铁路无砟轨道下地基沉降计算方法浅析

2010-04-17羊英姿

山西建筑 2010年33期

羊英姿

无砟轨道在国外铁路客运专线的建设中已得到广泛的应用,并取得良好的技术和经济效益。随着我国高速铁路事业的迅速发展,无砟轨道因其具有稳定性高、均匀性好、耐久性长、维修少等特点,已成为 300km/h及其以上高速铁路的主型结构。相对于有砟轨道,无砟轨道的刚度对基础的沉降变形更加敏感。铺轨后无砟轨道的永久变形只能通过调整扣件才能恢复轨道的几何形状,但扣件的调整值非常有限。因此为保证在路基上铺设无砟轨道的质量,必须严格控制路基的沉降变形。

由于施工期间发生的沉降可由随后的路基填土补偿,因此这部分变形对铁路的使用性能影响不大;影响铁路使用性能的是路基建成后发生的工后沉降,即:路堤基床在列车荷载作用下发生的弹塑性变形;路堤本体在自重作用下的压密沉落;地基在路堤荷载作用下的沉降变形[1]。大量的工程实践表明,对于路堤填土部分的弹塑性变形和压密下沉可通过选择优良填料和提高压实标准进行有效控制,地基的沉降变形成为控制重点,尤其是软土地基,不仅沉降变形量大,而且需延续较长的时间才能完成[2]。可见,有效分析和预测客运专线地基的工后沉降量是很有必要的。

目前,沉降随时间的变化有三种分析方法:第 1种为采用分层总和法计算最终沉降量,采用简化固结公式计算固结度,然后推算沉降发展规律;第 2种为数值计算方法,根据固结理论并结合土体的本构模型,计算最终沉降量及其发展规律;第 3种为根据现场实测资料推算沉降随时间的发展规律,主要有双曲线法、三点法、指数曲线法、星野法、泊松曲线法及灰色预测法等[2]。其中第 2种方法所涉及的计算参数较多,且必须通过大量的三轴试验和单向固结试验得到,因而在工程中难以采用。

工后沉降取决于预测的最终沉降量与施工期的沉降量。因此为计算工后沉降量,需得出最终沉降量。

1 最终沉降量

地基的最终沉降一般通过两种方法确定:1)基于地基土层资料和设计参数,采用分层总和法进行理论计算得到;2)根据实测的地基沉降时程曲线采用数学方法进行回归预测。

1.1 分层总和法

对于地基沉降的计算方法,目前国内外工程中基本都采用以弹性理论为基础,并满足一维应变状态假设的分层总和法。

地基土在外力作用下的变形可分为瞬时变形、固结变形和次固结变形。而分层总和法计算的沉降仅为固结沉降。虽然分层总和法具有概念比较明确、计算过程及变形指标的选取比较简便,而且适宜结合地基土层的不同变化给以分层分别计算等优点,但分层总和法也同样存在不可克服的问题,如采用弹性理论求算地基中的竖向应力,用单向压缩曲线求变形,这与实际地基受力情况有出入;对于变形指标,其试验条件决定了指标的结果,而使用中的选择又影响到计算结果。鉴于地基土在外力作用下的沉降变形特性十分复杂,由此引起的计算误差甚大,必须引入沉降计算经验系数ψs进行修正。

由文献[3]得,地基最终沉降 S的计算式如下:

其中,ψs为沉降计算经验系数,文献[3]中给出了关于沉降经验系数的取值,如表1所示;S′为按分层总和法计算得到的地基沉降。

表1 ψs的取值

表1中给出的沉降计算经验系数是根据 132栋建筑物的计算沉降和实测沉降的比值得出的。建筑物主要承受的为静荷载,且在建成后荷载变化不大;对于铁路客运专线路基承受的主要为动荷载,表1中给出的沉降经验系数在铁路客运专线路基中的适用性还有待检验。

1.2 最终沉降的回归预测

文献[2]中规定,沉降预测应采用曲线回归法,预测从路堤填筑完成后开始,用不少于 6个月的实测数据进行曲线回归,回归的相关系数不应低于0.92,且预测时的沉降观测值应不少于预测最终沉降值的75%。

目前,实际工程中应用最多的是双曲线法。双曲线法假定沉降时程曲线按照“沉降平均速度呈双曲线递减”的规律变化,如图1所示。时刻 t(t≥t0)的沉降 St计算式为:

当 t→∞时,对应的沉降则为最终沉降 S。

由式(2)可变化为:

式(2),式(3)中的符号意义如图1,图2所示。

通过实测的沉降时程曲线可得参数A,B,并可预测最终沉降量S:

2 工后沉降

施工期间发生的土体压缩沉降将由随后的填土补偿,这部分变形对铁路的使用性能影响不大,而影响铁路使用性能的是路堤填筑完成后的路基沉降。为保证高速铁路轨道的平顺性需严格控制路基变形,规范中规定路基的工后沉降应控制在允许的范围内,工后沉降的大小对于列车的安全、平稳运行起到决定性作用,同时对路基的维修养护有着重要的意义。

工后沉降的大小取决于施工期的时间设置,因此,对工后沉降随施工期时间不同的变化规律的研究是必要的。

文献[3]指出,一般多层建筑物在施工期间完成的沉降量,对于砂土可认为其已完成最终沉降量的 80%以上,对于其他低压缩性土可认为已完成 50%～80%,对于中压缩性土可认为已完成20%～50%,对于高压缩性土可认为已完成 5%～20%。由于建筑物和铁路路基存在的差异,铁路路基的工后沉降亦不能直接采用文献[3]中的经验值。

目前,铁路工后沉降的控制是根据施工期间系统的沉降观测,并对沉降观测数据系统综合分析评估、验证或调整设计措施,使路基等工程达到规定的变形控制要求[4]。根据沉降观测数据推算出最终沉降和工后沉降,合理确定无砟轨道的铺设时间,确定无砟轨道结构的铺设质量。