试析高铁路堤稳定和地基沉降影响因素敏感性

黄贤慧

摘要：高速铁路路基设计需对路堤稳定和沉降进行严格控制，同时对运营高铁路基工后沉降过大的路堤段进行地基补强加固以控制沉降进一步发展亦十分必要。开展基于高速铁路路堤稳定及沉降影响因素分析确立其主控因素从而进行参数优化设计，并针对既有高铁地基沉降超限的病害处理对已有地基局部加固方案进行优化具有重要的工程意义。

关键词：高速铁路 路堤稳定 底基沉降

在理论计算和数值模拟分析中，我们首先需要确定的是土体参数，这些参数构成边坡稳定的条件，是影响边坡稳定的因素，如何选用这些参数，对计算结果至关重要。在设计过程中，土体参数大部分是根据现场取样试验测得到或根据手册按照相关规定由经验取得。土体是高边坡稳定的主要研究对象，坡脚和坡面的加固措施主要是为了防止土体失稳，在研究过程中，我们要用到参数的主要是弹性模量，泊松比，剪胀角，内摩擦角和粘聚力，抗滑桩对于边坡的影响在桩截面一定的情况下主要在于弹性模量的选择，采用有限元强度折减法，分别对这些参数对边坡稳定性的影响进行敏感性分析。

1、高速铁路工程计算实例

武广客运专线为京广客运专线的南段，途经鄂、湘、粤三省，于2005年6月23日在长沙首先开始动工，2009年12月9日试运行成功，于26日正式运营。全长约1068.8公里，投资总额1166亿元。列车最高运营时速达到300公里，最高试验时速可到394公里，全程票价分两等，在490～780元之间。武广高铁的开通，使得武汉至广州间旅行时间由原来的约11小时缩短到3小时左右，长沙到广州直达仅需2小时。武广高铁成为世界上运营速度最快、里程最长的高速铁路。

武广客运专线在用的是超长钢轨，而非普通的25米钢轨。由于钢材料的体积受温度影响大，即所谓的热胀冷缩，一般情况下采用的是25米规格钢轨，并且在接缝处留有一定的缝隙。这就导致了列车在行驶过程中会由于钢轨接缝而颠簸。而武广客运专线为平均时速260千米每小时的快速客运专线，列车经过时哪怕是0.5厘米的凸起或缝隙都会造成极大的危险。所以武广客运专线在设计时便采用超长无缝钢轨，在适宜温度内施工（如长沙为17～25摄氏度），尽量避免减少温度对钢轨的影响，并且在钢轨下方设置有调节钢轨长度的混凝土块，保证了超长钢轨接缝处变化不超过0.1厘米，从而保证了列车的安全和乘客乘车的舒适性。

2、高速铁路路堤稳定及沉降影响参数优化设计

2.1针对边坡和地基两种路堤稳定主控条件，基于极限平衡分析方法分别建立了路堤边坡和路堤地基稳定分析模型，采用正交设计方法研究了对应计算模型的各影响因素主次顺序并对均质边坡条件下各影响因素间交互作用进行了深入分析。地基良好条件下路堤边坡稳定性的主要影响因素为路堤填料内摩擦角，均质土坡条件下边坡比与内摩擦角、坡高与黏聚力间存在显著交互作用，取值水平不当会影响各因素的敏感性排序；地基软弱及地表倾斜条件下路堤稳定性主要受地基状态控制，地基土强度和地表坡度是影响路堤稳定的主要因素。

2.2采用ABAQUS有限元软件建立了路堤地基一体化有限元计算模型，针对地基良好条件通过正交设计方法分别对路堤沉降和地基沉降影响因素主次顺序进行了分析。路堤沉降影响因素分析结果表明其主要影响因素为路堤填料模量和路堤高度。地基沉降分别采用线弹性和Mohr-Coulomb理想弹塑性两种模型进行计算，基于不同模型的地基沉降影响因素敏感性分析结果得出的关键影响因素一致，均为地基土模量和路堤高度。

2.3基于低强度地基条件采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型对地基塑性变形进行了分析，随地基强度减小路堤稳定性降低，地基塑性变形增加趋势明显。对不同路堤高度条件下地基塑性变形y与路堤稳定安全系数x间对应关系采用负幂函数y=axb进行了拟合，路堤高度12m、16m、20m对应的a值依次为0.1169、0.1768、0.2951，b值依次为-6.875、-7.008、-7.052。采用正交设计方法分别探讨了软弱地基条件下地基沉降和地基塑性变形的影响因素敏感性大小，地基沉降主要影响因素为路堤高度和地基土模量，地基塑性变形影响因素主次顺序从大到小依次为路堤高度、地基内摩擦角、地基模量、地基黏聚力，四种因素极差值相差不大，均对地基塑性变形有较大影响。

3、高速铁路稳定因素的敏感性分析

3.1设计安全性，指设备的可靠性、可操作性、可维修性等。设备在投入使用的初始阶段，可靠性一般较高，经过一段时间的运转使用后，由于磨损、老化、生锈等原因，其可靠性会逐渐降低，且随着时间的推移，最后必然会发生故障。因此，从安全角度考虑，相关工作人员应充分了解设备的可靠性，保证其得到及时修理或更换。

3.2使用安全性。设备的使用安全性包括设备的运行时间，维护保养情况等。设备运行时间越短，即设备越新，其使用安全性越好；设备维修保养得越好，其使用安全性也越好。影响高速铁路运营安全的环境因素，包括内部小环境和外部大环境两部分。铁路运输系统是一个复杂、庞大的系统，它是由系统工作人员、系统硬件、组织机构（管理机构、维修机构、运行机构等）、社会经济因素等很多组成部分相互作用、相互影响、相互制约而构成。其内部环境从广义上来说，应该包括内部作业环境和内部社会环境，但从本文的研究角度出发，主要考虑内部作业环境所带来的影响，内部作业环境主要包括作业场所的温度、湿度、采光、照明、噪声、振动等。影响高速铁路行车安全的外部环境包括自然环境和社会环境。自然环境是指自然界决定的而且人在短时间内难以改变的生态环境。

3.3管理因素：影响高速铁路运营安全的管理因素较多，主要有安全组织、安全法制、安全教育、安全信息、安全资金等。铁路运输安全管理，概括的来说，就是为了最大限度地减少或者消除运输事故及由事故造成的损失而采取的一切控制行为。具体而言，是指参与管理的人员按照一定的客观规律，对系统内的各种资源进行合理的计划、组织、指挥、协调和控制，从而达到减少或消除事故的目的。管理具有计划、组织、指挥、协调、控制的功能，可以使得人、设备、环境等其它要素组成一个协调统一的大系统。从表面上看，造成事故的直接原因是人、设备、环境，但管理才是最根本和本质的原因，因为其它三个要素都是受"管理"支配，管理对运输安全的至关重要性，从以下三个方面可以得到体现和说明：管理有助于提高运输系统内"人、设备、环境"的安全性；管理能够协调人、机、环境之间的关系；管理具有优化运输系统的整体安全功能的能力。

4、结束语

针对高速铁路施工区路段的封道形式、大车率、纵坡和限速模式进行了仿真分析，得出了这些因素对通行能力的敏感性程度。高速铁路改扩建施工区情况复杂多变，对施工区技术人员进行交通组织能力要求较高，因此能够通过一定的模拟分析与计算获得相关的影响因素对通行能力敏感性大小，在理论上可以给予技术人员一定程度的参考。

参考文献：

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