高速鐵路黃土路基沉降控制_畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 60％ 之間，有沿著深度逐漸減小的趨勢；在地理位置上，自東向西，自南向北，黃土孔隙率有增大的規律。一般認為黃土的孔隙是引起黃土濕陷的主要原因，但有資料表明壓實黃土仍存在大孔隙，也具有濕陷性，表明這不是黃土濕陷的根本原因，但它為黃土濕陷提供了足夠的空間 【 6】 。 黃土的濕陷性與變形特性 濕陷性是指土在自重或附加應力與自重共同作用下受水浸濕后產生急劇而大量的下沉。浸水濕陷只在士體自重作用下產生的黃土稱為自重濕陷性黃土，而浸水濕陷在土體自重與附加應力共同下產生的 黃土稱為非自重濕陷性黃土。根據自重濕陷量與總濕陷量可對濕陷性場地進行濕陷等級與濕陷類型劃分。非自重濕陷性場地的濕陷起始壓力一般大于土的飽和自重壓力，濕陷敏感性較弱，濕陷性事故較少，自重濕陷性場地的濕陷起始壓力小于其上覆土的飽和自重壓力，濕陷敏感性較強，濕陷性事故多 。 4 黃土與其它粘土的區別在于黃土對含水量的變化極為敏感，含水量的高低嚴重影響土的濕陷性和承載力的高低，含水量低時，土的濕陷性強烈，但承載力卻很高，隨著含水量的增加，土的濕陷性逐漸減弱，承載力隨之急劇下降，而壓縮性卻得以提高。根據大量土樣的試驗資料 統計結果表明，黃土的濕陷性與飽和度成直線反比關系，見表 ll，即飽和度愈低，土的濕陷性愈強，土的濕陷性隨著飽和度的增大而降低。 表 11 飽和度 Sr與濕陷系數 6s的關系 飽和度 Sr (％ ) 濕陷系數 ?s 范圍 濕陷系數 ?s 中值 ＜ 30 ～ 30～ 40 ～ 40～ 50 ～ 50～ 60 ＜ ～ 60～ 70 0～ ＞ 70 0～ ?s ＞ % 黃土的壓縮性反映黃土地基在外荷載作用下產生壓縮變形的大小，主要取 決于土的密實程度和含水量，三者的關系見表 l2。 表 12 黃土變形模量與含水量和孔隙比的關系 土類 含水量（ %） 孔隙率（ %） 變形模量（ Mpa） 黃土 10～ 17 47～ 48 ～ 6～ 8 46～ 48 ～ 8～ 14 47～ 49 ～ 黃土狀粉質粘土 12～ 18 43～ 45 ～ 22～ 25 45～ 48 ～ 25～ 30 40～ 45 ～ 黃土的結構性問題 結構性應該是描述土物理本質中比粒度、密度、濕度重要的一個側面。它的重要性早為太沙基所指出，也早為一系列學者所重視。如果說結構性對任何土都是重要的，那么，對黃土就更是不可避免的，具有更大的意義。研究黃土的結構性及其在力和水作用下的變化規律對整個土力學研究的對象都會有很大的輻射作用。 目前，將黃土受力、水作 用后結構由損傷到破壞作定量描述的固體力學方法，因其可以回避在尋求獨立表示土結構性參數上的困難，使結構性關系的建立出現了新的跳躍。但它仍然遇到了建立不同濕密狀念土在受到外力作用過程中損傷變量正確表述 5 的困難．顯然，如果能夠找到一個能合理反映土的結構性及其隨水與力的作用而變化的土結構性參數，無疑會使問題的解決更加直觀、更加靈活，會使土力學的參數體系更加完善．文獻中關于綜合結構勢這一新指標的提出及對其合理性、靈敏性、穩定性與普遍性的檢驗的相關研究表明： (1)黃土的結構可視為一個由單粒、集粒或凝塊等骨架單元共同形 成的空間結構體系．它的單元形態 (單粒的礦物碎屑與集粒或凝塊 )確定了力的傳遞性能和土的變形性質，它的連接方式 (點接觸、面接觸 )確定了土的結構強度，它的排列方式 (大孔隙、架空孔隙、粒間孔隙 )確定了土的穩定性．單粒點接觸、架空孔隙占優勢的結構，濕陷性大；集粒或凝塊，面接觸、粒間孔隙占優勢的結構，濕陷性小． (2)黃土結構性的研究，應既注意揭示土顆粒排列的幾何特征 (以孔隙分布特征最為敏感 )，又注意揭示土顆粒聯結 (物理的和化學的，而以化學的為最敏感 )的力學特征，同時將結構與組成相結合，探討黃土的非均質性 ，各向異性． (3)從黃土力學的觀點來看，結構性研究的根本目的在于揭示結構性對土力學行為的影響及內在聯系，因此，將土的微觀結構與宏觀力學行為相結合是一條正確的研究途徑． (4)黃土的結構性問題在其結構聯結沒有遭到破壞以前表現為它維持結構可穩性的能力，它和顆粒聯結的特性與穩定性有關；在結構聯結遭到破壞以后表現為結構可變性的能力，它和顆粒的排列特性與均勻性有關． 壓實黃土的工程特性研究現狀 壓實黃土的濕陷性 經過對原狀土和壓實土的濕陷性試驗，得到： (1)濕陷性黃土經過壓實后，如填筑 含水量較低，填筑干密度較小時，仍具有明顯的濕陷性，并具有以下特征：①壓實黃土與原狀黃土的含水量和干密度都相同時，在較大的壓力范圍內，壓實黃土的濕陷性要比原狀黃土的大②壓實黃土的濕陷性，隨填筑含水量的減小而增大，反之，隨填筑含水量的增大而減小；③即使壓實黃土的填筑干密度較大，而含水量都較低時，仍具有一定的濕陷性，并在較大的壓力范圍內隨壓力的增加而增大． (2)壓實黃土填筑含水量不應低于最優含水量的 2～ 3倍，同時要以最大干密度來控制施工質量，否則將會在工程運營期間受水浸濕后出現不同程度的濕陷變形，進而危及工程的 正常使用。 壓實黃土的壓縮性質 6 壓實黃土的壓縮性質，也用土的壓縮系數、壓縮模量、固結系數等指標表示，在室內用壓縮儀測定．根據有關資料表明，西北黃土在擊實飽和情況下，當垂直壓力為～ ，其壓縮系數平均值介于 (～ )105Pa1? 之間，為中等壓縮性土，其平均壓縮模量介于 ～ ．當垂直壓力為 ～ ，其平均壓縮系數為 (～ ) 105Pa1之間，多數為低壓 縮特性，其壓縮模量介于 ～ ，平均固結系數介于 101～ 103㎝ 2/s之間。 7 第 2章 路基沉降 路基沉降 路基裸露在自然界中，整個路基經常受到自重、列車荷載和各種自然因素的作用。由于水、溫度和各種荷載的作用，路基的各部分將產生可恢復和不可恢復的變形，那些不能恢復的變形，將引起路基標高和邊坡坡度、形狀的改變，甚至造成土體位移和路基橫斷面幾何形狀的改變，危及路基及其各組成部分的完整和穩定，形成路基的危害 高速鐵路路基沉降特性分析的研究現狀 鐵 路路基沉降變形主要包含運營階段行車引起的基床累積下沉，列車行駛中路基面的彈性變形，路基本體填土及地基的壓密下沉三個方面。大量的調查表明，路基沉降是由土性、壓實度、飽和度、環境和外載等多方面因素綜合作用的結果，但主要是由路基本身和地基的排水固結變形引起的。地基的沉降變形與地基土的性質和地基處理方法有關，而路基本體的變形通常與填料的性質、填料含水量和壓實系數有關，地基的沉降變形直接影響到路基的變形。基床累積下沉是由列車通過道床傳遞到基床面的動荷載引起的，主要發生在基床部位，特別是基床表層。設計時若能限制列車荷載在基床表面產生的動應力在基床填料的臨界動應力以內，則累積下沉量在經過一段時間行車后 (例如一年 )能夠逐漸趨于穩定而不會繼續發展的。 路基沉降的原因 路基填土壓實度不足 由于壓實度不足，往往導致填方路基的不均勻沉降變形，路基兩側出現縱向裂縫，路基土體壓實度不足的主要原因有以下幾點 : (1)施工受實際條件的限制。路基施工時，天氣太干燥，局部路堤填料粘土土塊粉碎不足致使路基壓實度不均勻 。暗埋式構造物處因構造物長度限制使路基邊緣不能超寬碾壓，致使路基邊緣壓實度不夠 。某些加減速車道與行車道沒 有同步施工，當拼接處理得不好時，其拼接處也會產生壓實度不足的情況。 (2)考慮到施工安全和進度，使得壓力或壓力作用時間不足，路基壓實不充分，致使路基壓實度達不到規范要求。 8 (3)由于填方土體的最佳含水量控制不好，壓實效果達不到規范要求。 (4)在填方路堤施工中，當路堤施工到一定高度以后，路堤邊緣土體往往存在壓實度不足問題，對于較高的填方路基，通常都要做相應的處治。 填方土體壓實度不足，其結果是土體前期固結壓力小于自重應力和各種附加應力之和，在自重作用下就會發生沉降變形，這些附加應力主要來自以下幾個方面 :①車載，尤其超載情況 。②含水量變化造成土體容重的改變 。③地下水位升降而導致浮力作用改變 。④土體飽和度改變，引起負孔隙水壓力改變。這些附加應力引起土體中有效應力改變，從而導致土體發生壓縮變形。 土體壓實度不足還會導致填土路基的側向變形。目前采用的地基沉降計算方法是假定側向完全受限，僅有豎向變形，實際路基土中存在有側向變形，這種側向變形會引起沉降。 路堤填料不均勻，控制不當 在公路施工過程中，對填料、級配很難得到有效的控制，填料常常是開挖路塹、隧道掘進產生的方法，這些填料性質差異大、級配也相差很遠。 一方面，在施工過程中，如果分層碾壓厚度過大，小顆粒填料和軟弱物質很難得到有效壓實，在荷載的長期作用下，回填料會產生不協調沉降變形，路面會產生局部沉陷，剛性路面還可能產生裂紋。另一方面，由于回填料的性質不一樣，特別是有的回填料具有膨脹性，在路基排水系統局部失效后，水的滲入會使路面局部隆起，影響行車舒適度，嚴重的會使路面破壞。 控制不當體現在： (1)選用了穩定性較差的路堤填料，如采用高液限粘土、粉質土或使用淤泥、腐殖質含量較高的土料填筑路堤，會使路堤產生整段或局部的變形。(2)采用不同土質填筑路堤時，因土的性質 不同如填筑方法不當，碾壓成型后易造成不均勻性沉降。 地下水的影響 在地下水的交替作用下 ,路基土體內含水量反復變化 ,土體容重在一定范圍內波動 ,更為重要的是由毛細管張力引起的負孔隙水壓力可以達到相當的數值 ,再加上水的軟化、潤滑效應 ,可以使土體產生沉降變形。路基或地基中地下水的動態特征對路基不均勻沉降影響很大，路堤及其地基中的地下水主要補給來源有 3 種類型，即地下水側向補給、降雨補給、地表水側向補給。其動態變化及潛蝕作用影響到土體中的有效應力分布、土體的結構特征和土體強度從而導致路基的不均勻沉降。 9 路基強度高且剛度大以及均勻性要求高 列車速度越高，要求路基的強度越高、剛度越大，彈性變形越小。但是路基剛度過大，會使列車振動加大而不能平穩運行，路基剛度的不均勻則會給軌道造成動態不平順。研究表明：由剛度變化引起的列車振動與速度的平方成正比。因此，列車運行速度越高，要求路基的剛度越大、彈性變形小，在線路縱向做到剛度均勻、變化緩慢，不允許剛度突變。客運專線的路基基床厚度、填料要求、壓實標準以及檢測方法等要比鐵路 I 級干線的要求高得多，對路基的填筑質量，引入了 30K 、 2vE 、 vdE 等多項檢測指標進行聯合控制 【 8】 。 路基不均勻沉降的影響和危害 路 基不均勻沉降對鋪軌施工的影 響 路基不均勻沉降會增加施工難度和施工強度，在鋪軌時需要再度調整路基整體的高度使其達到統一，因扣減可調整量很小并要預先填高一定量為工后沉降留有空間以便達到設計標高，還要考慮未來行車后各不同時間段各路段不同土質以及路橋過渡段不同沉降量。 路基對稱將對高鐵運營的危害 路基是路面的基礎 ,路基不均勻沉 降必然會引起路面的不平整 ,導致路面產生許多病害 ,主要表現為坑凹、起拱、波浪、接縫臺階、碾壓車轍、橋頭或涵洞兩端路面沉降、橋梁伸縮縫的跳車等 ,破壞了線路平順通暢，不僅難以滿足客運專線高速行駛的要求 ,而且還會加大運輸成本 ,增加運輸時間 ,增加養護維修費用，減少使用壽命，降低社會經濟效益，降低旅客舒適度，危及行車安全等。 客運專線無砟軌道路基的填料要求 針對快速鐵路對填料及壓實標準的高要求，一方面要在施工中積累資料，同時需要開展大量的室內外試驗研究工作，研究制定填料適用性試驗方法與判別標準，建立一套適合我國 地域特點，適用于路基設計，施工的填料分類。 由于地域不同，路基填料也千差萬別，這就要求在勘測設計階段和施工前對土源進行詳細判別。工程實踐表明，采用優質的填料可以減少路基的后期沉降，且有較高的安全儲備，能保證路基穩定。國內外對高速鐵路的路基沉降觀測結果也表明，采用級配良好的粗顆粒填料可大大減少路堤的后期沉降，因此，只要能滿足上述要求者才 10 可作為高速鐵路路堤填料。鐵路路基填料的分類主要依據土類和小于 含量兩個指標來劃分的，并考慮與壓實要求相關性質和適用條件分成 A、 B、 C、 D、 E五個組，如表 2－ 1所示。其中， D組為高液限粉土、粉質粘土、粘土，很少用作填料：E組為有機土類，不能作為填料。 21 我國鐵路路基填料分類組別 填料 A組 B組 C組 碎石類 級配良好的碎石、含土碎石 級配不好的碎石、含土碎石，細粒含量為15%30％ 的土質碎石 細粒含量大于 30％ 的土質碎石 礫石類 級配良好的粗圓礫、粗角礫、細圓 礫、細角礫，級配良好的含土粗圓礫、含土粗角礫、含土細圓礫、含土細角礫 級配不好的粗圓礫、粗角礫、細圓礫、細角礫，級配不好的含土粗圓礫、含土粗角礫、含土細圓礫、含土細角礫、細粒含量為 15%30%的土質粗圓礫、土質粗角礫、土質細圓 礫、土質細角礫 細粒含量大于 15‰30％的土質粗圓礫、土質粗角礫、土質細圓礫、土質細角礫 砂類土 級配良好礫砂、粗砂、中砂，含土礫砂、含土粗砂、含土中砂 級配良好細砂，級配不好的礫砂、粗砂、中砂、細粒含量大于15％ 的含土礫砂，含土中砂，含土粗砂