高速鐵路粗粒土路基沉降特征及預測研究

王啟云,張家生,孟飛

(1.福建工程學院土木工程學院,福州 350108;2.中南大學土木工程學院,長沙 410075)

高速鐵路粗粒土路基沉降特征及預測研究

王啟云1,張家生2,孟飛2

(1.福建工程學院土木工程學院,福州 350108;2.中南大學土木工程學院,長沙 410075)

為研究高速鐵路粗粒土路基沉降特性,采用單點沉降計對無砟軌道路基實尺模型的沉降進行長期觀測,結果表明,粗粒土填方路基的沉降主要由填筑引起的瞬時壓縮、粗粒土引起的流變以及外荷載引起的變形等組成,其中路基填筑產生的變形占50%左右,粗粒土流變產生的變形占40%左右;路基填筑完后,由粗粒土流變產生的變形占填筑后總沉降的比例可達80%,路基的最終沉降主要由粗粒土流變變形組成。根據粗粒土路基的沉降特性,采用開爾文流變模型構建了相應沉降預測函數。研究表明:基于開爾文模型的沉降預測結果與實測數據吻合較好,為高速鐵路粗粒土路基的沉降預測問題提供參考。

高速鐵路;路基;沉降預測;流變特性

為適應經濟發展,我國修建了大量的高速鐵路。為滿足列車高速運行的需要,無砟軌道結構在我國應用越來越普遍。高速鐵路無砟軌道路基的發展改變了鐵路的傳統設計觀念,對沉降的控制要求越來越嚴格,其中路基工后沉降控制已成為路基設計的關鍵[1]。我國規定無砟軌道路基的工后總沉降應根據扣件調整能力和線路豎曲線圓順的要求確定,且不宜大于15 mm。當路基的沉降較均勻時且調整軌面高程后的豎曲線半徑符合規范的相關要求時,路基工后沉降需控制在30 mm以內[2]。但由于扣件的調整值非常有限,因此只有嚴格控制線下工程的沉降量才能保證無砟軌道的正常使用[3]。

我國鐵路相關規范中將路基填料劃分為巨粒土、粗粒土和細粒土3類,其中粗粒土是指粒徑0.075～60 mm的顆粒含量(質量比)大于50%的土石混合料[4]。由于粗粒土在自然界中儲量豐富、分布廣泛,并具有壓實性能好、抗剪強度高、透水性強、長期動力穩定性高等優良工程特性[5],因此在高速鐵路建設中得到廣泛應用。然而,粗粒土作為特性復雜的散粒材料,與細顆粒土性質存在明顯的差異[6]。目前,有關高速鐵路路基沉降相關方面的研究大多針對軟土[7-8]、特殊土[9-10]等路基,而對粗粒土填方路基的沉降研究較少,其沉降變化發展規律仍未得到深入細致的研究,因此對由粗粒土填方而成的路基沉降進行研究具有重要的工程意義。

基于此,為研究高速鐵路粗粒土路基的沉降特性,采用單點沉降計對無砟軌道路基實尺模型的沉降進行了長期的觀測,在此基礎上分析了粗粒土路基的沉降特性,提出并驗證了基于開爾文模型的沉降預測方法。

1 軌道路基模型

無砟軌道路基實尺模型在模型槽內進行填筑和制作。模型槽長、寬、高分別為16、13、4 m。模型槽壁為厚度1.5 m的鋼筋混凝土,槽壁下方設有人工挖樁基礎。路基填筑總厚度為4.7 m,其中基床表層0.4 m,基床底層2.3 m,路基本體填筑厚度2 m,基床表層頂面寬度為6 m,路基兩側按1∶1.5進行放坡。路基模型剖面如圖1所示,填筑后模型如圖2所示。

圖1 路基模型剖面及測點布置(單位:mm)

圖2 填筑完成后的路基模型

基床表層填料采用級配碎石,其不均勻系數、曲率系數分別為31.3、1.5;基床底層和路基本體填料采用改良后的粗粒土B組填料,其不均勻系數、曲率系數分別為135、0.87。填料的級配曲線如圖3所示。

為研究無砟軌道路基的長期沉降特性,在軌道路基模型路基正中心布置了12個單點沉降計。此外,為監測靜土壓力的變化,在路基模型中布置了28個靜土壓力盒。測試元器件的布置剖面見圖1,縱向布置剖面見圖4。單點沉降計與靜土壓力盒均采用JMZX-3001型綜合測試儀測試。

圖3 路基填料的級配曲線

圖4 模型縱向剖面及單點沉降計布置(單位:mm)

2 沉降觀測與分析

由于不同深度處沉降監測結果較為一致,因此將軌道路基模型中心剖面處的單點沉降計變形時程曲線繪制于圖5中,其中圖5(a)包含填筑階段變形時程曲線,圖5(b)為路基填筑完畢后變形時程曲線。

從圖5中可以看出,隨著填土高度的加大,路基沉降迅速增加。填筑完畢,路基沉降繼續發展,但沉降速率逐步趨于平緩。路基沉降在靜置期內因軌道結構施工和相鄰模型加載呈波動,但整體沉降仍較為平穩。

通過對單點沉降計測試數據進行分析,將高速鐵路粗粒土路基變形分為3個階段:加荷瞬時壓縮變形階段、流變變形階段、外荷載作用下變形波動階段。

(1)瞬時壓縮變形

在路基的填筑過程中,經過攤鋪、分層碾壓,路基填料被壓縮,此時路基變形主要以塑性為主。隨著上覆填土高度的增加,下層土受到上層土的應力作用,開始發生與上覆填土高度呈正相關的彈性壓縮變形[11],作用在下土層中的荷載主要由土顆粒骨架承擔。

如圖5(c)所示,在路基模型填筑過程中,基床表層和基床底層土體的填筑導致下方地基和路基本體變形的總和為2.99 mm,為觀測最大沉降的49%。如圖5(d)所示,基床表層、基床底層以及路基本體土體的填筑導致下方地基的變形為2.49 mm,為觀測最大沉降的46.3%;

(2)流變變形

在填方路基沉降過程中,粗粒土填料的流變效應是一直存在的,且不可忽視[12]。當路基全部填筑后,路基中各結構層的荷載不再增加,但在上覆土自重應力作用下顆粒之間相對位置發生調整,從而引起路基發生流變變形。流變變形隨時間的推移而緩慢發展,其變形速率最終趨近于0。由于應力大小的改變對粗粒土的流變影響非常大[12],因此對路基內部的應力狀態進行考察。

圖6為無砟軌道路基模型的中心截面不同深度處靜土壓力時程曲線?？梢钥闯?路基填筑完成后至無砟軌道結構施工前,隨著時間的推移路基內部靜土壓力有所減小,且變化值均小于4 kPa,可以認為在路基靜置階段土體內部的應力狀態未發生明顯的改變。這個階段的路基變形可認為主要是由粗顆粒土蠕變所產生。

圖5 單點沉降計時程曲線

圖6 不同深度的靜土壓力時程曲線

從圖5中可以看出,在觀測至400 d左右時路基沉降開始趨于穩定。如圖5(a)所示,此階段整個路基的流變變形為3.51 mm,為觀測最大沉降的80.9%;如圖5(c)所示,此階段路基本體和地基的總流變變形為2.5 mm,為觀測最大沉降的41.2%;如圖5(d)所示,此階段地基的總流變變形為2.31 mm,為觀測最大沉降的43.1%;

(3)外荷載作用下變形波動

在路基沉降觀測期的第400 d至第700 d,相鄰的重載鐵路有砟軌道路基模型進行了作動器調試和動力加載試驗,導致本文建立的無砟軌道路基模型產生了變形。如圖5(a)所示,此階段整個路基的變形為0.83 mm,為觀測最大沉降的19.1%;如圖5(c)所示,此階段路基本體和地基的總變形為0.59 mm,為觀測最大沉降的9.7%;如圖5(d)所示,此階段地基的變形為0.57 mm,為觀測最大沉降的10.6%;重載鐵路加載試驗完成以后,路基沉降有所回彈,例如:3-CJ-3在重載試驗之前為5.27 mm,重載試驗進行過程中最大值為6.02 mm,重載試驗完成之后為5.73 mm,重載鐵路的動力試驗導致相鄰路基產生了彈性變形和塑性變形兩部分。

從圖5中還可知,在軌道結構施工后,高速鐵路粗粒土路基的沉降增加量很小。這是由于無砟軌道結構施工后基床表層表面、基床表層底面的靜土壓力值分別增加了15、10 kPa,但其他測點處的靜土壓力增加量均小于5 kPa,對路基增加的作用非常有限(圖6),且路基已經過長時間的沉降變形期。分析表明,無砟軌道結構施工后,路基的沉降與流變變形階段穩定期的沉降差別較小,因此可將由無砟軌道結構層引起的路基沉降作為靜置期內的沉降來考慮,路基填筑完成后的沉降主要由粗粒土的流變特性控制。

圖7 填筑后路基結構層變形時程曲線

將單點沉降計的觀測數據進行差值運算可得到路基各結構層的變形,其時程曲線見圖7?？梢钥闯?路基填筑完畢后,路基各結構層的變形隨時間的增加而增大,并在觀測1年后逐漸趨于穩定。地基最大壓縮量為2.37 mm,壓縮率為0.18‰,路基本體最大壓縮量為1.1 mm,壓縮率為0.55‰,基床層最大壓縮量為0.4 mm,壓縮率為0.14‰。

3 路基沉降預測

路基的沉降典型發展曲線[13]如圖8中曲線1所示。可以看出,路基的總沉降由施工期沉降和工后沉降組成,且路基絕大部分沉降是在施工期間產生。施工期間路基的沉降包括路基填筑階段的沉降、靜置期內的沉降以及鋪軌階段的沉降。路基工后沉降是指在無砟軌道結構全部鋪設后路基產生的沉降,應包括路基自重引起的工后沉降、鋪設無砟軌道結構層自重引起的工后沉降以及列車行車引起的基床累積變形3部分。

圖8 典型的路基沉降曲線

式中,s為沉降,mm;t為時間,d;a、b為參數,mm-1。

工程實踐表明,雖然采用雙曲線擬合能較好地預測路基的沉降量,但預測結果過分依賴前期的觀測數據,一般情況下需要大量的數據和長時間的數據支撐。通過對粗粒土路基模型的沉降曲線特性進行分析表明,路基填筑后的沉降主要由粗粒土的流變特性控制,

為考察路基填筑后的沉降特性和評價無砟軌道的鋪設條件,將填筑后的靜置期、鋪軌階段以及工后沉降視為連續的發展過程,如圖8中曲線2所示。由于無砟軌道結構的施工對粗粒土路基沉降的影響較小,因此根據路基模型的沉降變形規律,建立不考慮軌道結構影響的粗粒土路基沉降特性曲線,如圖8中曲線3所示。

根據路基沉降實測數據來預測沉降發展規律,估算路基的最終沉降已成為高速鐵路路基沉降計算的一個非常重要和必要的環節,運用最廣泛的是曲線擬合法,其中最為常用的為雙曲線擬合法[14],即對路基沉降監測資料完整的斷面,采用雙曲線對觀測結果進行擬合,并根據擬合公式預測工后沉降量,其基本方程為因此,可采用流變模型來預測路基的沉降發展過程。選擇合理的流變本構模型是計算粗粒土路基流變變形的關鍵。目前各國學者針對粗粒土流變建立的本構模型有很多,但由于模型參數不易精確測定,大量的本構模型并未能得到充分的驗證和推廣應用。對于粗粒土填料,可將其視為粘彈性土質材料。幾個比較典型的粘彈性性質的流變本構有麥克斯韋(Maxwell)模型、開爾文(Kelvin)模型、伯格斯(Burgers)模型等[15-16]。其中開爾文模型的流變時程曲線與圖8中曲線3最為接近,因此可采用開爾文流變模型來計算粗粒土路基在填筑完成后的沉降,其方程為

假設路基某結構層厚度為h,填筑材料均質單一,該結構層的變形可表示為

式中,σ1為計算結構層表面應力,即上覆土自重應力,MPa;γ為結構層重度,kN/m3;E為計算結構層彈性模量,MPa;η為計算結構層粘滯系數,MPa·d;t為路基全部填筑完成后沉降觀測時間,d。

基于模式搜索與非線性最小二乘法[17],采用靜置期一年內的變形觀測數據對路基結構層的流變計算模型參數進行反分析,并采用該流變模型對填筑后路基的沉降進行預測,將預測結果與基于最小二乘法的雙曲線擬合結果進行比對,結果見表1。

表1 路基變形預測模型參數

從表1中可以看出,采用雙曲線預測的結構層最終變形的結果遠大于觀測值,而流變預測模型的最終預測值與觀測值較為接近,說明采用流變模型計算粗粒土路基的變形更為合理。

為進一步驗證流變沉降計算模型在軌道路基模型中的適應性以及其參數的合理性,將流變計算模型理論曲線與后續的測試曲線進行對比,對比結果見圖9。

圖9 預測值與實測值對比

從圖9中可以看出,雙曲線預測模型在短期內能較好地預測各結構層的變形,但隨著時間的推移,誤差逐漸變大,這是由于擬合曲線過于依賴前期的樣本數據,不能從本質上反應土體應力應變關系,而開爾文流變模型能較好反應粗粒土路基在填筑完成后土體變形內在原因,即使采用較少的樣本數據進行變形計算參數的反分析,預測的時程曲線、最終沉降與實際情況都能較好地吻合。

4 結 論

通過對高速鐵路無砟軌道路基實尺模型進行沉降觀測,研究了粗粒土填方路基的長期沉降特性,得到如下結論。

(1)粗粒土填方路基的沉降主要由瞬時壓縮、流變以及外荷載作用產生,其中由路基填筑產生的變形占最大變形的50%左右,由粗粒土流變產生的變形占最大變形的40%左右;路基填筑完后,由粗粒土流變產生的變形占填筑后總沉降的比例可達80%,路基的最終沉降主要由粗粒土流變特性控制。

(2)無砟軌道結構施工導致基床底層和路基本體的土壓力增量均小于5 kPa,且隨著路基深度的增大而減小。結合沉降觀測結果表明,無砟軌道結構對粗粒土路基沉降影響較小。

(3)采用開爾文流變模型構建了粗粒土路基的沉降預測函數,并將其與雙曲線預測模型計算結果進行對比分析,結果表明基于開爾文模型的沉降預測結果與實測數據吻合較好,為高速鐵路粗粒土路基的沉降預測問題提供了參考。

本文中路基的沉降未考慮列車動力荷載的影響,因此在動靜耦合力作用下粗粒土路基的沉降特性有待進一步研究。

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Study on Settlement Characteristics and Forecasting Method of Coarse-Grained Soil Subgrade of High-speed Railway

WANG Qi-yun1,ZHANG Jia-sheng2,MENG Fei2
(1.School of Civil Engineering,Fujian University of Technology,Fuzhou 350108,China; 2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

The full-scale subgrade model of ballastless track was set up and a long-term monitoring was carried out by using single-point settlement meter,so as to analyze the settlement characteristics of ______coarse-grained soil subgrade of high-speed railway.The results showed that the settlement of subgradewith coarse-grained soil filling was mainly composed of these factors:the instantaneous compression deformation of subgrade filling,the rheological deformation of coarse-grained soils,the deformation caused by external loading,and so on.More specifically,the deformation of subgrade filling accounted for about 50%of the total settlement,the rheological deformation of coarse-grained soils accounted for about 40%of the total settlement.The results also showed that after the finish of subgrade filling,the proportion of rheological deformation of coarse-grained soils reached up to 80%of the total settlement, which means that the rheological deformation of coarse-grained soils dominates the final subgrade deformation.Further,according to the settlement characteristics of coarse-grained soil subgrade,a subgrade settlement forecasting function based on Kelvin rheological model was established,and the research showed that the settlement forecasting results based on Kelvin rheological model agreed better with the measured data.This method can provide references for the settlement forecasting of coarsegrained soil subgrade of high-speed railway.

high-speed railway;subgrade;settlement forecasting;rheological properties

U238;U213.1+57

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.003

1004-2954(2014)08-0012-06

2013-11-21

高速鐵路建造技術國家工程實驗室基金項目(30120512);福建工程學院科研啟動基金(GY-Z14003)

王啟云(1986—),男,講師,2013年畢業于中南大學巖土工程專業,工學博士,E-mail:wangqiyun860519@163.com。