1、毕业设计（论文）专用纸- 1 -摘要为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，客运专线路基工后沉降控制标准越来越高。本文主要介绍了铁路路基沉降的控制标准，影响铁路路基沉降的因素以及控制铁路路基沉降的控制方法。建立了有限元模型，模拟逐级加荷条件下路基的沉降变形，为路基填筑施工控制提供了科学的参考；分析轨道与列车荷载特点，对轨道、列车荷载在稳定、沉降计算中的考虑方式与简化形式提出了建议，同时用分离式和复合模量两种方法对某高速铁路客运专线段复合地基加固路基在列车荷载作用下的沉降特性进行了有限元分析，计算结果验证了黄土复合地基刚度加固设计的可靠性；介绍了沉降设施的布置原
2、则和技术要求及工后沉降量推算计算方法；以武广铁路客运专线实测数据为基础，分析了超载预压路基沉降规律及特征，总结了与之相适应的评估技术要求和经验；通过对各种基础形式的荷载传递特性、复合地基的形成条件等内容的研究，提出客运专线路基沉降控制分析应根据路堤基底垫层形式、加固桩的类型，采用复合地基或复合桩基理论进行；对管桩网结构复合地基的变形特征和影响因素进行了分析。关键词：沉降控制；路堤填筑；列车荷载；超载预压；复合地基毕业设计（论文）专用纸- 2 -AbstractTo ensure high-speed train traffic safety, to meet the requirements
3、of visitors comfort and reduce routine maintenance work: the controlling standards of the post construction settlement of passenger dedicated line is increasingly . the article briefly introduces the standard of the control of the railway embankment settlement, the factors of affecting the railway e
4、mbankment settlement and controlling methods for the settlement of the railway . The article establish finite element model to simulate the subgrade under the conditions of Progressive Loading Settlement , then provide a scientific reference for construction control of embankment filling . It analys
5、ises the characteristics of the track and the train loading , consider the form of recommendations on the track, the train load in the stability of settlement calculation and simplified way . At the same time it finite element analysis to a high-speed dedicated passenger railway embankment section o
6、f Composite Foundation under train load settlement characteristics with two ways separate and composite modulus . The results verify the loess composite foundation stiffness reliability of reinforcement . The article briefly introduces the foundation principles and technical requirements , and the a
7、mount of settlement . It analysises of the Settlement Law of surcharge preloading and features and summarizes the corresponding assessment of technical requirements and experience based on the dedicated to the measured data Wuhan-Guangzhou Passenger . Based on the studying for various forms of load
8、transfer characteristics of the formation of composite ground conditions , it Proposes subgrade settlement control analysis should be based on embankment cushion form, the type of pile reinforcement . The ground deformation characteristics and influencing factors are analyzed in the complex structur
9、e of pipe network .Key words: settlement controlling ; filling embankment ; train load ; Surcharge preloading ; the cushion form of the embankment base毕业设计（论文）专用纸- 3 -目录第 1 章 绪论 - 5 -1.1 我国铁路桥梁建设现状 - 5 -1.2 课题研究的意义 - 5 -第 2 章 路基沉降控制标准 - 6 -2.1 路基沉降控制的目的 - 6 -2.2 路基沉降控制的标准 - 6 -第 3 章 影响路基沉降因素 - 7 -3.
10、1 路堤填筑 - 7 -3.1.1 工程概况 - 7 -3.1.2 逐级加荷有限元模型的建立 - 8 -3.1.2.1 建立有限元分析模型 - 8 -3.1.2.2 计算参数 - 9 -3.1.2.3 路基逐级填筑的模拟 - 10 -3.1.3 数值计算结果分析 - 11 -3.1.3.1 模拟计算结果与实测沉降比较 - 11 -3.1.3.2 有限元模拟施工水平及竖向位移 - 12 -3.2 列车运行 - 13 -3.2.1 列车荷载作用下的稳定验算与沉降计算 - 13 -3.2.2 列车荷载作用下的复合地基的沉降特性分析 - 14 -3.2.2.1 某工程概况及参数 - 14 -3.2.2
11、.2 分析方法 - 15 -3.2.2.3 计算模型及荷载 - 16 -3.2.2.4 计算结果分析 - 17 -第 4 章 路基沉降控制方法 - 18 -4.1 路基沉降观测 - 18 -4.1.1 路基沉降观测的目的 - 18 -毕业设计（论文）专用纸- 4 -4.1.2 沉降观测装置的布置原则 - 18 -4.1.3 沉降观测装置的埋设 - 18 -4.2 超载预压 - 20 -4.2.1 超载预压法 - 20 -4.2.2 典型超载预压段的变形特征 - 20 -4.2.3 沉降变形分析评估的技术要求和经验 - 22 -4.3 复合地基 - 23 -4.3.1 复合地基的定义与本质 -
12、23 -4.3.2 客运专线路基地基加固常用形式与分析 - 25 -4.3.3 复合地基沉降量计算 - 25 -第 5 章 结论 - 27 -致谢 - 28 -参考文献 - 29 -毕业设计（论文）专用纸- 5 -第 1 章 绪论1.1 我国铁路桥梁建设现状铁路桥梁是一种功能性的建筑物。我国自改革开放以来，铁路桥梁建设得到了飞速的发展，对改善人民的生活环境，改善投资环境，促进经济的腾飞，起到了关键性的作用。我国铁路桥梁的建设正处于一个迅速发展的阶段，从材料的开发应用、科研成果的应用，到设计水平、制造水平、施工技术水平的提高，都越来越与铁路桥梁建设的规模相适应。目前我国在建的铁路桥梁，无论从建设
13、跨度、建设规模，还是建设难度、建设水平都达到了一个新的高度。我国先后建成了武汉长江大桥（1957 年建成）、南京长江大桥（1968 年建成）、九江长江大桥（1993 年建成，位于江西九江）和芜湖长江大桥（2000 年建成，位于安徽芜湖）4 座里程碑式的公铁两用特大钢桥，实现了全部自行设计、制造和施工。目前正在兴建的武汉天兴洲长江大桥（位于湖北武汉）是当今世界跨度第一的公铁两用斜拉桥（主跨为 504m），是世界上第一座按四线铁路修建的大跨度客货公铁两用斜拉桥。这几座标志性桥梁的建设，显示了我国当前在公铁两用桥梁建设方面已经具备了世界先进水平。1.2 课题研究的意义桥梁建设飞速发展的同时，旅客对火
14、车平稳舒适度要求也逐渐提高，这必然要求逐渐提高铁路桥梁路基沉降控制的标准，但是目前的地基处理理论与设计方法主要事针对传统的软弱土地基，并不完全适合铁路桥梁路基工后沉降的设计计算与地基加工处理，为确保告诉列车的行车安全，尽量满足旅客对舒适度的要求，并减少日常维修工作，应提出更合理沉降变形控制体系。毕业设计（论文）专用纸- 6 -第 2 章 路基沉降控制标准2.1 路基沉降控制的目的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。所谓路基的工后沉降，是指轨道工程铺设后在路基荷载和列车荷载作用下，路基发生的剩余沉降，即最终形成的总沉降量与路基竣工铺轨开始时的沉降量之差。
15、2.2 路基沉降控制的标准客运专线路基工后沉降控制标准的确定，既要考虑列车对路基的要求及线路维修能力，也要考虑前期建设投资与后期养护费用的经济比较，在保证客运专线列车高速、安全与平稳运行的前提下，应取得经济上的合理平衡。目前，我国客运专线建设建设实践中采用的工后沉降控制标准如表 1 所示。表 1 路基工后沉降控制标准设计速度/(km/h) 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（mm/a）250 有砟轨道 100 50 30300/350 有砟轨道 50 30 20250/300/350 无砟轨道 工后沉降量15mm；长度大于 20m 沉降比较均匀路基，工后沉降量
16、30mm，且 0.4 。shR2sjV路桥、路隧间差异沉降5mm，折角1注： 轨面圆顺的竖曲线半径（m）； 设计最高速度（km/h）。shRsjV从表 1 可以看出，同普通铁路、高速公路相比较，客运专线（特别是无砟轨道客运专线）路基工后沉降控制标准要严格得多。因此，在路基工后沉降控制设计中，除传统的软土、松软土地基外，还需对可能发生较大沉降变形或不均匀沉降的其他土质地基进行必要的分析计算和加固处理。毕业设计（论文）专用纸- 7 -第 3 章 影响路基沉降因素路堤填筑和列车运行是影响路基沉降的两个主要因素。理论上讲路堤填筑或列车运行必然引起地基内附加应力产生，从而使地基土层压缩变形引起路基下沉。
17、3.1 路堤填筑路堤是路基的主要结构型式之一。路堤的稳定与沉降关系到路堤是否能完成其预定功能的重要条件，也是路堤设计的主要内容。随着我国高等级铁路建设不断向山区延伸，会越来越多地遇到在斜坡地基上填筑路堤的工程问题，对于此类问题，路基失稳和不协调变形是两种种常见病害。路基沉降施工控制是公路修建质量的重要保证常规的路基体应力变形计算中，假定路基体一次到，荷载一次施加，则荷载的每一部分都由全结构来承。而实际上，路堤或者路堤逐级加荷过程中，施工到一高度，只有该高度以下已填筑土体来承担这部分载，对尚未填筑的上层土体没有任何作用，上层土体受下层土体的影响 。下面结合河南省岭南高速公路路基断面监测成果，探讨
18、了逐级填筑作用下路基沉降变形数值仿真技术。3.1.1 工程概况以河南岭南高速公路第六标段里程K16+675处横断面填方路基工程为研究对象进行观测，编号01，该处路基原地面标高为2l1.646m，需填筑4m。填料为风化碎石，具有一定的代表性。路堤段为低山区，岩性为元古界黑云斜长片石夹斜长角闪片石，第四系坡洪积碎石土、砂砾土。无不良岩土。片岩表面强风化，风化层厚510m。在该断面的路中和左右路肩分别埋设有沉降板，如图1所示。通过监测发现在施工填筑期，地基沉降较快，尤其是沉降板cjl，由于其靠近农田，地基下土层为较厚的硬粘性土层，施工期间的总沉降量和沉降速率均稍偏大，最大沉降速率达11mmd，发生在
19、填筑高度为4.0m时，总沉降毕业设计（论文）专用纸- 8 -达100mm；沉降板cjl3靠近一个山坡，其下的地基土质较好，为粉土质砂，因此沉降速率和总沉降量都比较小。填筑期间通过边桩监测到左侧地面略有上升。图1 填方路基断面沉降观测元件布置图(单位：m)3.1.2 逐级加荷有限元模型的建立采用有限元软件PLAXIS82进行计算，其功能为仿真分析土体在非线性或者与时间相关状态下的行为。可模拟岩土及混凝土材料，模拟逐级加荷条件下路基的变形过程，而且还可以得到路基在各级荷载作用下地基不同位置的应力、应变数值和图形。3.1.2.1 建立有限元分析模型建模的过程就是对实体进行有限元单元网格划分并定义材料
20、的性质。采用自动网格划分法，在路堤土和地基土的接触面以及地基土和基岩的接触面上采用共节点单元处理。考虑到材料的非线性性质，塑性变形区域采用足够的网格密度。(1)计算区域的选定所选路基断面为非对称，该断面左侧地基土为较深厚的粘土层(麦田)，右侧地基土为粉质砂土，附近为一山坡。计算中地基深度方向取填筑高度的4倍，约21m；长度方向取路堤底面的4倍为180m。(2)边界条件的确定如图2按照平面应变建立有限元模型。边界条件为左右两侧水平约束，下部固定，上部为自由边界。根据高路基填筑的具体情况，可将其划分为如图2所示的3个区域。图中A区为路堤填筑体，B区为地基土，C区为基岩。毕业设计（论文）专用纸- 9
21、 -图2 路基横截面分区及边界条件示意图(3)单元划分类型的选择对于2D有限元分析(该文为平面应变问题)，软件可以选择6节点或者15节点三角形单元。6节点单元划分是程序默认的网格划分方式，单元的插值为二阶，单元刚度矩阵是通过3个高斯点进行数值积分计算得到的。l5节点三角形单元是一种非常精确的单元，对各类问题能得出精度很高的应力计算结果。单元的插值为四阶，积分过程采用12个高斯点。结构单元和界面单元类型将自动和土单元类型相匹配。使用15节点三角形单元需要较大的内存，计算和运行相对较慢。主要用于对应力结果要求非常高的2D有限元分析，6节点三角形单元对于很多问题的计算精度要求已经足够。网格的生成是基
22、于稳定的三角分割程序，形成的是“非结构化”网格。这些网格看上去可能较混乱，但是其数值计算一般优于规则(结构化)网格。计算分析选用6节点平面三角形单元进行计算。3.1.2.2 计算参数结合河南岭南高速公路工程地质勘察资料和粗颗粒室内大尺寸试验成果，并参考国内相关文献，计算所用参数指标如表2所示。表2 有限元模拟计算参数表毕业设计（论文）专用纸- 10 -3.1.2.3 路基逐级填筑的模拟在路堤的填筑过程中，填筑体的荷载不是一次性施加的，反映在有限元的建模过程，也采用分层填筑的实际模拟算法，逐层进行计算，每层填筑体施加时，将其所有材料参数和几何模型激活，进入计算步，如此直到计算结束。并将计算值与实
23、际观测的每层沉降进行对比分析。用分步施工功能实现路基的分层填筑。分步施工是荷载输入最重要的类型，它的一个特点就是允许通过关闭或再次激活在几何图形输入里建立的荷载、块类组或结构对象，来修改几何图形和荷载设置。分步施工可以对各种加载、施工和开挖过程进行较准确和符合实际的模拟。这一选项还可以用来对材料数据组重新赋值，或者在几何图形里修改水压分布。要执行分步施工计算，首先要建立一个几何模型，它包含了计算要用到的全部对象。那些在计算一开始不需要用到的对象，应当在输入程序结束时的初始几何构造里关闭来模拟实际工程问题，如路基填筑、开挖隧道、桥梁施工等。要达到关闭结构对象的效果，程序并不是将“关闭”的单元从模
24、型中删除，而是将其刚度(或传导，或其他分析特性)矩阵乘以一个很小的因子，关闭的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效(但仍然在实际的单元载荷中出现)。同样，关闭单元的质量和其他类似效果也设为0值。关闭单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。单元的应变在“关闭”的同时也将设为0。与上面的过程相似，如果使单元处于“激活”的状态，并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。用户必须在建模时生成所有单元，包括后面要被激活的单元。在求解器中不能生成新的单元，要“加入”一个单元，先关闭它，然后在合适的载荷步中重新激活它。当一个单元被重新激活时，其刚度、质量、单元载荷等将恢复其原始的数值。重新激活的单元没有应变记录。施工断面采用“分层轮加法”施工，每次填筑5060 cm，对有限元计算而言，相当于单元数目随着施工进程逐步增加，若严格按照每次填筑高度划分单元，虽然更精确地模拟了施工过程，但势必大大增加单元数目及计算工作量。
