铁 道 工 程 学 报 年 月 )* 前 * 言 高速铁路以其高速引人注目 也越来越得到各国 的重视 但是正由于列车行驶速度快 对结构物的工后沉降要求非常严格 高速铁路设计规范 规定 一般地基工后沉降要求小于 65 竣工初期年沉降速率小于 65 桥路过渡段路基工后沉降要求控制在 65 以内 轨道交通

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1 年 月第 期 总 铁 道 工 程 学 报!"#""#$%"&! ' $ 文章编号 ) ) 高速铁路软土地基的差异沉降试验研究 王 祥 中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 ) 摘要 研究目的 在软土地基上修建高速铁路时 由于其差异沉降要求非常严格 目前常用的软土地基处理方法能否满足要求是高速铁路建设必须面临的重大课题 本文通过采用粉喷桩 浆喷桩 真空联合堆载预压 塑料排水板超载预压 砂桩超载预压等方法处理高速铁路软土地基及桥梁 涵洞地基的现场试验 对不同方法处理软土地基之间及不同结构物之间的差异沉降进行研究 研究结论 地基处理方法及结构物类型是影响软土地基剩余纵向差异沉降的主要因素 而荷载对剩余纵向差异沉降的影响较小 在填筑完成后的 个月内 横向差异沉降变化较大 对于需要有较长时间预压期 或放置期 的软土地基 横向差异沉降不会对列车运营造成不良影响 建议在设计时同一工点应尽量避免采用不同地基处理方法 若无法避免时应考虑在不同处理方法和不同结构物之间设置过渡段 本研究结果可为高速铁路设计 施工等提供指导 关键词 铁路工程 软土地基 差异沉降 工后沉降中图分类号 &) 文献标识码!!!"#$ %&$' " & %*+,+-./$+/0, $01/, +, #0 %2 0*, 304+) %*+, # *6,5+6,,4-52* , 225,22 522*2+622, 7+7,2+-2-5,27*+* +-./,+,+,&*+7,2+-2-5, , 22.+2* /825+9+,+- 65,25+9+, ,654+,.+2* * -+, -2+6+, ,.+2* 06*-+,, ,.+2* 06*-+, 5,72+-0, 4+, *0* 2* , *+* +-./ # &*52*772+-0, 225,2, 2/720620*12+,7-0,6, +0--,+20+,-+7,2+-2-5,2 &*2,1+7,2+-2-5,26*,2-/0+, 5,2* 7254,:5,24+,7+-&*2,1+7,2+-2-5,2.+-,2*5 22+,.+2* -,+ 7 -+,&*- +,25+, ,+20+,-+7,2+-2-5,2 2* *,+,52* , 225,2+, 5+2&*2,+2+, *0-42 5,54,:5, , 72+-0, 22.+2* +7,252*&*6* 0-26, 40 +, 2*+,, 2*6,2062+, 7*+* +-./ ( '$ +-./,+,+, 72+-0, +7,2+-2-5, ,2 收稿日期 ( 作者简介 王祥 ( 年出生 男 教授级高级工程师 国家注册岩土工程师 现任中铁第四勘察设计院集团有限公司地路处副总工程师 本文由中国铁道学会工程分会地质与路基分专业委员会推荐

2 铁 道 工 程 学 报 年 月 )* 前 * 言 高速铁路以其高速引人注目 也越来越得到各国 的重视 但是正由于列车行驶速度快 对结构物的工后沉降要求非常严格 高速铁路设计规范 规定 一般地基工后沉降要求小于 65 竣工初期年沉降速率小于 65 桥路过渡段路基工后沉降要求控制在 65 以内 轨道交通为了运营安全及平稳 对轨面的平整状态有严格的要求 轨道的平顺是优化轮轨效应的关键 也是确保行车安全和旅客舒适度的重要因素之一 路基与桥梁 隧道或结构物交界处的工后沉降不应大于 55 不均匀沉降造成的折角不应大于千分之一 因此 高速铁路的差异沉降也需要严格控制 对于差异沉降 已经进行了一些研究 但铁路系统研究的很少 尤其是不同方法处理的地基之间和不同结构物之间的差异沉降 为了研究高速铁路软土地基差异沉降的变化规律 铁四院等单位进行了现场 试验研究 试验中采用了浆喷桩 粉喷桩 塑料排水板超载预压 真空联合堆载预压 砂桩超载预压等方法处理软土地基 同时对桥梁 涵洞与路基不同结构物之间的差异沉降进行了研究, -). +* 试验概况及工程地质概况 +/)* 试验段概况 试验工点属太湖湖积平原 地形平坦 有人工鱼塘分布 地面标高 5 左右 试验工点范围为 线路长度 5 包括路基试验段 () 5 个桥台 个桥墩 座涵洞 路基试验段线路为双线 路基面宽 5 线间距 5 路堤设计填土高 5 路堤边坡坡率为 路基试验地基处理措施如表 所示 桥梁桩基础采用钻孔灌注桩 管桩处理 涵洞基础采用粉喷桩 小方桩处理 地基土物理力学指标如表 所示 试验段工程地质纵断面如图 所示 里程 地基处理类型 表 )* 软土地基加固设计措施 路肩 间距 5 边坡 深度 5 浆喷桩 桩径 5 排间距 5 浆喷桩 ( 桩径 5 排间距 5 () 粉喷桩 ) 桩径 5 排间距 5 () (( ( (( 项 目 塑料排水板真空联合堆载预压 塑料排水板超载预压 砂桩等载预压 砂桩超载预压 备注 塑料排水板梅花形布置 ( 表 +* 土体物理力学指标统计一览表 地 层 塑料排水板梅花形布置 超载土柱高 5 塑料排水板梅花形布置 超载土柱高 5 砂桩桩径 5 梅花形布置砂桩桩径 5 梅花形布置 加固范围为桥路过渡段 超载土柱高 5 天然含水率 ) ) 容重 :5 ( ( ( 天然孔隙比 ( ( ) 液限 ) 凝聚力 : ( 固结快剪内摩擦角 )( ) ) 压缩模量 ' ) (( ( ) ) 前期固结压力 : ) ) ) )( 次固结系数 ) ) ( 固结系数 * 65 ( ) ) 1 65 ( ( +/+* 试验段工程地质概况 试验段地层岩性自上而下分述为 黏土 灰黄色 软 硬塑 夹有少量铁锰结核 表层 5 为种植土 属中等压缩性土 淤泥质粉质黏土 深灰色 流

3 第 期 王 祥 高速铁路软土地基的差异沉降试验研究 图 )* 试验段工程地质纵断面图 单位 5 塑 含少量腐殖物 局部夹有薄层粉砂 大多数灵敏度超过 ) 黏土 粉质黏土 粉土 局部夹薄层粉砂 呈交错断续沉积 层理清晰 属中等偏低压缩性土 粉砂 可分为上下两层 上部夹有薄层黏性土 中密 密实 饱和 +/0* 测试元件布置概况为系统研究不同地基处理措施的地基沉降特性 应力分布规律 验证沉降估算方法 比较不同地基处理方案的沉降控制效果 试验段共设置了 个观测测试断面 其中包括主观测测试断面 ( 个 辅助断面 ) 个 主要测试项目包括沉降 地表沉降 地基分层沉降 剖面沉降 路基面沉降 桩土沉降差 位移 地基侧向位移 边桩位移 及应力 孔隙水压力 基底竖向应力 格栅应力应变 桩土应力比 下卧层水平应力 下卧层竖向应力 观测测试 全段共设置了测试 测量 观测点 个 0* 差异沉降分析 差异沉降会使轨面在横向 垂直轨道方向 和纵向 沿轨道方向 出现高低偏差 从而改变轨面的状态 这种沉降一般有两种情况 横向差异沉降及纵向差异沉降 从安全和平稳角度考虑 差异沉降对线路轨面状态的影响更大 对运营有影响的差异沉降主要指铺轨后的差异沉降 无砟轨道平顺度铺设精度标准如表 所示 0/)* 横向差异沉降分析横向差异沉降会引起轨面在水平面上的高低偏差 影响高速列车运行的平稳和安全 下面以沉降板的观测资料进行分析 结构物施工过程中的横向差异沉降对列车运行不会产生影响 因此 以填筑到位时的横向差异沉降为基准 点 进入荷载稳定期后 不同方法处理的地基在不同时期的横向差异沉降坡度如表 所示 表 0* 无砟轨道平顺度铺设精度标准 项目高低 55 轨向 55 水平 55 轨距 55 幅值 波长管理波长为 5 从表 中可知 各种方法处理的地基 同一断面左 右线的横向差异沉降发展规律并不一定相同 即在左线横向差异沉降增加时 右线的可能减小 横向差异沉降随着时间变化的规律性不强 部分断面横向差异沉降增加的同时 另一部分断面的横向差异沉降在减小 在填筑完成的 个月内 横向差异沉降变化较大 随后差异沉降的变化已经较小 粉喷桩 浆喷桩地基的横向差异沉降明显低于其他地基 基本在 以内 说明粉喷桩 浆喷桩地基的沉降发生较为均匀 粉喷桩 浆喷桩处理软土地基在横向差异沉降方面具有较大的优势 表 1* 不同时期的横向差异沉降坡度表 里程地基类型时间 月 ( ) ( 浆喷桩 粉喷桩 真空联合堆载预压 抽真空 月后堆载 真空联合堆载预压 抽真空 周后堆载 超载预压 塑料排水板间距 5 超载 5 超载预压 塑料排水板间距 5 超载 5 砂桩等载预压 ) ) )( ) ) ) ( ( )) ) 砂桩超载预压 )( 注 分别为沉降板左 中 沉降板中 右的横向坡度值 坡度以路堤中心向路堤外侧为正 时间指预压或放置时间

4 铁 道 工 程 学 报 年 月 填筑到位 个月后 按照轨道的标准轨距 55 推算的横向差异沉降引起的水平 高低偏差分别为 ( 该值比表 中规定的要大 但这主要是在填筑完成 个月内产生的 如果把这期间的差异沉降扣除 则水平 高低最大偏差分别为 一般在 55 以内 一般预压地基需要有较长的预压期 或放置期 如 ) 个月 因此可以认为随着沉降速率的减小 横向差异沉降不会对列车运营造成不良影响 0/+* 纵向差异沉降分析由于地层结构 加固措施 荷载水平 基底结构 施工工期等因素的不同 使得在不同结构物及不同处理措施衔接处的差异沉降必然存在 特别是工后沉降的 差异会造成轨道不平顺 使轨道结构不易保持稳定 导致维修难度和工作量大增 轨道使用寿命缩短 甚至造成事故 资料表明 速度越高 其不利影响越显著 在平原地区 因交通 灌溉或排水需要 需要设置于路基地段的涵洞密度较大 因此 为确保列车高速 舒适 安全 平顺运行 必须对这些地段的纵向差异沉降进行控制 尤其是路基与桥涵等结构物之间的差异沉降控制是一个关键环节 纵向差异沉降主要涉及不同结构物及不同方法处理的地基 本试验段共有 个涵洞 个桥台 个桥墩 四大类不同的地基处理方法 不同结构物和不同方法处理的地基概况如表 所示 表 * 不同结构物和不同方法处理的地基概况 序号 交界里程 备 注 某特大桥沪台 断面 某特大桥沪台基础为预制管桩 5 桩长 5 断面 断面 浆喷桩地基 荷载 : 断面 断面 断面浆喷桩地基 断面粉喷桩地基 断面 断面 粉喷桩地基 荷载 ) : 断面 ) 涵洞 ) 涵洞为粉喷桩基础 涵洞顶荷载为 : ) ) 涵洞 断面 断面为塑料排水板真空联合堆载预压地基 ( 断面 断面 塑料排水板真空联合堆载预压地基 荷载 : 断面 ) 涵洞 ) 涵洞为粉喷桩基础 桩长 5 涵洞顶荷载为 : ) 涵洞 断面 断面为塑料排水板超载预压地基 断面 ( 断面 塑料排水板超载预压地基 荷载 : ( 断面 涵洞 涵洞为粉喷桩基础 桩长 5 涵洞顶荷载为 ) : 涵洞 ) 断面 ) 断面为塑料排水板超载预压地基 ) 断面 ) 断面 塑料排水板超载预压地基 荷载 : ) 断面 ( 涵洞 ( 涵洞为小方桩基础 桩长 ( 5 涵洞顶荷载为 ) : ( 涵洞 ( 断面 ( 断面为砂桩等载预压地基 ) ( 断面 ( 断面 砂桩等载预压地基 ( ( 断面 断面 砂桩预压地基 ( 断面桩长 5 断面桩长 5 断面 某特大桥京台 京台基础为钻孔灌注桩 5 桩长 5 对轨道结构有影响的是结构物施工完成后的差异沉降 因此 对不同处理方法的地基之间 涵洞路堤之间 桥梁路堤之间的结构物施工完成后的剩余纵向差异沉降进行分析 这些地段的沉降量大小 沉降发展规律是不同的 真空联合堆载预压 超载预压段总沉降量比较大 沉降的发展主要在预压 个月以前 搅拌桩 砂桩处理段总沉降量小且沉降发展比较均匀 桥台基础为钻孔灌注桩或预制管桩 因此沉降很小 目前沉降在 65 之间 涵洞基础为小方桩或粉喷桩基础 且荷载比两侧路堤的荷载要小得多 荷载小一半左右 沉降在 65 以内 多数在 65 以内 这些不同处理段的沉降特点导致了处理段交界处地基两边的差异沉降 可能会影响高速铁路的安全和平稳 各种地基的剩余纵向差异沉降曲线如图 所示 从图 中可知 剩余纵向沉降差是比较大的 剩余纵向差异沉降变化波浪曲线的波谷处为桥梁 涵洞地段 波峰处为真空联合堆载预压 超载预压地基 桥梁 粉喷桩 浆喷桩地基之间 粉喷桩地基与涵洞之间的剩余纵向差异沉降相对比较均匀 这与涵洞基础为粉喷桩基础 两者的地基处理措施类似有关 虽然涵洞地基的荷载要比粉喷桩地基的路堤荷载小得多 由于地基处理方法及荷载的不同 真空联合堆载预压地基 塑料排水板超载预压地基 砂桩地基与涵洞 桥梁与砂桩地基的剩余纵向差异沉降相对较大 填筑到位时的剩余纵向差异沉降较大 特别是塑料排水板超载预压地基和砂桩地基与涵洞 桥台之间的 预压或放置 ) 个月后 剩余纵向差异沉降得以显著

5 第 期 王 祥 高速铁路软土地基的差异沉降试验研究 图 +* 试验段剩余纵向差异沉降曲线 的减小 个月后 剩余纵向差异沉降变化已经不大 这与试验段在不同结构物之间 不同方法处理的地基之间设置过渡段有关 过渡段的设置明显减小了剩余纵向差异沉降 预压 ) 个月后 差异沉降可以满足规范要求 综上所述 在试验段的条件下 地基处理方法和结构物类型是影响剩余纵向差异沉降的主要因素 不同方法处理的地基之间和不同结构物之间的剩余纵向差异沉降比较明显 而荷载大小并非是影响剩余纵向差异沉降的主要因素 建议在设计时同一工点应尽量避免采用不同地基处理方法 若无法避免时应考虑在不同处理方法和不同结构物之间设置过渡段 1* 结论 论 在试验段的条件下 根据试验结果可得出如下结 横向差异沉降随着时间变化的规律性不强 在填筑完成的 个月内 横向差异沉降变化较大 随后横向差异沉降的变化已经较小 预压 ) 个月后 差异沉降可以满足规范要求 对于预压期 或放置期 需要有较长时间的软土地基 可以认为随着沉降速率的减小 横向差异沉降不会对列车运营造成不良影响 地基处理方法和结构物类型不同是影响软土地基剩余纵向差异沉降的主要因素 而荷载大小并非是影响剩余纵向差异沉降的主要因素 搅拌桩地基的横向差异沉降明显低于其他地基 基本在 以内 粉喷桩 浆喷桩地基的横向沉降发生较为均匀 粉喷桩 浆喷桩处理软土地基在横向差异沉降方面具有较大的优势 建议在设计时同一工点应尽量避免采用不同地基处理方法 若无法避免时应考虑在不同处理方法和不同结构物之间设置过渡段 参考文献 王其昌 高速铁路土木工程 ' 成都 西南交通大学出版社 & &/ && %& - $ ' /&$#!#'& )/ 王炳龙 高速铁路软土地基沉降预测与控制 上海 同济大学 & 4&&/3$$!!!"#$ %& - $ ' /!& 5&62+..0/ &<) 高速铁路设计规范 $ 54 ).7+)+.., $ & %&!$ '!/ 童衍蕃 设置不同材料的基础垫层减少建筑物差异沉降的理论与实践 建筑结构学报 ) 5& 8/ 5 $ 3 $#& 4#$& 29#! 4$$& #' /# 4#$&!## +..0),+ -,7/ 周志刚 郑健龙 李强 土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降的机理分析 岩土工程学报 () ( :#:&& :& & &/ 2& " 529#!!#&$# / # "&& ,/ ) 闫澍旺 周宏杰 崔蟩 等 水泥土桩与土工格栅联合加固沟谷软基机理研究 岩土力学 ) )( 8!#'& :# %&6 #' /!#$ "&$-$$3-#$ "#!# / $! / ( 罗强 刘俊彦 张良 土工合成材料加筋砂垫层减小软土地基沉降试验研究 岩土工程学报 )( ( # & ## :& &/ "-$!$4! $#! "#$ / # "&& +..07). -)1/ 李昌宁 王炳龙 周顺华 %# 桩 网复合结构软基加固技术及其实际应用 铁道工程学报 ) ( 下转第 页 &

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