变形控制理念之高速铁路堤压实参数概述

　　变形控制理念之高速铁路堤压实参数概述第1章绪论1.1研究背景1964年，在日本诞生了世界上第一条髙速铁路，开启了世界各国大力发展和建设高速铁路的序幕。法国的东南TGV线，大西洋TGV线，德国的ICE髙速新线等著名的高速铁路都在实现技术、商业运营、经济效益上取得了巨大的成功。我国从1999年开始修建高速铁路，虽然起步较晚，但是经过约二十年的技术积累和近几年的大规模建设，中国高速铁路的发展取得了举世瞩目的成就。在人口稠密和经济活跃的东中部平原及浅丘陵地区，高速铁路即将实现首都连接省会城市及重要经济中心，覆盖主要大城市的目标。为了实现我国铁路的中长期规划⑴，促进区域经济的协调发展，实现交通运输的高效率和提高各大经济区域之间的交通能力，目前，我国高速铁路的建设正在向中西部重丘陵及山区延伸。山区重丘地区地形起伏较大，当在山区修建高速铁路时，由于受整体线形的控制，同时也为了减少废方，充分利用山区丰富的优质粗颗粒填料资源，不可避免的要填筑部分高路堤。另外，在我国以往山区铁路的建设中，由于路基工程的施工难度以及一次投资成本远低于桥梁和隧道工程[2]，所以为了降低工程建设成本，加快工程建设进度，在以往普通铁路的建设中会大比例的采用路基形式，并填筑有大量高度超过20~30ni的髙路堤。但是由于受当时的施工条件的限制(主要是缺乏大型压实机械)以及偏低的控制路基沉降的设计标准，以往路线中的大量高路堤出现了以工后沉降过大、±丹滑破坏失去稳定为主要特征的病害问题，给铁路的正常运行和养护维修造成了极大的不便。近年来，随着我国高速铁路建设标准的不断提高，对路基工后沉降要求也越来越严格。《高速铁路设计规范(试行)》中规定，无碎轨道的工后沉降不宜超过15min，沉降比较均勻并且调整轨面高程后的竖曲线半径符合式Rab>0.4V/时，允许的工后沉降为30mm;对于有昨轨道，设计时速250Km/h，一般地段工后沉降<10cm，设计时速300、350Kn]/h, 一般地段工后沉降<5cm[3]。为了满足严格的工后沉降要求，我们对路基填挖高度限制愈来愈低、控制路基填料的路用性能也愈来愈严、对路基压实标准提出了更高的要求。目前，我国高速铁路有昨轨道一般路堤边坡的限制高度为15m、特殊路堤边坡高度为无碎轨道路堤填土高度一般不超过8m，软土地基路堤填土高度多数不超过4?5m。但是纵观世界近年来修建的高速铁路情况，路基的建造比例有逐渐提高的趋势。即使是日本这样人多地少、土粒细软、地基软弱的国家，也认识到路基在环保、耐久、成本等方面的优势，有意识地压缩了桥隧长度，尤其是桥梁的数量，增加了路堤的建造数量。德法等欧洲国家的高速铁路一直就以路基为主，法国仅有的几公里无碎轨道试验段也全部建造在路基上(路堤和路蜜都有)，西班牙高速铁路(300km/h有碎轨道）更是有大量高填深挖的路基，甚至有几十处高达20?50m的超高路堤。我国已建成和正在建设的多条高速铁路，也有建造超过8m高路堤的成功实例。对于路基压实标准的控制，我国《高速铁路设计规范(试行)》[3]规定基床表层压实系数为0.97，基床底层为0.95，基床以下路堤填料为0.92。世界各国的工程实践均表明，经过充分压实的釆用合格填料的路堤，其工后沉降只有路堤高度的0.1?0.3%，对于优质粗颗粒填料的工后沉降在0.1%以下。一般认为，由列车动荷载引起的基床沉降、路堤及轨道自重引起的路堤本体的压缩变形和地基沉降是引起路基沉降的主要因素。其中，地基的沉降占总沉降的绝大部分。所以，一般情况下，对高速铁路路堤高度的严格控制，主要目的不是路堤自身的沉降，而是为了控制地基沉降，避免过大的路堤自重荷载产生过大的地基沉降。所以对于地基条件非常好或者经过改良而达到良好承载力地基的山区高速铁路，适当放宽路堤的限高对路基的沉降控制影响不大。由此可见山区高速铁路修筑一定数量的高路堤在技术上应是可行的，高路堤在工期、投资、技术实现等方面也具有一定优势。一直以来，针对高路堤以及路堤填筑已从理论分析、数值模拟、室内模型试验、现场测试等方面入手研究，并取了较丰富的成果，但对于超过一定高度的路堤仍未形成完整的理论体系与设计方法，理论研究严重落后于工程实践，尤其是针对山区高速铁路高路堤作用下路堤的变形特性与压实系数的专题研究尤为少见。因此，结合我国正在中西部地区进行的大规模高速铁路建设，根据山区高速铁路路基工程的特点（地基好、填料优、路堤高、弃癒多、地价低），针对高速铁路高路堤的路用性能，幵展山区高速铁路高路堤设计方法及关键参数的试验研究具有重要的理论意义和较高的工程价值。以期提出一套以沉降控制和长期稳定为技术目标的山区高速铁路高路堤设计技术原则及填料/压实控制参数标准，提高我国山区高速铁路的筑路技术水平。第2章高路堤变形现场监测2.1试验总述2.1.1工程概况 本试验工程自2011年4月开始进场调查，选择试验工点，经反复比选，并结合当前国内外高路堤的研究情况，选取DIK395+419?DIK395+425段的CFG桩复合地基试验点，高路堤填土的压缩变形，水平变形、压实参数等展幵研究。2011年4月初，该试验段CFG桩施工已完成，2011年6月2日，路堤填筑正式开始，至2011年8月22日，路堤填至基床表层顶面处，累计填筑高度为9.5rn(自CFG桩桩帽顶算起)，除基床表面顶面处的2个钻孔未完成外，路堤内部测试元件埋设已全部完成。路堤水平向变形测试元件是采用高精度位移计，分层测试路堤水平向变形沿路堤横断面的分布。其具体布置如图2-3《试验工点人工成槽立面示意图》。测试元件埋设流程为：人工成槽一定测试元件安装位置一连接测杆一埋设测杆错定板一测杆保护（穿050PVC管）一埋设测试元件销定板一连接测试元件与夹具一调试测试元件初始值一测试元件保护（穿C)160PVC管等）一导线保护（穿PVC管）一填料回填一导线保护（穿PVC管）一记录初始值。现场埋设情况如图2-5《路堤水平向变形测试元件现场埋设图》。第3章粗颗粒土填料的室内土工试验.........283.1分析试验.........283.1.1填料的颗粒级配特征.........283.1.2颗粒分析试验的过程与数据分析.........293.2最大干密度试验.........323.2.1重型普式击实法.........323.2.2表面振动压实法.........353.3剪切试验.........37第4章高路堤压实控制参数优化.........484.1引言484.2有限元分析.........484.2.1计算方案.........484.2.2计算结果.........504.2.3小结.........534.3基于长期变形稳定的压实控制与优化.........544.3.1前期压实压力.........544.3.2剪胀与剪缩.........544.3.3基于长期变形稳定与荷载匹配.........554.3.4现场工点基床以下路堤的压实系数优化.........55结论 在山区修建高速铁路，不可避免会遇到高填方路基。随着我国高速铁路建设标准的不断提高，尤其是无碎轨道对路基工后沉降的严格要求，如何控制高填方路基的沉降成为了一个技术难题。路堤填土的压缩变形是高填方路基沉降的重要组成部分，在影响路堤填土压缩变形的主要因素中，路堤填土压实的密实度与填料性质是最关键的两大控制参数。目前，我国的无砟轨道路基一般都采用工程性质良好的A、B组填料和级配碎石填筑，从源头上控制了路堤填土的压缩变形。而路提填土压实的密实度与路基承载能力、抗变形能力、对气候环境的适应能力等性能密切相关。为实现高速铁路对路基工后沉降的严格控制，对路堤填土压实的密实度提出了更高的要求，使路堤进入微压缩的超压密状态，一方面可进一步降低工后沉降和提高路用性能，另一方面也可大幅缩短路堤达到沉降稳定所需的放置时间，应对不断缩减的工程建设周期十分有利。基于上述背景，本文首先通过对新建贵广客运专线高路堤典型工点的长期现场监测，分析了路堤填土在施工阶段和调整期的压缩变形和水平变形，并在工点现场实测了路堤填土的压实质量；对工点现场取回的路堤填土进行了室内土工试验，分析了其工程特性；采用土工有限元专业软件GEO-SIGMA分析了基于路堤分层填筑（加载）过程的沉降变形和应力应变等响应沿深度的分布规律，以及基于强度折减的路堤填土屈服破坏规律；开展了以路堤填土荷载作用与填料性能及压实密度协调匹配为技术原则，以控制路堤沉降变形的长期效应为核心的现场测试工点高路堤压实参数的优化选择研究，基本结论如下：(1)为考察粗颗粒填料压实控制关键参数，结合贵广铁路的建设，选择Dlk395+420断面试验工点进行了现场试验，测试结果表明路堤填土累计压缩变形随路堤填高的增加而快速增加，路堤高度稳定后压缩变形增加幅度趋缓。路堤下部（地表以上0.84m及1.24m)的压缩变形量较路堤上部(地表以上5.2m)大，且尚未稳定。路堤下部水平向变形基本对称于路基中心，且距离路基中线越远，其变形越大，在测试范围内其最大值不超过2mm，路堤侧向应变不超过100//51。 (2)利用室内土工试验分析了高速铁路典型粗颗粒填料的基本工程特性。从颗粒分析试验来看，所取填料的Cc和Cu符合规范要求，不均匀性较好，属于级配良好，大小颗粒搭配得当，易于压实的粗颗粒填料；两种最大干密度试验的对比发现，不同的压实工艺对填料的压实密度影响巨大，冲击荷载作用下的密实度更高，而含水率也是影响填料压实质量的关键因素，粗颗粒土存在对应最大干密度的最优含水率；从对已有的粗颗粒填料大型直剪试验中分析可知，填土压实系数和垂向荷载大小均对粗颗粒土体的应力应变曲线有重要影响。压实系数相同时，在低垂向荷载作用下的应力应变曲线表现为应变软化型；而垂向荷载大小一定时，高密实度土体的应力应变曲线表现为应变软化型；另外提高填土的压实系数能有效地增大土体的粘聚力c,从而提高土体的抗剪强度。(3)利用土工有限元专业软件一~GEO-SIGMA模拟路堤分层填筑，计算路堤填筑过程中及填筑完成时垂向应变沿路堤高度的分布，垂向应力沿路堤高度的分布以及釆用强度折减的方法探讨了路堤填土的屈服破坏规律。计算结果表明路堤填筑过程中产生的累积沉降主要发生在路堤中部；在自重荷载作用下，垂向应力及垂向应变基本呈上小下大的三角形分布，即越靠近路堤基底，自重应力和垂向应变越大，垂向应变及垂向应力沿路基面往下基本呈线性增加；若压实不够或填料不良，屈服区最先在路堤中下部出现。(4)通过对路堤填料压实后变形状态特征的理论分析，提出了前期压实压力概念并结合室内试验的成果指出在一定压实系数下土体的前期压实压力可以通过剪切试验确定，从而构建了路堤填料压实设计需满足前期压实压力大于荷载作用效应的技术原则及分析方法。根据文中的粗颗粒材料直剪试验中的剪胀剪缩特性初步确定其前期压实压力：典型A、B组填料压实度为90%时，前期压实压力彡200kPa,95%时，前期压实压力>600kPa;级配碎石压实度为90%时，前期压实压力彡250kPa,95%时，前期压实压力彡600kPa。根据荷载匹配原则，现场工点的路堤基底的压力约228.7kPa,这一压力值高于了200kPa,所以釆用A、B组填料进行基床以下路堤填筑时，90%的压实度是不够的，95%的压实度能满足要求。