高速铁路粗粒土路基沉降特征及预测研究

王启云,张家生,孟飞

(1.福建工程学院土木工程学院,福州 350108;2.中南大学土木工程学院,长沙 410075)

高速铁路粗粒土路基沉降特征及预测研究

王启云1,张家生2,孟飞2

(1.福建工程学院土木工程学院,福州 350108;2.中南大学土木工程学院,长沙 410075)

为研究高速铁路粗粒土路基沉降特性,采用单点沉降计对无砟轨道路基实尺模型的沉降进行长期观测,结果表明,粗粒土填方路基的沉降主要由填筑引起的瞬时压缩、粗粒土引起的流变以及外荷载引起的变形等组成,其中路基填筑产生的变形占50%左右,粗粒土流变产生的变形占40%左右;路基填筑完后,由粗粒土流变产生的变形占填筑后总沉降的比例可达80%,路基的最终沉降主要由粗粒土流变变形组成。根据粗粒土路基的沉降特性,采用开尔文流变模型构建了相应沉降预测函数。研究表明:基于开尔文模型的沉降预测结果与实测数据吻合较好,为高速铁路粗粒土路基的沉降预测问题提供参考。

高速铁路;路基;沉降预测;流变特性

为适应经济发展,我国修建了大量的高速铁路。为满足列车高速运行的需要,无砟轨道结构在我国应用越来越普遍。高速铁路无砟轨道路基的发展改变了铁路的传统设计观念,对沉降的控制要求越来越严格,其中路基工后沉降控制已成为路基设计的关键[1]。我国规定无砟轨道路基的工后总沉降应根据扣件调整能力和线路竖曲线圆顺的要求确定,且不宜大于15 mm。当路基的沉降较均匀时且调整轨面高程后的竖曲线半径符合规范的相关要求时,路基工后沉降需控制在30 mm以内[2]。但由于扣件的调整值非常有限,因此只有严格控制线下工程的沉降量才能保证无砟轨道的正常使用[3]。

我国铁路相关规范中将路基填料划分为巨粒土、粗粒土和细粒土3类,其中粗粒土是指粒径0.075～60 mm的颗粒含量(质量比)大于50%的土石混合料[4]。由于粗粒土在自然界中储量丰富、分布广泛,并具有压实性能好、抗剪强度高、透水性强、长期动力稳定性高等优良工程特性[5],因此在高速铁路建设中得到广泛应用。然而,粗粒土作为特性复杂的散粒材料,与细颗粒土性质存在明显的差异[6]。目前,有关高速铁路路基沉降相关方面的研究大多针对软土[7-8]、特殊土[9-10]等路基,而对粗粒土填方路基的沉降研究较少,其沉降变化发展规律仍未得到深入细致的研究,因此对由粗粒土填方而成的路基沉降进行研究具有重要的工程意义。

基于此,为研究高速铁路粗粒土路基的沉降特性,采用单点沉降计对无砟轨道路基实尺模型的沉降进行了长期的观测,在此基础上分析了粗粒土路基的沉降特性,提出并验证了基于开尔文模型的沉降预测方法。

1 轨道路基模型

无砟轨道路基实尺模型在模型槽内进行填筑和制作。模型槽长、宽、高分别为16、13、4 m。模型槽壁为厚度1.5 m的钢筋混凝土,槽壁下方设有人工挖桩基础。路基填筑总厚度为4.7 m,其中基床表层0.4 m,基床底层2.3 m,路基本体填筑厚度2 m,基床表层顶面宽度为6 m,路基两侧按1∶1.5进行放坡。路基模型剖面如图1所示,填筑后模型如图2所示。

图1 路基模型剖面及测点布置(单位:mm)

图2 填筑完成后的路基模型

基床表层填料采用级配碎石,其不均匀系数、曲率系数分别为31.3、1.5;基床底层和路基本体填料采用改良后的粗粒土B组填料,其不均匀系数、曲率系数分别为135、0.87。填料的级配曲线如图3所示。

为研究无砟轨道路基的长期沉降特性,在轨道路基模型路基正中心布置了12个单点沉降计。此外,为监测静土压力的变化,在路基模型中布置了28个静土压力盒。测试元器件的布置剖面见图1,纵向布置剖面见图4。单点沉降计与静土压力盒均采用JMZX-3001型综合测试仪测试。

图3 路基填料的级配曲线

图4 模型纵向剖面及单点沉降计布置(单位:mm)

2 沉降观测与分析

由于不同深度处沉降监测结果较为一致,因此将轨道路基模型中心剖面处的单点沉降计变形时程曲线绘制于图5中,其中图5(a)包含填筑阶段变形时程曲线,图5(b)为路基填筑完毕后变形时程曲线。

从图5中可以看出,随着填土高度的加大,路基沉降迅速增加。填筑完毕,路基沉降继续发展,但沉降速率逐步趋于平缓。路基沉降在静置期内因轨道结构施工和相邻模型加载呈波动,但整体沉降仍较为平稳。

通过对单点沉降计测试数据进行分析,将高速铁路粗粒土路基变形分为3个阶段:加荷瞬时压缩变形阶段、流变变形阶段、外荷载作用下变形波动阶段。

(1)瞬时压缩变形

在路基的填筑过程中,经过摊铺、分层碾压,路基填料被压缩,此时路基变形主要以塑性为主。随着上覆填土高度的增加,下层土受到上层土的应力作用,开始发生与上覆填土高度呈正相关的弹性压缩变形[11],作用在下土层中的荷载主要由土颗粒骨架承担。

如图5(c)所示,在路基模型填筑过程中,基床表层和基床底层土体的填筑导致下方地基和路基本体变形的总和为2.99 mm,为观测最大沉降的49%。如图5(d)所示,基床表层、基床底层以及路基本体土体的填筑导致下方地基的变形为2.49 mm,为观测最大沉降的46.3%;

(2)流变变形

在填方路基沉降过程中,粗粒土填料的流变效应是一直存在的,且不可忽视[12]。当路基全部填筑后,路基中各结构层的荷载不再增加,但在上覆土自重应力作用下颗粒之间相对位置发生调整,从而引起路基发生流变变形。流变变形随时间的推移而缓慢发展,其变形速率最终趋近于0。由于应力大小的改变对粗粒土的流变影响非常大[12],因此对路基内部的应力状态进行考察。

图6为无砟轨道路基模型的中心截面不同深度处静土压力时程曲线。可以看出,路基填筑完成后至无砟轨道结构施工前,随着时间的推移路基内部静土压力有所减小,且变化值均小于4 kPa,可以认为在路基静置阶段土体内部的应力状态未发生明显的改变。这个阶段的路基变形可认为主要是由粗颗粒土蠕变所产生。

图5 单点沉降计时程曲线

图6 不同深度的静土压力时程曲线

从图5中可以看出,在观测至400 d左右时路基沉降开始趋于稳定。如图5(a)所示,此阶段整个路基的流变变形为3.51 mm,为观测最大沉降的80.9%;如图5(c)所示,此阶段路基本体和地基的总流变变形为2.5 mm,为观测最大沉降的41.2%;如图5(d)所示,此阶段地基的总流变变形为2.31 mm,为观测最大沉降的43.1%;

(3)外荷载作用下变形波动

在路基沉降观测期的第400 d至第700 d,相邻的重载铁路有砟轨道路基模型进行了作动器调试和动力加载试验,导致本文建立的无砟轨道路基模型产生了变形。如图5(a)所示,此阶段整个路基的变形为0.83 mm,为观测最大沉降的19.1%;如图5(c)所示,此阶段路基本体和地基的总变形为0.59 mm,为观测最大沉降的9.7%;如图5(d)所示,此阶段地基的变形为0.57 mm,为观测最大沉降的10.6%;重载铁路加载试验完成以后,路基沉降有所回弹,例如:3-CJ-3在重载试验之前为5.27 mm,重载试验进行过程中最大值为6.02 mm,重载试验完成之后为5.73 mm,重载铁路的动力试验导致相邻路基产生了弹性变形和塑性变形两部分。

从图5中还可知,在轨道结构施工后,高速铁路粗粒土路基的沉降增加量很小。这是由于无砟轨道结构施工后基床表层表面、基床表层底面的静土压力值分别增加了15、10 kPa,但其他测点处的静土压力增加量均小于5 kPa,对路基增加的作用非常有限(图6),且路基已经过长时间的沉降变形期。分析表明,无砟轨道结构施工后,路基的沉降与流变变形阶段稳定期的沉降差别较小,因此可将由无砟轨道结构层引起的路基沉降作为静置期内的沉降来考虑,路基填筑完成后的沉降主要由粗粒土的流变特性控制。

图7 填筑后路基结构层变形时程曲线

将单点沉降计的观测数据进行差值运算可得到路基各结构层的变形,其时程曲线见图7。可以看出,路基填筑完毕后,路基各结构层的变形随时间的增加而增大,并在观测1年后逐渐趋于稳定。地基最大压缩量为2.37 mm,压缩率为0.18‰,路基本体最大压缩量为1.1 mm,压缩率为0.55‰,基床层最大压缩量为0.4 mm,压缩率为0.14‰。

3 路基沉降预测

路基的沉降典型发展曲线[13]如图8中曲线1所示。可以看出,路基的总沉降由施工期沉降和工后沉降组成,且路基绝大部分沉降是在施工期间产生。施工期间路基的沉降包括路基填筑阶段的沉降、静置期内的沉降以及铺轨阶段的沉降。路基工后沉降是指在无砟轨道结构全部铺设后路基产生的沉降,应包括路基自重引起的工后沉降、铺设无砟轨道结构层自重引起的工后沉降以及列车行车引起的基床累积变形3部分。

图8 典型的路基沉降曲线

式中,s为沉降,mm;t为时间,d;a、b为参数,mm-1。

工程实践表明,虽然采用双曲线拟合能较好地预测路基的沉降量,但预测结果过分依赖前期的观测数据,一般情况下需要大量的数据和长时间的数据支撑。通过对粗粒土路基模型的沉降曲线特性进行分析表明,路基填筑后的沉降主要由粗粒土的流变特性控制,

为考察路基填筑后的沉降特性和评价无砟轨道的铺设条件,将填筑后的静置期、铺轨阶段以及工后沉降视为连续的发展过程,如图8中曲线2所示。由于无砟轨道结构的施工对粗粒土路基沉降的影响较小,因此根据路基模型的沉降变形规律,建立不考虑轨道结构影响的粗粒土路基沉降特性曲线,如图8中曲线3所示。

根据路基沉降实测数据来预测沉降发展规律,估算路基的最终沉降已成为高速铁路路基沉降计算的一个非常重要和必要的环节,运用最广泛的是曲线拟合法,其中最为常用的为双曲线拟合法[14],即对路基沉降监测资料完整的断面,采用双曲线对观测结果进行拟合,并根据拟合公式预测工后沉降量,其基本方程为因此,可采用流变模型来预测路基的沉降发展过程。选择合理的流变本构模型是计算粗粒土路基流变变形的关键。目前各国学者针对粗粒土流变建立的本构模型有很多,但由于模型参数不易精确测定,大量的本构模型并未能得到充分的验证和推广应用。对于粗粒土填料,可将其视为粘弹性土质材料。几个比较典型的粘弹性性质的流变本构有麦克斯韦(Maxwell)模型、开尔文(Kelvin)模型、伯格斯(Burgers)模型等[15-16]。其中开尔文模型的流变时程曲线与图8中曲线3最为接近,因此可采用开尔文流变模型来计算粗粒土路基在填筑完成后的沉降,其方程为

假设路基某结构层厚度为h,填筑材料均质单一,该结构层的变形可表示为

式中,σ1为计算结构层表面应力,即上覆土自重应力,MPa;γ为结构层重度,kN/m3;E为计算结构层弹性模量,MPa;η为计算结构层粘滞系数,MPa·d;t为路基全部填筑完成后沉降观测时间,d。

基于模式搜索与非线性最小二乘法[17],采用静置期一年内的变形观测数据对路基结构层的流变计算模型参数进行反分析,并采用该流变模型对填筑后路基的沉降进行预测,将预测结果与基于最小二乘法的双曲线拟合结果进行比对,结果见表1。

表1 路基变形预测模型参数

从表1中可以看出,采用双曲线预测的结构层最终变形的结果远大于观测值,而流变预测模型的最终预测值与观测值较为接近,说明采用流变模型计算粗粒土路基的变形更为合理。

为进一步验证流变沉降计算模型在轨道路基模型中的适应性以及其参数的合理性,将流变计算模型理论曲线与后续的测试曲线进行对比,对比结果见图9。

图9 预测值与实测值对比

从图9中可以看出,双曲线预测模型在短期内能较好地预测各结构层的变形,但随着时间的推移,误差逐渐变大,这是由于拟合曲线过于依赖前期的样本数据,不能从本质上反应土体应力应变关系,而开尔文流变模型能较好反应粗粒土路基在填筑完成后土体变形内在原因,即使采用较少的样本数据进行变形计算参数的反分析,预测的时程曲线、最终沉降与实际情况都能较好地吻合。

4 结 论

通过对高速铁路无砟轨道路基实尺模型进行沉降观测,研究了粗粒土填方路基的长期沉降特性,得到如下结论。

(1)粗粒土填方路基的沉降主要由瞬时压缩、流变以及外荷载作用产生,其中由路基填筑产生的变形占最大变形的50%左右,由粗粒土流变产生的变形占最大变形的40%左右;路基填筑完后,由粗粒土流变产生的变形占填筑后总沉降的比例可达80%,路基的最终沉降主要由粗粒土流变特性控制。

(2)无砟轨道结构施工导致基床底层和路基本体的土压力增量均小于5 kPa,且随着路基深度的增大而减小。结合沉降观测结果表明,无砟轨道结构对粗粒土路基沉降影响较小。

(3)采用开尔文流变模型构建了粗粒土路基的沉降预测函数,并将其与双曲线预测模型计算结果进行对比分析,结果表明基于开尔文模型的沉降预测结果与实测数据吻合较好,为高速铁路粗粒土路基的沉降预测问题提供了参考。

本文中路基的沉降未考虑列车动力荷载的影响,因此在动静耦合力作用下粗粒土路基的沉降特性有待进一步研究。

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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

高速铁路建造技术国家工程实验室基金项目(30120512);福建工程学院科研启动基金(GY-Z14003)

王启云(1986—),男,讲师,2013年毕业于中南大学岩土工程专业,工学博士,E-mail:wangqiyun860519@163.com。