畢業論文-客運專線鐵路沉降位移觀測(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 28 參考文獻 29 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 5 第 1 章 緒論 我國鐵路橋梁建設現狀 鐵路橋梁是一種功能性的建筑物。我國自改革開放以來，鐵路橋梁建設得到了飛速的發展，對改善人民的生活環境，改善投資環境，促進經濟的騰飛，起到了關鍵性的作用。 我國鐵路橋梁的建設正處于一個迅速發展的階段，從材料的開發應用、科研成果的應用，到設計水平、制造水平、施工技術水平的提高，都越來越與鐵路橋梁建設的規模相適應 。目前我國在建的鐵路橋梁，無論從建設跨度、建設規模，還是建設難度、建設水平都達到了一個新的高度。我國先后建成了武漢長江大橋（ 1957 年建成）、南京長江大橋（ 1968年建成）、九江長江大橋（ 1993 年建成，位于江西九江）和蕪湖長江大橋（ 2021 年建成，位于安徽蕪湖） 4 座里程碑式的公鐵兩用特大鋼橋，實現了全部自行設計、制造和施工。目前正在興建的武漢天興洲長江大橋（位于湖北武漢）是當今世界跨度第一的公鐵兩用斜拉橋（主跨為 504m），是世界上第一座按四線鐵路修建的大跨度客貨公鐵兩用斜拉橋。這幾座標志性橋梁的建設，顯 示了我國當前在公鐵兩用橋梁建設方面已經具備了世界先進水平。 課題研究的意義 橋梁建設飛速發展的同時，旅客對火車平穩舒適度要求也逐漸提高，這必然要求逐漸提高鐵路橋梁路基沉降控制的標準，但是目前的地基處理理論與設計方法主要事針對傳統的軟弱土地基，并不完全適合鐵路橋梁路基工后沉降的設計計算與地基加工處理，為確保告訴列車的行車安全，盡量滿足旅客對 舒適度的要求，并減少日常維修工作，應提出更合理沉降變形控制 體系。 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 6 第 2 章 路基沉降控制 標準 路基沉降控制的目的 客運專線路基沉降控制的主要目的是控制路 基的工后沉降，以確保高速列車的行車安全。所謂路基的工后沉降，是指軌道工程鋪設后在路基荷載和列車荷載作用下，路基發生的剩余沉降，即最終形成的總沉降量與路基竣工鋪軌開始時的沉降量之差。 路基沉降控制的標準 客運專線路基工后沉降控制標準的確定，既要考慮列車對路基的要求及線路維修能力，也要考慮前期建設投資與后期養護費用的經濟比較，在保證客運專線列車高速、安全與平穩運行的前提下，應取得經濟上的合理平衡。 目前，我國客運專線建設建設實踐中采用的工后沉降控制標準如表 1 所示。 表 1 路基工后沉降控制標準 設 計速度 /(km/h) 軌道結構類型 一般地段工后沉降量 /mm 過渡段工后沉降量 /mm 沉降速率（ mm/a） 250 有砟軌道 100 50 30 300/350 有砟軌道 50 30 20 250/300/350 無砟軌道 工后沉降量 ≤ 15mm；長度大于 20m 沉降比較均勻路基，工后沉降量 ≤ 30mm，且 shR ≥ 2sjV 。 路橋、路隧間差異沉降 ≤ 5mm，折角 ≤ 1‰ 注： shR —— 軌 面圓順的豎曲線半徑（ m）； sjV —— 設計最高速度（ km/h）。 從表 1 可以看出，同普通鐵路、高速公路相比較，客運專線 （ 特別是無砟軌道客運專線 ） 路基工后沉降控制標準要嚴格得多。因此，在路基工后沉降控制設計中，除傳統的軟土、松軟土地基外，還需對可能發生較大沉降變形或不均勻沉降的其他土質地基進行必要的分析計算和加固處理。 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 7 第 3 章 影響路基沉降因素 路堤填筑和列車運行是影響路基沉降的兩個主要因素。理論上講 路堤填筑或列車運行必然引起地基內附加應力產生，從而 使地基土層壓縮變形引 起路基下沉。 路堤填筑 路堤是路基的主要結構型式之一。路堤的穩定與沉降關系到路堤是否能完成其預定功能的重要條件，也是路堤設計的主要內容。隨著我國 高等級鐵路 建設不斷向山區延伸，會越來越多地遇到在斜坡地基上填筑路堤的工程問題，對于此類問題，路基失穩和不協調變形是 兩種種常見病害。 路基沉降施工控制是公路修建質量的重要保證常規的路基體應力變形計算中，假定路基體一次到，荷載一次施加，則荷載的每一部分都由全結構來承。而實際上，路堤或者路堤逐級加荷過程中，施工到一高度，只有該高度以下已填筑土體來承擔這部分載， 對尚未填筑的上層土體沒有任何作用，上層土體受下層土體的影響 。 下面 結合河南省嶺南高速公路路基斷面監測成果，探討了逐級填筑作用下路基沉降變形數值仿真技術 。 工程概況 以河南嶺南高速公路第六標段里程 K16+675處橫斷面填方路基工程為研究對象進行觀測，編號 01，該處路基原地面標高為 ，需填筑 4m。填料為風化碎石，具有一定的代表性。路堤段為低山區，巖性為元古界黑云斜長片石夾斜長角閃片石，第四系坡洪積碎石土、砂礫土。無不良巖土。片巖表面強風化，風化層厚 5～ 10m。在該斷面的路中和左右路肩 分別埋設有沉降板，如圖 1所示。通過監測發現在施工填筑期，地基沉降較快，尤其是沉降板 cjl，由于其靠近農田，地基下土層為較厚的硬粘性土層，施工期間的總沉降量和沉降速率均稍偏大，最大沉降速率達 11mm／ d，發生在填筑高度為 ，總沉降達畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 8 100mm；沉降板 cjl3靠近一個山坡，其下的地基土質較好，為粉土質砂，因此沉降速率和總沉降量都比較小。填筑期間通過邊樁監測到左側地面略有上升。 圖 1 填方路基斷面沉降觀測元件布置圖 (單位： m) 逐級加荷有限元模型的建立 采用有限元軟件 PLAXIS8． 2進行計算，其功 能為仿真分析土體在非線性或者與時間相關狀態下的行為?？赡M巖土及混凝土材料，模擬逐級加荷條件下路基的變形過程，而且還可以得到路基在各級荷載作用下地基不同位置的應力、應變數值和圖形。 建立有限元分析模型 建模的過程就是對實體進行有限元單元網格劃分并定義材料的性質。采用自動網格劃分法，在路堤土和地基土的接觸面以及地基土和基巖的接觸面上采用共節點單元處理?？紤]到材料的非線性性質，塑性變形區域采用足夠的網格密度。 (1)計算區域的選定 所選路基斷面為非對稱，該斷面左側地基土為較深厚的粘土層 (麥田 )，右側地基土為粉質砂土，附近為一山坡。計算中地基深度方向取填筑高度的 4倍，約 21m；長度方向取路堤底面的 4倍為 180m。 (2)邊界條件的確定 如圖 2按照平面應變建立有限元模型。邊界條件為左右兩側水平約束，下部固定，上部為自由邊界。根據高路基填筑的具體情況，可將其劃分為如圖 2所示的 3個區域。圖中 A區為路堤填筑體， B區為地基土， C區為基巖。 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 9 圖 2 路基橫截面分區及邊界條件示意圖 (3)單元劃分類型的選擇 對于 2D有限元分析 (該文為平面應變問題 )，軟件可以選擇 6節點或者 15節點三角形單元。 6節點單元劃分是 程序默認的網格劃分方式，單元的插值為二階，單元剛度矩陣是通過 3個高斯點進行數值積分計算得到的。 l5節點三角形單元是一種非常精確的單元，對各類問題能得出精度很高的應力計算結果。單元的插值為四階，積分過程采用 12個高斯點。結構單元和界面單元類型將自動和土單元類型相匹配。使用 15節點三角形單元需要較大的內存，計算和運行相對較慢。主要用于對應力結果要求非常高的 2D有限元分析， 6節點三角形單元對于很多問題的計算精度要求已經足夠。網格的生成是基于穩定的三角分割程 序，形成的是“非結構化”網格。這些網格看上去可能較混亂， 但是其數值計算一般優于規則 (結構化 )網格。計算分析選用 6節點平面三角形單元進行計算。 計算參數 結合河南嶺南高速公路工程地質勘察資料和粗顆粒室內大尺寸試驗成果，并參考國內相關文獻，計算所用參數指標如表 2所示。 表 2 有限元模擬計算參數表 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 10 路基逐級填筑的模擬 在路堤的填筑過程中，填筑體的荷載不是一次性施加的，反映在有限元的建模過程，也采用分層填筑的實際模擬算法，逐層進行計算，每層填筑體施加時，將其所有材料參數和幾何模型激活，進入計算步，如此直到計算結束。并將計算值與實際觀測的每層沉降進行對比分析。用分步施工功能實現路基的分層填筑。 分步施工是荷載輸入最重要的類型，它的一個特點就是允許通過關閉或再次激活在幾何圖形輸入里建立的荷載、塊類組或結構對象，來修改幾何圖形和荷載設置。分步施工可以對各種加載、施工和開挖過程進行較準確和符合實際的模擬。這一選項還可以用來對材料數據組重新賦值，或者在幾何圖形里修改水壓分布。要執行分步施工計算，首先要建立一個幾何模型，它包含了計算要用到的全部對象。那些在計算一開始不需要用到的對象，應當在輸入程序結束時的初始幾何構造里關閉來模擬實際工程問題，如路基填筑、開挖隧道、橋梁施工等。 要達到關閉結構對象的效果，程序并不是將“關閉”的單元從模型中刪除，而是將其剛度 (或傳導，或其他分析特性 )矩陣乘以一個很小的因子，關閉的單元載荷將為 0，從而不對載荷向量生效 (但仍然在實際的單元載荷中出現 )。同樣，關閉單元的質量和其他類似效果也設為 0值。關閉單元的質量和能量將不包括在模型求解結果中。單元的應變在“關閉”的同時也將設為 0。 與上面的過程相似，如果使單元處于“激活”的狀態，并不是將其加到模型中，而是重新激活它們。用戶必須在建模時生成所有單元，包括后面要被激活的單 元。 在求解器中不能生 成新的單元，要“加入”一個單元，先關閉它，然后在合適的載荷步中重新激活它。 當一個單元被重新激活時，其剛度、質量、單元載荷等將恢復其原始的數值。重新激活的單元沒有應變記錄。 施工斷面采用“分層輪加法”施工，每次填筑 50～ 60 cm，對有限元計算而言，相當于單元數目隨著施工進程逐步增加，若嚴格按照每次填筑高度劃分單元，雖然更精確地模擬了施工過程，但勢必大大增加單元數目及計算工作量。 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 11 數值計算結果分析 模擬計算結果與實測沉降比較 對分層填筑的施工過程進行模擬，在每層荷載作 、 用下， 計算該層下各填筑體以及路基和基巖的整體變形，并將此計算結果與實測數據進行對比。該填筑體共分 5層填筑，每層填筑高度相等。高填方路基在分層填筑的過程中，有限元模擬施工沉降的計算結果與實測沉降的結果比較如圖 3所示。根據計算結果可知，有限元計算的結果比實測結果偏小。 經過計算，沉降板所埋設位置處， 3點的總沉降量分別為： 7 3 23 mm。 cj1的模擬結果與實測結果開始比較接近，誤差有逐漸加大的趨勢，最大差值達到 22 ，這是因為沉降板 Cjl中間被撞斷一次，后雖又接上，卻帶來一定的誤差。 cj2的模擬結果與實測結果 比較接近，施工過程中，沉降觀測設備的保護較好。 cj3的模擬結果與實測結果總體趨勢一致，模擬結果略小于實測結果，可見采用有限元法實現分級加載的模擬有較高的可信度。 從圖 3可以看出，采用有限元軟件對模擬出的沉降結果比實測結果小，而且施工前期很小，但隨著施工進程日趨增大。這是因為隨著施工的進行，應力水平不斷提高，另外根據地質資料獲取的計算參數也難以完全地反映現場實際情況，導致誤差累積。 (a)cj1 （ 2） cj2 (3)cj3 圖 3 沉降板有限元模擬結果與實測結果對比圖 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 12 有限元模擬施工水平及豎向位移 通過有限元模擬得到了該路基水平位移、豎向位移云圖如 5所示，相對剪應力圖如圖 6所示。 由圖 5可以看出，由于左側路基下地基有較厚的粘性土層，豎向位移和水平位移均較大，地質條件的差異導致整個路基斷面的差異沉降很大。建議后續施工中考慮左側路基沉降較大，應稍微加厚鋪筑厚度，以平衡差異沉降，同時應延長每層填筑之間的停歇時問， 使 其充分沉降。 圖 4 有限 元 模擬水平位移云圖 圖 5 有限元模擬豎向位移云圖 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 13 圖 6 有限元模擬相對剪應力圖 受右側山體影響，最大剪應力出現在路基中部和左側坡腳處，但是未出現剪切破壞情況。對斜坡地基上的路堤，塑性區發源于路堤與地基的交界部位，隨路堤的填筑逐漸向上擴展，且塑性區面積在上部也逐漸增大，而在下部則主要分布于路堤與地基的接觸面處。 在填筑加載期，坡腳處由于路堤填筑的加載作用有隆起現象，某級荷載填筑完畢后，該處即發生隆起，一旦重新填筑，該處又有新的隆起，這與實際情況相符。 列車運行 列車荷載作用下的穩定驗算與沉降計算 對行駛列車的荷載，在穩定驗算與沉降計算方面是應該區別對待的。對穩定驗算來說，失穩是在外部荷載超過地基抗剪強度的某個位置某個時刻發生的，所以要選擇最不利的荷載組合，對于客運專線，應考慮雙線有車，也就是應考慮 2 個荷載換算土柱。 從沉降變形的角度來看對列車荷載的影響，應考慮荷載作用的連續性，因為沉降變形的發生不是在某一荷載瞬間作用下完成的。公路部門在做路面設計時，對于行駛的汽車荷載，采用當量標準軸載的方式進行考慮，有一定的合理性?？紤]到路基上軌道與列車荷載的特點， 在進行客運專線的路基沉降計算時，并不宜直接套用公路部門的做法，合理的做法應該是考慮雙線的軌道荷載，對于列車荷載則可以考慮單個荷載。 畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 14 列車荷載作用下的復合地基的沉降特性分析 近幾年來，我國廣泛采取復合地基的方法進行軟土地區的地基處理，通過這種方法可以有效地提高地基承載力、減小沉降，在軟土層的地質條件下，混凝土剛性樁復合地基更是一種有效的地基加固方法，但目前針對黃土鐵路路基加固區動力響應的研究并不多，特別是以測得真實列車荷載對復合地基的動力分析研 究。下文 將以行車舒適性為評價標準，進而研究黃土地區路 基剛度加固措施、沉降控制標準，驗證了黃土復合地基剛度加固設計的可靠性 。 某工程概況及參數 某客運專線的路堤橫斷面如圖 7 所示，Ⅲ為堤身，Ⅱ為地基處理區地基 ，處理方法為擠密樁， I 為處理區以下的地基。 圖 7 復合地基加 固路堤斷面 路堤本體高度為 6m，頂面寬度為 ，路基填料分 4 層材料及參數如表 3 所示。 表 3 路堤填料參數 路堤下部土體分為兩層： 1)砂質黃土，厚度 20m； 2)粉質粘土，分布在 20m 以下。地畢業設計（論文）專用紙 ————————————————————————————— ————————— 15 基采用水泥樁加固處理，樁徑為 ，樁間距為 ，樁長為 22m， 正三角形布置，材料及參數如表 4 所示。 表 4 路堤下部材料參數 分析方法 利用計算機有限元軟件，采用分離式和復合模量兩種方法計算該客運專線某段復合地基加固路基在列