不能滿足高速鐵路路基沉降控制要求時，先在路堤基底施作復合地基，在復合地基下方側設置側向約束樁；當斜坡坡度較大，地基既需要側向約束又要進行收坡時，可在斜坡下方側設置樁基托梁、路肩樁板墻等工程，如圖3所示。

主動限制：采用高強度的鋼筋混凝土樁基礎（如樁網結構），由樁基礎承擔路堤及上部荷載，減小斜坡地基承擔的荷載和沉降變形。工程實踐中，樁基礎結構主要應用在斜坡地基存在軟弱土層如軟土、淤泥質土、泥炭土等條件非常差的軟弱土層時，特別是軟弱土層下為傾斜基巖時，修建高速鐵路路基其對沉降和穩(wěn)定要求難以得到滿足，這種情況下通常采用鋼筋混凝土樁網（筏）結構進行加固，或鋼筋混凝土樁的樁頂可采用橫、縱梁進行連接成框架結構增強群樁的整體受力效果和抗滑、抗剪能力，如圖4所示。

4、減小路堤不均勻沉降技術措施

路堤在橫向和縱向當地基條件發(fā)生較大變化或填方高度差異較大時，填筑路堤會形成橫向或縱向的不均勻沉降，從而引起上部結構產生附加應力，對鐵路結構和鐵路的運營產生不利影響。當斜坡路堤地基為淺層土層或基巖時，可通過清除淺層土在基巖上挖臺階設置路基縱向和橫向路堤路塹過渡段解決縱向、橫向剛度不一致和填筑高度差不同造成的差異沉降；當地基為較厚土層時，可進行分區(qū)復合地基加固，在路堤下方側復合地基加固樁間距加密，減小路基不均勻沉降；當為陡坡路基時，可通過在陡坡下方一側設置支擋結構收坡，為解決陡坡路基支擋結構下部路基填筑施工困難和為減少填筑陡坡路基的不均勻沉降，可在填筑路堤底部填筑壓實困難的部分采用級配碎石摻水泥、漿砌片石或素混凝土等進行填筑。

5、提高地基土層強度技術措施

斜坡地基路堤應優(yōu)先采用限制地基側向變形的措施，但基于以下原因，必要時應采取地基加固措施，以提高地基土層強度：（1）減小地基沉降的需要；（2）地基存在軟弱土層，采取地基加固，以減小側向約束樁的受力和增強軟弱地基整體性以形成土拱效應，充分發(fā)揮側向約束樁的作用；（3）采取地基加固，還能起到防止?jié)撛诨瑒用嫦蛏弦苿樱霈F跨越樁頂的越頂破壞。高速鐵路常用的提高地基土層強度技術的措施有：水泥土攪拌樁、水泥砂漿樁、水泥旋噴樁、低強度素混凝土樁等，其共同特點是，樁間距通常為樁徑的2～5倍，在路堤填土荷載的作用下，樁與樁間土相互作用，共同承載。復合地基設計包括穩(wěn)定檢算和沉降檢算，穩(wěn)定檢算時復合地基加固處理部分應采用復合地基的抗剪強度指標，復合地基沉降檢算一般采用分層總和法，按復合模量進行計算。

由于斜坡地基的坡度效應，斜坡地基在路堤荷載作用下產生豎向沉降的同時，將伴隨發(fā)生一定的水平位移，實際沉降一般較計算值略大，高速鐵路斜坡路基設計應高度重視，特別是斜坡軟弱地基的加固，高速鐵路路基要考慮斜坡路堤下方一側外部一定距離內外界環(huán)境變化對斜坡路堤穩(wěn)定和變形的影響，其下方一側地基加固寬度應適當加寬，和限制地方的挖填方影響，尤其是上方一側的填方堆載和下方一側的挖方影響。

結束語

路基是高速鐵路線路的基礎組成，是保證列車平穩(wěn)、安全運營的關鍵部分。高速鐵路路基病害的形成過程較為復雜，不僅受地質、設計、施工因素影響，同時與鐵路工務部門的管理養(yǎng)護也有一定的關聯。因此，對于既有高速鐵路路基病害的整治，應就不同地域、不同特點的路基病害采取不同的整治措施，在判明成因的基礎上，針對關鍵因素確定適宜的施工方案，做到因地制宜，有的放矢，避免反復治理的現象發(fā)生。

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