羊英姿

無砟軌道在國(guó)外鐵路客運(yùn)專線的建設(shè)中已得到廣泛的應(yīng)用,并取得良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)的迅速發(fā)展,無砟軌道因其具有穩(wěn)定性高、均勻性好、耐久性長(zhǎng)、維修少等特點(diǎn),已成為 300km/h及其以上高速鐵路的主型結(jié)構(gòu)。相對(duì)于有砟軌道,無砟軌道的剛度對(duì)基礎(chǔ)的沉降變形更加敏感。鋪軌后無砟軌道的永久變形只能通過調(diào)整扣件才能恢復(fù)軌道的幾何形狀,但扣件的調(diào)整值非常有限。因此為保證在路基上鋪設(shè)無砟軌道的質(zhì)量,必須嚴(yán)格控制路基的沉降變形。

由于施工期間發(fā)生的沉降可由隨后的路基填土補(bǔ)償,因此這部分變形對(duì)鐵路的使用性能影響不大;影響鐵路使用性能的是路基建成后發(fā)生的工后沉降,即:路堤基床在列車荷載作用下發(fā)生的彈塑性變形;路堤本體在自重作用下的壓密沉落;地基在路堤荷載作用下的沉降變形[1]。大量的工程實(shí)踐表明,對(duì)于路堤填土部分的彈塑性變形和壓密下沉可通過選擇優(yōu)良填料和提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效控制,地基的沉降變形成為控制重點(diǎn),尤其是軟土地基,不僅沉降變形量大,而且需延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成[2]?？梢?有效分析和預(yù)測(cè)客運(yùn)專線地基的工后沉降量是很有必要的。

目前,沉降隨時(shí)間的變化有三種分析方法:第 1種為采用分層總和法計(jì)算最終沉降量,采用簡(jiǎn)化固結(jié)公式計(jì)算固結(jié)度,然后推算沉降發(fā)展規(guī)律;第 2種為數(shù)值計(jì)算方法,根據(jù)固結(jié)理論并結(jié)合土體的本構(gòu)模型,計(jì)算最終沉降量及其發(fā)展規(guī)律;第 3種為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料推算沉降隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律,主要有雙曲線法、三點(diǎn)法、指數(shù)曲線法、星野法、泊松曲線法及灰色預(yù)測(cè)法等[2]。其中第 2種方法所涉及的計(jì)算參數(shù)較多,且必須通過大量的三軸試驗(yàn)和單向固結(jié)試驗(yàn)得到,因而在工程中難以采用。

工后沉降取決于預(yù)測(cè)的最終沉降量與施工期的沉降量。因此為計(jì)算工后沉降量,需得出最終沉降量。

1 最終沉降量

地基的最終沉降一般通過兩種方法確定:1)基于地基土層資料和設(shè)計(jì)參數(shù),采用分層總和法進(jìn)行理論計(jì)算得到;2)根據(jù)實(shí)測(cè)的地基沉降時(shí)程曲線采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)。

1.1 分層總和法

對(duì)于地基沉降的計(jì)算方法,目前國(guó)內(nèi)外工程中基本都采用以彈性理論為基礎(chǔ),并滿足一維應(yīng)變狀態(tài)假設(shè)的分層總和法。

地基土在外力作用下的變形可分為瞬時(shí)變形、固結(jié)變形和次固結(jié)變形。而分層總和法計(jì)算的沉降僅為固結(jié)沉降。雖然分層總和法具有概念比較明確、計(jì)算過程及變形指標(biāo)的選取比較簡(jiǎn)便,而且適宜結(jié)合地基土層的不同變化給以分層分別計(jì)算等優(yōu)點(diǎn),但分層總和法也同樣存在不可克服的問題,如采用彈性理論求算地基中的豎向應(yīng)力,用單向壓縮曲線求變形,這與實(shí)際地基受力情況有出入;對(duì)于變形指標(biāo),其試驗(yàn)條件決定了指標(biāo)的結(jié)果,而使用中的選擇又影響到計(jì)算結(jié)果。鑒于地基土在外力作用下的沉降變形特性十分復(fù)雜,由此引起的計(jì)算誤差甚大,必須引入沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs進(jìn)行修正。

由文獻(xiàn)[3]得,地基最終沉降 S的計(jì)算式如下:

其中,ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),文獻(xiàn)[3]中給出了關(guān)于沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值,如表1所示;S′為按分層總和法計(jì)算得到的地基沉降。

表1 ψs的取值

表1中給出的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是根據(jù) 132棟建筑物的計(jì)算沉降和實(shí)測(cè)沉降的比值得出的。建筑物主要承受的為靜荷載,且在建成后荷載變化不大;對(duì)于鐵路客運(yùn)專線路基承受的主要為動(dòng)荷載,表1中給出的沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在鐵路客運(yùn)專線路基中的適用性還有待檢驗(yàn)。

1.2 最終沉降的回歸預(yù)測(cè)

文獻(xiàn)[2]中規(guī)定,沉降預(yù)測(cè)應(yīng)采用曲線回歸法,預(yù)測(cè)從路堤填筑完成后開始,用不少于 6個(gè)月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線回歸,回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于0.92,且預(yù)測(cè)時(shí)的沉降觀測(cè)值應(yīng)不少于預(yù)測(cè)最終沉降值的75%。

目前,實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是雙曲線法。雙曲線法假定沉降時(shí)程曲線按照“沉降平均速度呈雙曲線遞減”的規(guī)律變化,如圖1所示。時(shí)刻 t(t≥t0)的沉降 St計(jì)算式為:

當(dāng) t→∞時(shí),對(duì)應(yīng)的沉降則為最終沉降 S。

由式(2)可變化為:

式(2),式(3)中的符號(hào)意義如圖1,圖2所示。

通過實(shí)測(cè)的沉降時(shí)程曲線可得參數(shù)A,B,并可預(yù)測(cè)最終沉降量S:

2 工后沉降

施工期間發(fā)生的土體壓縮沉降將由隨后的填土補(bǔ)償,這部分變形對(duì)鐵路的使用性能影響不大,而影響鐵路使用性能的是路堤填筑完成后的路基沉降。為保證高速鐵路軌道的平順性需嚴(yán)格控制路基變形,規(guī)范中規(guī)定路基的工后沉降應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi),工后沉降的大小對(duì)于列車的安全、平穩(wěn)運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用,同時(shí)對(duì)路基的維修養(yǎng)護(hù)有著重要的意義。

工后沉降的大小取決于施工期的時(shí)間設(shè)置,因此,對(duì)工后沉降隨施工期時(shí)間不同的變化規(guī)律的研究是必要的。

文獻(xiàn)[3]指出,一般多層建筑物在施工期間完成的沉降量,對(duì)于砂土可認(rèn)為其已完成最終沉降量的 80%以上,對(duì)于其他低壓縮性土可認(rèn)為已完成 50%～80%,對(duì)于中壓縮性土可認(rèn)為已完成20%～50%,對(duì)于高壓縮性土可認(rèn)為已完成 5%～20%。由于建筑物和鐵路路基存在的差異,鐵路路基的工后沉降亦不能直接采用文獻(xiàn)[3]中的經(jīng)驗(yàn)值。

目前,鐵路工后沉降的控制是根據(jù)施工期間系統(tǒng)的沉降觀測(cè),并對(duì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)綜合分析評(píng)估、驗(yàn)證或調(diào)整設(shè)計(jì)措施,使路基等工程達(dá)到規(guī)定的變形控制要求[4]。根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)推算出最終沉降和工后沉降,合理確定無砟軌道的鋪設(shè)時(shí)間,確定無砟軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)質(zhì)量。

3 結(jié)語

為滿足鐵路無砟軌道的鋪設(shè)要求,路基的沉降變形必須保持在一較小的范圍內(nèi)。但關(guān)于工后沉降并沒有明確的計(jì)算方法,工程中常采用最終沉降的某一百分比來確定工后沉降。因此,需精確計(jì)算無砟軌道路堤下地基的最終沉降是控制路堤工后沉降的關(guān)鍵。

[1] 王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2009:371.

[2] TB 10621-92,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[3] GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 姜領(lǐng)發(fā),陳善雄.鐵路客運(yùn)專線路基工后沉降預(yù)測(cè)方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(2):19-22.