1、第 1 章 绪 论1.1 选题背景及意义在我国铁路“十五计划“编制中已明确指出，要加强快速客运专线的建设，逐步建成以北京、上海、广州为中心，连接各省会城市和其它大型城市铁路快速客运系统。2004年1月7日，国务院主持通过的中长期铁路网规划为我国铁路发展描绘了宏伟蓝图。至2020年，我国铁路运营总里程达10万公里，要建设“四纵四横”快速客运专线及三处城际快速轨道交通系统，实现主要繁忙干线客货分线运输。建设高标准的铁路客运专线，是中长期铁路网规划中的一项重要内容。2005年6月11日，石太铁路客运专线的开工建设，掀开了我国铁路客运专线大规模建设的序幕，继同年6月23日武广客运专线开工之后，国家批准
2、的其他9条客运专线即京津、郑西、武合、合宁、甬台温、温福、福厦、广深港、广珠客运专线，也相继全面开工建设，11条客运专线的总建设规模将达到3243公里。我国幅员辽阔，铁路经过的地区比较复杂，路基作为铁路的重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车荷载及各种附加力的基础，路基本体必须有足够的强度和一定范围内的变形，所以作为承载高速铁路的基础路基的设计得到越来越广泛的重视，把路基作为土工结构物来设计的理念在路基设计中逐步得到体现,在一般情况下，路基给工程带来的主要难题是沉降变形及其各种处理措施条件下的固结问题，所以路基沉降变形问题是高速铁路设计中所要考虑的主要控制因素。为了确保列车安全、平稳运行，路基
3、必须具有强度高，刚度大、稳定性、耐久性好，不易变形等优良特性。随着我国既有线大面积提速改造及快速铁路、高速铁路的修建，如何解决路基沉降这个屡屡出现的问题就被提上日程。1.2铁路路基铁路路基是经过开挖或填筑形成的直接支撑轨道、满足轨道铺设和运营条件而修建的土工结构物，是铁道工程的重要组成部分。它承受着轨道及机车车辆的静荷载和动荷载，并将荷载向地基深处传递扩散，因此路基应具有足够的强度和稳定型，应能抵抗自然因素的破坏而不至于产生有害变形。1.2.1我国铁路路基现状长期以来，我国新建铁路没有把路基当成土工结构来对待，而普遍冠名为土石方。在“重桥隧，轻路基，重土石方数量，轻质量”的倾向下，路基翻浆冒泥
4、、下沉、边坡坍滑、滑坡等病害经常发生，使新建铁路交付运营多年仍不能达到设计速度与质量，经济效益与社会效益较差。运营铁路路基技术状态不佳，强度低，稳定性差，严重威胁铁路运输和安全，已成为铁路运输的主要薄弱环节。如今，全国铁路网已相继完成四次提速，开发了一批最高运行速度为140160KM/h的“快速列车”。运营时速为200KM的秦沈客运专线的建成通车，使我国铁路路基设计施工水平有了较大幅度的提高，极大地促进了路基工程的进步。1.2.2国外铁路路基现状国外铁路发展的方向是重载及高速铁路。发展重载铁路(250360KN)的国家有美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯等；发展高速铁路的国家有法国、日本、德国等。
5、这些国家制订了较高的路基标准和严格的施工工艺。其特点如下：(1)结合路基工程规定了详细的岩土分类，要求进行详细地调查，为设计、施工及养护提供必须的依据资料。(2)加强了轨道基础的路基机床部分，包括路堤、路堑及不填不挖地段，特别是对机床表层的材料(日本新干线要求设置加强机床，很多国家设置基层或防护层、垫层)有严格条件并规定了强度要求。(3)对路堤各部分的填土规定了相应的填料标准，填土质量标准要求较高。(4)为控制路基发生过大的下沉，对路堤填土提出了规定及处理要求。(5)加强路基的排水系统、边坡和灾害的防护。1.3黄土通常将具有以下特性的土称为黄土；颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；颗粒组成以
6、粉粒(0.050.005mm)为主，含量一般在60%以上；有肉眼可见的大孔隙、较大孔隙，一般在1.0mm左右；富含碳酸盐；垂直节理发育。公路工程中，根据黄土沉积年代不同，可将黄土分为新黄土(如马兰黄土Q 3、Q 4)、老黄土(离石黄土Q 12、Q 22)、红色黄土(午城黄土Q 1)三类；根据黄土的湿陷性又分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土。1.3.1黄土的颗粒组成会及结构黄土的颗粒组成以粉粒为主，其含量可达50%以上，其中粗粉粒(0.050.01mm)含量大于细粉粒(0.010.005 mm)含量。黄土中的粘粒、细粉粒和腐殖质胶体，大部分被胶结成集粒或浮在砂粒及粗粉粒的表面，或聚集在大颗粒间的接触点
7、处。黄土中的粉粒和集粒共同构成了支承结构的骨架，较大的砂粒“浸”在结构体中由于其排列比较疏松，接触连接点少，构成了一定数量的架空孔在结构体中，而在接触连接处没有或只有少量的胶结物质。常见的胶结物质有聚集在连接点处的粘粒，易溶盐及沉积在该处的CaCO 3、MgCO 3等。研究表明，黄土的粉粒含量越大，其孔隙比越大，干密度越小，其湿陷性越明显。粘粒的存在对湿陷性有抑制作用，当粘粒含量大于30时，湿陷性几乎减弱到不复存在，当然这与粘粒的结构、性质及分布有关。在颗粒大小中，小于0.01mm的颗粒对湿陷性的影响更加明显。1.3.2黄土的多孔性黄土中的孔隙，呈垂直或倾斜的管状，以垂直为主，上、下贯通，其内
8、壁附有白色的胶结物，一般为CaCO 3,这种胶结对黄土起着加固作用。一般将黄土的孔隙分为以下三类：大孔隙，直径约0.51.Omm，肉眼就可辩识；细孔隙，是架空结构中大颗粒的粒间孔隙，肉眼看不见，可在放大镜下观察到：毛细孔隙，由大颗粒与附在其表面上的小颗粒所形成的粒间孔隙，肉眼更看不见。由这三种孔隙形成了黄土的高孔隙性，故又将黄土称为“大孔隙土”。黄土孔隙率一般在3560之间，有沿着深度逐渐减小的趋势；在地理位置上，自东向西，自南向北，黄土孔隙率有增大的规律。一般认为黄土的孔隙是引起黄土湿陷的主要原因，但有资料表明压实黄土仍存在大孔隙，也具有湿陷性，表明这不是黄土湿陷的根本原因，但它为黄土湿陷提
9、供了足够的空间。1.3.3黄土的湿陷性与变形特性湿陷性是指土在自重或附加应力与自重共同作用下受水浸湿后产生急剧而大量的下沉。浸水湿陷只在士体自重作用下产生的黄土称为自重湿陷性黄土，而浸水湿陷在土体自重与附加应力共同下产生的黄土称为非自重湿陷性黄土。根据自重湿陷量与总湿陷量可对湿陷性场地进行湿陷等级与湿陷类型划分。非自重湿陷性场地的湿陷起始压力一般大于土的饱和自重压力，湿陷敏感性较弱，湿陷性事故较少，自重湿陷性场地的湿陷起始压力小于其上覆土的饱和自重压力，湿陷敏感性较强，湿陷性事故多 。黄土与其它粘土的区别在于黄土对含水量的变化极为敏感，含水量的高低严重影响土的湿陷性和承载力的高低，含水量低时，
10、土的湿陷性强烈，但承载力却很高，随着含水量的增加，土的湿陷性逐渐减弱，承载力随之急剧下降，而压缩性却得以提高。根据大量土样的试验资料统计结果表明，黄土的湿陷性与饱和度成直线反比关系，见表l-l，即饱和度愈低，土的湿陷性愈强，土的湿陷性随着饱和度的增大而降低。表1-1 饱和度Sr与湿陷系数6s的关系 饱和度 ()Sr湿陷系数 范围s湿陷系数 中值s30 0.090.137 0.1203040 0.040.118 0.0864050 0.020.100 0.0605060 0.020.084 0.046070 00.060 0.0370 00.03 0.015者只占 3.4%s黄土的压缩性反映黄土
11、地基在外荷载作用下产生压缩变形的大小，主要取决于土的密实程度和含水量，三者的关系见表l-2。表1-2 黄土变形模量与含水量和孔隙比的关系土类 含水量（%） 孔隙率（%） 变形模量（Mpa）1017 4748 22.532.068 4648 22.028.0黄土814 4749 19.022.01218 4345 10.040.02225 4548 8.01.5黄土状粉质粘土 2530 4045 7.01.31.3.4黄土的结构性问题结构性应该是描述土物理本质中比粒度、密度、湿度重要的一个侧面。它的重要性早为太沙基所指出，也早为一系列学者所重视。如果说结构性对任何土都是重要的，那么，对黄土就更是
12、不可避免的，具有更大的意义。研究黄土的结构性及其在力和水作用下的变化规律对整个土力学研究的对象都会有很大的辐射作用。目前，将黄土受力、水作用后结构由损伤到破坏作定量描述的固体力学方法，因其可以回避在寻求独立表示土结构性参数上的困难，使结构性关系的建立出现了新的跳跃。但它仍然遇到了建立不同湿密状念土在受到外力作用过程中损伤变量正确表述的困难显然，如果能够找到一个能合理反映土的结构性及其随水与力的作用而变化的土结构性参数，无疑会使问题的解决更加直观、更加灵活，会使土力学的参数体系更加完善文献中关于综合结构势这一新指标的提出及对其合理性、灵敏性、稳定性与普遍性的检验的相关研究表明： (1)黄土的结构
13、可视为一个由单粒、集粒或凝块等骨架单元共同形成的空间结构体系它的单元形态(单粒的矿物碎屑与集粒或凝块)确定了力的传递性能和土的变形性质，它的连接方式(点接触、面接触)确定了土的结构强度，它的排列方式(大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙)确定了土的稳定性单粒点接触、架空孔隙占优势的结构，湿陷性大；集粒或凝块，面接触、粒间孔隙占优势的结构，湿陷性小 (2)黄土结构性的研究，应既注意揭示土颗粒排列的几何特征(以孔隙分布特征最为敏感)，又注意揭示土颗粒联结(物理的和化学的，而以化学的为最敏感)的力学特征，同时将结构与组成相结合，探讨黄土的非均质性，各向异性(3)从黄土力学的观点来看，结构性研究的根本目的在于揭
14、示结构性对土力学行为的影响及内在联系，因此，将土的微观结构与宏观力学行为相结合是一条正确的研究途径(4)黄土的结构性问题在其结构联结没有遭到破坏以前表现为它维持结构可稳性的能力，它和颗粒联结的特性与稳定性有关；在结构联结遭到破坏以后表现为结构可变性的能力，它和颗粒的排列特性与均匀性有关。1.3.5压实黄土的工程特性研究现状1.3.5.1 压实黄土的湿陷性经过对原状土和压实土的湿陷性试验，得到：(1)湿陷性黄土经过压实后，如填筑含水量较低，填筑干密度较小时，仍具有明显的湿陷性，并具有以下特征：压实黄土与原状黄土的含水量和干密度都相同时，在较大的压力范围内，压实黄土的湿陷性要比原状黄土的大压实黄土
15、的湿陷性，随填筑含水量的减小而增大，反之，随填筑含水量的增大而减小；即使压实黄土的填筑干密度较大，而含水量都较低时，仍具有一定的湿陷性，并在较大的压力范围内随压力的增加而增大(2)压实黄土填筑含水量不应低于最优含水量的23倍，同时要以最大干密度来控制施工质量，否则将会在工程运营期间受水浸湿后出现不同程度的湿陷变形，进而危及工程的正常使用。1.3.5.2 压实黄土的压缩性质压实黄土的压缩性质，也用土的压缩系数、压缩模量、固结系数等指标表示，在室内用压缩仪测定根据有关资料表明，西北黄土在击实饱和情况下，当垂直压力为0.1O.47MPa时，其压缩系数平均值介于(0.01370.0199)10-5 之
16、间，为中等压Pa1缩性土，其平均压缩模量介于11.1824.2MPa之间当垂直压力为0.41.6MPa时，其平均压缩系数为(0.00570.0175)10-5Pa-1之间，多数为低压缩特性，其压缩模量介于42.4423.67MPa之问，平均固结系数介于1.09210-15.5010-32/s之间。第2章 路基沉降2.1路基沉降路基裸露在自然界中，整个路基经常受到自重、列车荷载和各种自然因素的作用。由于水、温度和各种荷载的作用，路基的各部分将产生可恢复和不可恢复的变形，那些不能恢复的变形，将引起路基标高和边坡坡度、形状的改变，甚至造成土体位移和路基横断面几何形状的改变，危及路基及其各组成部分的完
17、整和稳定，形成路基的危害。2.1.1高速铁路路基沉降特性分析的研究现状铁路路基沉降变形主要包含运营阶段行车引起的基床累积下沉，列车行驶中路基面的弹性变形，路基本体填土及地基的压密下沉三个方面。大量的调查表明，路基沉降是由土性、压实度、饱和度、环境和外载等多方面因素综合作用的结果，但主要是由路基本身和地基的排水固结变形引起的。地基的沉降变形与地基土的性质和地基处理方法有关，而路基本体的变形通常与填料的性质、填料含水量和压实系数有关，地基的沉降变形直接影响到路基的变形。基床累积下沉是由列车通过道床传递到基床面的动荷载引起的，主要发生在基床部位，特别是基床表层。设计时若能限制列车荷载在基床表面产生的
18、动应力在基床填料的临界动应力以内，则累积下沉量在经过一段时间行车后(例如一年)能够逐渐趋于稳定而不会继续发展的。2.1.2路基沉降的原因2.1.2.1 路基填土压实度不足由于压实度不足，往往导致填方路基的不均匀沉降变形，路基两侧出现纵向裂缝，路基土体压实度不足的主要原因有以下几点:(1)施工受实际条件的限制。路基施工时，天气太干燥，局部路堤填料粘土土块粉碎不足致使路基压实度不均匀;暗埋式构造物处因构造物长度限制使路基边缘不能超宽碾压，致使路基边缘压实度不够;某些加减速车道与行车道没有同步施工，当拼接处理得不好时，其拼接处也会产生压实度不足的情况。(2)考虑到施工安全和进度，使得压力或压力作用时
19、间不足，路基压实不充分，致使路基压实度达不到规范要求。(3)由于填方土体的最佳含水量控制不好，压实效果达不到规范要求。(4)在填方路堤施工中，当路堤施工到一定高度以后，路堤边缘土体往往存在压实度不足问题，对于较高的填方路基，通常都要做相应的处治。填方土体压实度不足，其结果是土体前期固结压力小于自重应力和各种附加应力之和，在自重作用下就会发生沉降变形，这些附加应力主要来自以下几个方面:车载，尤其超载情况;含水量变化造成土体容重的改变;地下水位升降而导致浮力作用改变;土体饱和度改变，引起负孔隙水压力改变。这些附加应力引起土体中有效应力改变，从而导致土体发生压缩变形。土体压实度不足还会导致填土路基的
20、侧向变形。目前采用的地基沉降计算方法是假定侧向完全受限，仅有竖向变形，实际路基土中存在有侧向变形，这种侧向变形会引起沉降。2.1.2.2 路堤填料不均匀，控制不当在公路施工过程中，对填料、级配很难得到有效的控制，填料常常是开挖路堑、隧道掘进产生的方法，这些填料性质差异大、级配也相差很远。一方面，在施工过程中，如果分层碾压厚度过大，小颗粒填料和软弱物质很难得到有效压实，在荷载的长期作用下，回填料会产生不协调沉降变形，路面会产生局部沉陷，刚性路面还可能产生裂纹。另一方面，由于回填料的性质不一样，特别是有的回填料具有膨胀性，在路基排水系统局部失效后，水的渗入会使路面局部隆起，影响行车舒适度，严重的会
21、使路面破坏。控制不当体现在：(1)选用了稳定性较差的路堤填料，如采用高液限粘土、粉质土或使用淤泥、腐殖质含量较高的土料填筑路堤，会使路堤产生整段或局部的变形。(2)采用不同土质填筑路堤时，因土的性质不同如填筑方法不当，碾压成型后易造成不均匀性沉降。2.1.2.3 地下水的影响在地下水的交替作用下,路基土体内含水量反复变化,土体容重在一定范围内波动,更为重要的是由毛细管张力引起的负孔隙水压力可以达到相当的数值,再加上水的软化、润滑效应,可以使土体产生沉降变形。路基或地基中地下水的动态特征对路基不均匀沉降影响很大，路堤及其地基中的地下水主要补给来源有 3 种类型，即地下水侧向补给、降雨补给、地表水
22、侧向补给。其动态变化及潜蚀作用影响到土体中的有效应力分布、土体的结构特征和土体强度从而导致路基的不均匀沉降。2.2 路基强度高且刚度大以及均匀性要求高列车速度越高，要求路基的强度越高、刚度越大，弹性变形越小。但是路基刚度过大，会使列车振动加大而不能平稳运行，路基刚度的不均匀则会给轨道造成动态不平顺。研究表明：由刚度变化引起的列车振动与速度的平方成正比。因此，列车运行速度越高，要求路基的刚度越大、弹性变形小，在线路纵向做到刚度均匀、变化缓慢，不允许刚度突变。客运专线的路基基床厚度、填料要求、压实标准以及检测方法等要比铁路 I 级干线的要求高得多，对路基的填筑质量，引入了 、 、 等多项检测指标进
23、行联合控制。30K2vEd2.3 路基不均匀沉降的影响和危害2.3.1 路基不均匀沉降对铺轨施工的影响路基不均匀沉降会增加施工难度和施工强度，在铺轨时需要再度调整路基整体的高度使其达到统一，因扣减可调整量很小并要预先填高一定量为工后沉降留有空间以便达到设计标高，还要考虑未来行车后各不同时间段各路段不同土质以及路桥过渡段不同沉降量。23.1 路基对称将对高铁运营的危害路基是路面的基础,路基不均匀沉降必然会引起路面的不平整,导致路面产生许多病害,主要表现为坑凹、起拱、波浪、接缝台阶、碾压车辙、桥头或涵洞两端路面沉降、桥梁伸缩缝的跳车等,破坏了线路平顺通畅，不仅难以满足客运专线高速行驶的要求,而且还
24、会加大运输成本,增加运输时间,增加养护维修费用，减少使用寿命，降低社会经济效益，降低旅客舒适度，危及行车安全等。2.4 客运专线无砟轨道路基的填料要求针对快速铁路对填料及压实标准的高要求，一方面要在施工中积累资料，同时需要开展大量的室内外试验研究工作，研究制定填料适用性试验方法与判别标准，建立一套适合我国地域特点，适用于路基设计，施工的填料分类。由于地域不同，路基填料也千差万别，这就要求在勘测设计阶段和施工前对土源进行详细判别。工程实践表明，采用优质的填料可以减少路基的后期沉降，且有较高的安全储备，能保证路基稳定。国内外对高速铁路的路基沉降观测结果也表明，采用级配良好的粗颗粒填料可大大减少路堤
25、的后期沉降，因此，只要能满足上述要求者才可作为高速铁路路堤填料。铁路路基填料的分类主要依据土类和小于0.075mm细颗粒含量两个指标来划分的，并考虑与压实要求相关性质和适用条件分成A、B、C、D、E五个组，如表21所示。其中，D组为高液限粉土、粉质粘土、粘土，很少用作填料：E组为有机土类，不能作为填料。2-1 我国铁路路基填料分类组别填料 A组 B组 C组 碎石类级配良好的碎石、含土碎石级配不好的碎石、含土碎石，细粒含量为15%-30的土质碎石细粒含量大于30的土质碎石砾石类级配良好的粗圆砾、粗角砾、细圆 砾、细角砾，级配良好的含土粗圆砾、含土粗角砾、含土细圆砾、含土细角砾级配不好的粗圆砾、粗
26、角砾、细圆砾、细角砾，级配不好的含土粗圆砾、含土粗角砾、含土细圆砾、含土细角砾、细粒含量为15%-30% 的土质粗圆砾、土质粗角砾、土质细圆 砾、土质细角砾细粒含量大于1530的土质粗圆砾、土质粗角砾、土质细圆砾、土质细角砾砂类土 级配良好砾砂、粗砂、中砂，含土砾砂、含土粗砂、含土中砂级配良好细砂，级配不好的砾砂、粗砂、中砂、细粒含量大于15的含土砾砂，含土中砂，含土粗砂级配不好的细砂，含土细砂，粉砂细粒土 低液限粉土，粉质黏土，黏土路基填料和压实质量也是控制路基沉降的一个方面，填料选择和压实质量控制不好，将会加大路基的工后沉降或路基与结构物之间的不均匀沉降。国内有关客运专线及高速铁路的规范已
27、对无砟轨道路基填料及压实标准进行了严格的限定：基床表层采用级配碎石，基床底层采用A、B组填料或改良土；基床以下的路堤应优先选用A、B组填料和C组的块石、碎石、砾石类填料，当选用C组细粒土填料时应根据土源性质进行改良后填筑。设计施工中应严格限制填料粒径，特别是A、B组填料，个别线在施工过程中反映填料粒径过大(但满足规范要求的基床底层不大于10cm，基床以下不大于15cm)，填料难以达到压实标准，建议基床底层填料粒径不大于5cm，基床以下不大于10cm作为控制标准。 沿线土质较差地段宜首选远运粗粒土填筑路基，其次是物理改良和级配改良应慎用少用化学改良土，化学改良土从经济效应 、工期效应 、环保效应
28、等方面考虑都不宜大量采用，且填筑质量难以保证，化学改良土的水稳定性对路基本体压密沉降的影响程度很难预见。2.5客运专线无砟轨道路基填筑的压实标准铁路路基压实质量是保持线路稳定与平顺，保证列车能高速、安全运行的重要条件，而控制和检测压实质量的标准、方法和设备，则是保证压实质量的重要措施。客运专线铁路路基质量检测参数主要包括地基系数 ，动态模量30K，空隙率n(或压实系数K)，变形模量 四项指标。空隙率n是土体中空隙vdE2VE体积与土的三相体积的比值，而压实系数K是指工地碾压时达到的干容重与相应的击实试验得到的最大干容重之比，即相对理论压实的比例，均反映土体的松密程度；地基系数 ：是表示土体表面
29、在平面压力作用下产生的可压缩性的30K大小，是我国原有铁路规范对路基压实质量的强度检测指标；变形模量 是通2vE过圆形承载板和加载装置对地面进行第一次加载和卸载后，再进行第二次加载，测得的应力位移曲线上0.3 与0.7 之间的位移割线斜率确定，用来分max0ax0析土体的变形性质和承载能力；动态变形模量 是指土体在一定大小的竖向冲vdE击力 和冲击时间 作用下抵抗变形能力的参数，可直接用于评判路基的压实sFts质量。虽然地基系数值 是反映路基土强度及变形关系的参数，但试验的荷载30K沉降曲线是一次加载得出的，其沉降包括了填料的弹性变形和塑性变形。计算变形模量 的荷载-沉降曲线是在逐级加载后，逐
30、级卸载，再二次加载得出，30可认为其沉降(变形)消除了填料的塑性变形，测试结果离散性小，更能反映路基土的真实强度，比地基系数 更科学、更合理。静态变形模量 和地基系30K2VE数 都是采用小于300mm的静态平板载荷试验仪，通过在压实填土表面做静压30K试验测得，二者反映的都是静态应力作用下土体抵抗变形的能力，而铁路路基承受的是列车运行时产生的动荷载，采用 可以有效地反映列车在高速运行条vdE件下产生的动应力对路基的真实作用状况，是客运专线路基质量检测的发展方向。表2-2是客运专线路基填筑质量检测参数 、 ： 与三项指标的对比30K2vdE情况。表2-2 、 与 三项指标的对比302vEd项目
31、 K2v vdE载荷板直径 300 300 300预加载 0.01MPa（以前0.035MPa） 第二次加载 三次冲击荷载与地面接触耦合一般 好 差加载等级 0.04MPa 不少于6级动态施加脉冲宽度18ms项目 30K2vEvdE加载控制当1min 的沉降量不大于该级荷载沉降量的1% 时加下一级荷载120s 后加下一级荷载最大荷载或终止试验加载的标准总沉降量超过1.25 或荷载强度超过估计的现场实际最大接触压力，或达到地基屈服点0.5MPa 或沉降大于 5 7.07KN计算公式25.1/30sK为 曲线上s=1.25所对应的荷载Ev2=0.225/（ +1max02)为最大平均标准应max0
32、力， , 为待定系数12=22.5/s,svdE为实测荷载板下沉幅值26 客运专线无砟轨道路基沉降的控制理念在自重(包括轨道结构)和列车荷载的长期作用下，铁路路基避免不了会产生一定的下沉变形，铁路路基沉降组成及其相互关系如图 21 所示。从时间而言，路基沉降可分为路基在填筑过程中至竣工验收前所产生的沉降，以及路基在铺轨完成后所产生的沉降即所谓工后下沉。路基施工沉降是在路基施工过程中产生的沉降，不会影响实际的工程实施，因为总要填筑到设计标高后，才会进行铺轨工程的施工；工后沉降是指在铺轨工程全部结束后，整个路基结构物产生的沉降量，即为路基最终沉降量与铺轨完成时已有沉降量之差。由于工后沉降是指铺设无
33、砟轨道后出现的，因而不能通过路基工程本身加以克服的沉降，将会对后期的运营产生较大的影响，是路基沉降的重点控制对象。通常而言，铁路路基工后沉降一般由三部分组成：(1)路基填土在自重及上部荷载作用下产生的压密沉降； (2)路基基床在动荷载作用下的弹性变形和累积塑性变形； (3)地基在轨道、路堤自重及列车作用下的残余沉降。第一部分沉降与路堤填料和压实质量有密切关系，国外高速铁路的经验和实测资料表明，路堤填土压实压密沉降主要是与路基填筑施工的压实密度相关，该部分沉降一般在路堤竣工后一年左右时间内完成，若施工组织安排合理，并有一定的放置工期，路基本体的压密沉降可不计入工后沉降；第二部分沉降与列车轴重、运
34、行密度、轨道结构以及基床表层质量有关，由于高速铁路对路基基床结构提出了特殊要求，在列车动荷载作用下一般小于 5mm；第三部分是工后沉降的主要组成部分，特别是当地基为软弱粘性土时，沉降量大，完成时间长，如果不采取有效的控制措施，下沉量高达数十厘米，时间长达数十年，因此控制路基沉降主要是控制地基的工后沉降。图 2-1 铁路路基沉降组成及其相互关系2.7 客运专线无砟轨道路基沉降的控制要求客运专线路基作为无砟轨道结构的基础，对路基的沉降变形非常敏感，要求沉降控制在非常小的范围内。我国拟建的客运专线无砟轨道在汲取国外沉降控制经验的基础上，围绕线路运营、结构允许变形，从路基竣工后扣件可调整的总沉降量，2
35、0m 结构长度范围内的不均匀沉降、路基与桥涵之间差异沉降形成的错台，以及轨道结构单元之间形成的折角等多方面对路基变形都作出了严格规定，如表 2-3、表 2-4。表2-3 工后沉降及沉降差控制标准 一般情况允许工后均匀地基长路 基 顶 面 搞 成 变 化 曲 线一 次 严 密 曲 线一 次 +二 次 压 密 曲 线tsSS表 2-4 路基工后沉降控制标准设计速度kmh -1轨道结构类型一般地段工后沉降量mm过渡段工后沉降量mm沉降速率(mma)250 有砟轨道 100 50 30300350 有砟轨道 50 30 20250 300 350无砟轨道工后沉降l5mm；长度大于20 m沉降比较均匀路
36、基，工后沉降量30mm，且R sh0.4V sj 。路桥、路隧间差异沉降5 m，折角11000沉降 20m 允许工后沉降不均匀沉降 错台差异沉降 折角1530m205mm10第3章 路基沉降的控制客运专线路基沉降控制的主要目的是控制路基的工后沉降，以确保高速列车的行车安全，尽量满足旅客对舒适度的要求，并减少日常维修工作。3.1路基各种处理措施效果评价(1)垫层法垫层法是以灰土或素土做成垫层的处理方法，具有因地制宜、就地取材和施工简便等特点，使用较为广泛垫层施工时，应先将处理的湿陷性土挖出，然后利用挖出的粘性土或其他粘性土作为土料，经过筛分后，在最佳含水量的状态下，将其分层回填夯实，单层最大铺设
37、厚度不得大于30cm。(2)强夯法强夯法是一种适应性很强，既经济又简便的地基加固手段由于处理效果显著，成本低，已成为处理湿陷性地基广泛采用的一种方法一般采用l00200KN重锤，1020m落距，锤底直径为2.3 3.0m，锤底静压力值为2540kPa，湿陷性土层被消除的厚度可达36m夯点一般按正方形或梅花形网格排列，间距根据试夯时单点的侧向影响范围确定。湿陷性黄土经强夯后，其物理力学性质发生很大变化，土的结构也发生了变化；根据强夯前后各点的干容重可确定对应的压实系数，在夯点中心以下0.51.0m深度内土体密实度相对于1.02.0m深度小，一般在夯点中心以下1.02.0m深度内土体密实度最大，在
38、大部分区域，土的物理力学性质变化较大，其压缩性由夯前的高压缩性变为夯后的低压缩性，干容重由夯前12.813.9kNm 3增加到夯后16.417.2kNm 3，提高了23.728.1；孔隙比也显著降低，由夯前0.9671.126降为夯后0.5700.671，降低了40.441.1；承载力由夯前183189kPa增加到夯后的266328kPa，提高了45.473.5湿陷性消除效果的分析可知，天然状态下黄土的湿陷性系数均大于0.015，最大值为0.206在夯后地面一定深度范围内(1000kJ5m内：2000kJ6m内；3000kJ-7m内)黄土的湿陷性系数均小于0.015。(3)水泥搅拌桩水泥搅拌桩
39、复合地基作为地基加固新技术之一，它是利用水泥作为固化剂的主体，通过搅拌机械，将地基土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和土之间所产生的一系列物理化学反应，使土硬结成具有整性、水稳定性和一定强度的桩体，和桩周土共同构成复合地基借鉴软土地基处理的成功经验，提出了深层搅拌法加固饱和黄土地基的方法，加固后的地基承载力可提高一倍以上，工程费用比常用的混凝土灌注桩低2025，经济效益明显。根据工程实践经验，当黄土的含水量低于20时，搅拌桩边缘部分硬化尚可，越往中心硬化程度越差，到桩心时甚至变成干粉状，桩体水泥土密实度也低这是因为水泥粉在桩体土内的分布并不均匀，靠近桩芯水泥粉含量大，相应水化需水量也大再这由于土本
40、身含水量低，在水泥粉被搅入后水泥土非常干硬，不易搅匀和压实所以为保证桩体水泥土都能充分硬化和较高的密实度，土的含水量应大于20，若含水量在24以上更好(4)孔内深层强夯挤密法北京长城建筑新技术研究所将地基处理与砟土(无机固体垃圾)消纳结合起来，提出了孔内深层强夯挤密法(DDC技术)，它是先成孔，再向孔内填料以重锤在孔内进行冲击夯实，使填料向孔周侧向挤压，而形成一种复合地基此方法已在西安某自重湿陷性场地地基处理中应用，其特点：加固深度大，可达数十米；夯击能量大；桩体是不等径串珠状；填充材料很广泛(5)浅层阻水方案和深层散水方案以非饱和土的土水势原理和薄膜水运动理论为基础，提出了用浅层阻水方案和深
41、层散水方案解决深厚湿陷性黄土地基湿陷性交形的思路，具有较好的应用前景浅层阻水方案是利用非饱和土土水势原理，在深厚湿陷性黄土层的一定深度设置一薄砂层，将地基中可能渗人的水分尽可能保持在经处理已消除湿陷的上部土层孔隙中，并大大减小未处理的深层大厚度湿陷性黄土层的增湿水量和增湿变形深层散水方案是将浸入地基的水通过一定的竖井(需防渗处理)引向深厚湿陷性黄土层的深层，使其以薄膜水的方式向四周散开，在深层形成一定范围但不致危及基础工作的湿润区，由于保持了基础下土的天然湿度和结构，使之具有原状黄土较高的自然强度。(6)灰土桩挤密法灰土桩挤密法在湿陷性黄土地基处理中，是采用最广泛的地基处理方法之一，它能有效地
42、消除大厚度黄土的湿陷性，与其它处理方法比较，灰土桩挤密法具有不需大量开挖和回填、所用施工机械简单、处理费用低、处理深度深(达515m)等特点，这是其它处理方法(如重锤夯实法、强夯法)所难以达到的。除了消除黄土湿陷性外，灰土桩与挤密土一起构成复合地基，提高了地基强度，减小地基变形，改善了黄土地基的工程特性。土中掺入石灰后产生吸水和膨胀作用、土和石灰的离子交换反应、土和石灰的胶泥反应、石灰与碳酸气体产生碳酸化作用等改善了土的工程性质，提高了灰土桩的混合土强度，并且具有一定的水稳性(7)冲击压实技术冲击压实技术主要是利用运动中的三叶或五叶凸形轮，来产生瞬间的竖向振动荷载，振动荷载向路基快速传递能量，
43、传给路基的能量是压缩波、剪切波和瑞利波联合传递的压缩波的质点运动是属于平行波阵面方向的一种拉压运动，这种波使孔隙水压力增大，土的结构发生变化，由疏松变为紧密；剪切波使解体的土颗粒移动、错位，这样多次重复，使土颗粒处于密实状态：而瑞利波的质点运动则是由水平和竖向分量组成，在有效加固深度范围内使士颗粒形成紧密的排列。该方法于1995年从南非引进，成功应用予香港机场，后来在华北，西南等地区已有使用，后来在国道主干线连云港至霍尔果斯某区段中使用。目前在黄土地区主要用于处理湿陷性黄土地基和黄土路基的补强。冲击压实处理湿陷性黄土地基，即直接在路堤基底、零填路基或路堑路床进行冲击碾压作业。根据甘肃某项目的试
44、验结果，采用25KJ三边形冲击压实机对天然湿陷性黄土地基冲碾40遍后，地表平均下沉量达32cm以上，地表以下80cm内的平均压实度达85，消除湿陷性深度可达120cm以上。3.2影响路基沉降的原因3.2.1影响沉降稳定的自然因素3.2.1.1 地形地形不仅影响路线的选定与线形设计也影响到路基设计。平原、丘陵、山岭各区地势不同，各区的水和温度的情况也不相同。平原区地势平坦，地面水易于积聚，地下水水位较高，因此路基需要保持一定的最小填土高度，力求不低于自然区划和土质所规定的临界高度：丘陵区地势起伏，山岭区地势陡峭。如果排水设计不当，或地质情况不良，易降低路基的强度与稳定性，出现水毁、边坡坍方、路堤
45、沿山坡的滑动等坏现象。3.2.1.2 气候气候条件，如气温、降水、湿度、冰冻深度、日照、年蒸发量、风向和风力等，都影响路基水温情况。在一年之中气候有季节性的变化，因此路基水温情况也随之变化。气候还受地形的影响，例如山顶与山脚、山南与山北，就有所不同。即所谓“小区地形与小区气候”因此路基水温情况也有所差异。大气的温度变化使路基的温度也发生相应的变化并造成土基内不同深度处温度出现差异。在温度差的影响下，土基中的水分以液态或气态由热处向冷处转移，并积聚或凝结在该处。从而使土基中的湿度分布发生变化特别是在季节性冰冻地区，湿度积聚现象更为严重。3.1.1.3 水文地质水文条件指地面径流、河流洪水位、常水
46、位及其排泄条件、有无积水和积水期的长短以及河岸的冲刷和淤积情况等。水文地质条件指地下水位、地下水移动情况、有无泉水、层间水等。所有这些。都会影响路基的稳定性，如处理不当，往往会导致路基出现各种病害。3.2.2影响沉降稳定的人为因素3.2.2.1 荷载作用作用于路基的荷载有路面路基的自重(静载)和机车的轮重(动载)。静载在土基内部产生的应力随深度的增加而增加；相反，动载在土基内部产生的应力随深度的增加而减少。且车型不同动载在土基内部的应力作用深度也不相同。随着交通运输的蓬勃发展，交通量逐年增长，在很大程度上影响路基的稳定性。3.2.2.2 施工方法正确的施工方法也是保证路基稳定性的重要因素。就土
47、质路堤而言，既要选择良好的土填筑路基，同时还要选用正确的填筑方法和合适的施工机械。通常采用水平分层填筑法自下而上逐层填筑，并在土的含水量控制于最佳范围同时进行充分压实。保证达到路基施工规范规定的压实度，使路基具有足够的强度和稳定性。相反，如果填筑方法不正确，压实不充分。土基在车辆荷载的重复作用下就会出现不同程度的变形沉陷。从而造成路面破坏。3.2.2.3 养护措施养护措施包括一般措施及在设计、施工中未及时采用而在养护中加以补充的改善措施。通过及时养护可以保证路基在使用期限内具有较高的强度和稳定性。3.3湿陷性黄土路基处理方法及效果评价3.3.1试验段工程第几处理方法 试验段工程地基处理方法对湿
48、陷性黄土的地基处理应达到两个目的，其一是消除处理范围内的湿陷性，其二是提高地基承载力，提高地基的变形模量，减少压缩(固结) 变形试验段采用多种地基处理方法，改变黄土结构，增加土密度，达到消除黄土的湿陷性的目的。首先进行局部地表处理，挖除耕植土后，换填改良土和冲击碾压进行加固处理， 再采用桩基和碎灰土垫层处理，同时辅以土工布和土工格栅。坑墓穴处，先挖出松土，再用灰土夯填，然后再用钻灌注水泥砂浆进行填实处理。33.2地基处理效果方法对湿陷性黄土地基处理的成功经验地分析研究得出：当湿陷性黄土厚度不大于3m时，灰土垫层种经济有效 的方法(但一般需要较大的翻挖地，不利于冬、雨季施工) 。深度相对较大(4
49、6m且环境影响要求较低时，可选择强夯法，但它的有效性与夯击的最佳击数(912击)、夯锤的底面积(锤重l0 15t，锤底面上静压力宜为2025 kPa )、及地基土的含水量 (最好为最优含水量附近)有关更大深度(大于8m) 宜选择挤密桩(孔内填以灰土或素土)、搅拌桩或 CFG桩，这些是处理厚湿陷性黄土地基的经济有效的方法，而且对调整地基的不均匀性和提高防水抗渗性能也有一定的作用。因此在条件允许的情况下， 在试验段进行现场试验和长期观测， 能更好地把握地基处理效果和路基变形规律。3.3.3湿陷性黄土路基的沉降控制措施(1) 对试验段湿陷性黄土、松软土、地震液化土段地基，根据初步设计采用换填、强夯、灰土挤密桩、CFG桩、水泥搅拌桩 、旋喷桩、碎石土垫层加铺土工格栅等多种地基处理方法进行加固，消除黄土的湿陷性和地震液化土的液化性 ，并对松软土进行加固经检测达到京沪高速铁路设计暂行规
