模拟高铁轨道列车荷载附加沉降的堆载预压试验研究

曹 敏

(沪汉蓉铁路湖北有限责任公司，武汉 430071)

1 概述

为满足列车高速运行对线路平顺性的要求，无论是有砟轨道或无砟轨道，对路基工后沉降均提出了严格的控制标准，需要对施工期路基沉降进行观测、预测和评估[1]。

目前，工后沉降的计算方法包括理论计算、回归分析与数值模拟。而对于软土分布地段，软土层在路基、轨道以及列车荷载作用下的长期变形往往是相当缓慢的，往往是运营后出现较大的工后沉降和不均匀沉降的主要原因;另一方面，软土地基处理方式、施工工艺水平、路基填料、压实质量等都会对路基工后沉降带来影响。除了对各个环节进行质量检验控制以外，更直接可靠的方法是通过堆载来模拟运营期荷载，对路基工后沉降进行检验评价[2]。

针对某新建高速铁路软土地基，通过现场堆载预压试验，利用实测的沉降变形观测成果对路基沉降变形趋势、工后沉降、沉降速率等进行分析，为评价路基是否满足铺轨条件提供参考。

2 模拟试验方案

在某高速铁路的软土路基选取2个典型试验段，进行堆载预压试验分析，试验段里程为:DK98+400～DK98+500、DK102+700 ～DK102+800。其中DK98试验区段路基高度为4.5 m，基底采用水泥搅拌桩加固，桩径0.5 m，桩间距为1.3 m，桩长8.35～8.79 m，伸至硬底以下0.5 m;DK102试验区段路基高度为5.7 m，基底采用旋喷桩加固，桩径0.5 m，桩间距为1.8 m，桩长29.16～30.18 m。试验段为时速200 km的有砟轨道，铺设后的工后沉降控制标准为150 mm，年沉降速率控制标准为40 mm/年[3]。

堆载预压断面采用梯形截面，以堆载高度为3.0 m的断面为例，其断面示意图如图1所示:底边宽12.6 m，边坡坡度为1∶1。

图1 堆载预压断面示意(单位:m)

试验段路基变形监测仪标布置示意如图2所示。为了保证测试数据的可靠性，同时能更好的分析软土路基纵向差异沉降，本次堆载预压试验在每个试验段重点布置了4条监测断面，间距为30 m。另外，为了避免沉降板遭到施工破坏而造成数据缺失，在4个监测断面之间补设了3条辅助监测断面。其中重点监测断面在路面中心线上布置了1个沉降板，左右各布置了4个边桩和2个路面观测桩，辅助监测断面仅在路面中心线上布置了1个沉降板。

图2 堆载预压路基监测仪标布置示意(单位:m)

3 模拟堆载高度计算与工后沉降计算方法

3.1 堆载预压高度的计算

为保证堆载预压荷载在基底产生的附加应力与列车及轨道荷载在基底产生的附加应力相当，设计堆载高度是根据设计列车及轨道荷载予以确定的。其中，列车及轨道荷载分为列车活载Q和上部建筑重力P两部分[4]。按45°扩散角计算基床表层顶面应力，列车及轨道荷载在基床表层顶面应力分布宽度为L顶，则列车及轨道载荷在基床表层顶面产生的应力为

列车及轨道荷载在基床表层顶面的应力，通过基床表层、基床底层和路基本体扩散到基底面。基床表层应力扩散角取40°，基床底层扩散角取38°，路基本体扩散角取35°，计算的基床表层应力分布宽度为L表(图3)，可算出基底应力分布宽度为L底，则列车及轨道荷载在基底引起的附加应力为

图3 堆载土柱在基底引起的附加应力计算图示(单位:m)

为保证堆载土柱所引起的基底附加应力与列车轨道荷载引起的附加应力水平相同，定义实际堆载宽度为L0，等效土柱高度为

根据《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》，钢轨重力为0.606 4 kN/m，轨枕长2.6 m，道砟重度20 kN/m3，轨枕及扣件重力3.7 kN/根，每公里铺设轨枕1 667根，即1.667根/m，列车设计轴重200 kN，则上部建筑重力P=49.6 kN/m，列车均布荷载Q=125 kN/m。列车及轨道荷载在基床表层顶面应力分布宽度按双线双荷计算，应力分布宽度为6.6 m，实际堆载施工按基床顶面宽度13.0 m进行全范围堆载，即L0为13.0 m。采用上述计算方法即可得到在等载条件下的堆载高度，计算成果汇总于表1。

表1 堆载预压试验段堆载高度分析

3.2 工后沉降分析方法

本文中，对于堆载预压路基的沉降分析分为2个阶段:第一阶段为模拟铺轨及运营条件下的工后沉降分析，第二阶段为堆载预压试验后的工后沉降分析。

其中，第一阶段计算的工后沉降，是针对堆载预压施工以前的路基而言的，堆载仅用于模拟设计轨道及列车荷载，即若在原路基上直接进行铺轨施工的工后沉降量。

其工后沉降计算公式为

式中:SR是工后沉降;S∞(ξmax，∞)为堆载条件下的最大沉降量;ξf=ps/ΔHγ为设计运营载荷水平;ξmax为地基最大荷载水平，ξmax=1.0。

第二阶段是针对堆载预压以后的路基而言，分析堆载预压试验路段何时可以卸载，以保证卸载到设计荷载水平下的工后沉降满足规范要求。当然，若第一阶段计算的工后沉降满足规范要求，那么在堆载预压过程中沉降变形稳定的条件下，第二阶段工后沉降肯定是能满足规范要求的。

对于堆载预压试验后的工后沉降计算，即为预测的最大沉降量与卸载时观测沉降量之差，计算公式为:

式中，S(ξf，∞)为实际堆载预压后预测的最终沉降量;S(t卸)为卸载时的观测沉降量[5]。

4 试验结果分析

以往软土路基堆载预压是作为地基处理的一种方式，目的是加速地基的沉降变形，减小工后沉降。而本文中堆载预压试验的主要目的之一是通过堆载来模拟铺轨工况下荷载条件，并通过分析堆载预压期沉降观测资料，来计算路基在设计荷载条件下的工后沉降及年沉降速率，并检验其值是否满足规范要求。同时，通过堆载预压试验进一步减小工后沉降量。因此，先对沉降变形特征进行定性与定量分析，并计算模拟铺轨工况下，工后沉降及沉降速率。

4.1 沉降变形特征分析

对于模拟铺轨工况下，试验段DK98+400～DK98+500、DK102+700～DK102+800的沉降变形特征分析，沉降监测数据汇总于图4与图5。

图4 DK98实测沉降沿线路纵向分布曲线

图5 DK102实测沉降沿线路纵向分布曲线

从图中可以看出，对于试验段DK98段，堆载高度约2.63 m，累计沉降量为20.81～67.81 mm，平均沉降速率为0.18～0.29 mm/d。对于DK102段，堆载高度约2.25 m，累计沉降量为84.33～131.23 mm，平均沉降速率为0.31～0.50 mm/d。

为直观反映试验段测点的沉降变形特征，以便对该试验段的沉降变形趋势进行分析，给出该试验段某典型沉降板的沉降曲线，见图6。

结合图4、图6可看出，沉降量逐渐增大至某一稳定值，沉降速率逐渐减少至趋于零，符合实际情况。

4.2 工后沉降及沉降速率分析

图6 某典型路基面沉降板沉降-荷载-时间曲线

对于模拟铺轨及运营条件下的工后沉降计算，需将超载条件下观测数据预测的沉降量，换算为设计运营荷载水平下的沉降量。另外，根据各国高速铁路的经验，地基不良地段路基应放置6个月以上进行铺轨施工，即填筑完成后应有足够的恒载静置期，以减小工后沉降。

以DK98+400～DK98+500及DK102+700～DK102+800试验段为例，计算其模拟铺轨工况下的工后沉降量及年沉降速率，计算结果列于表2。

表2 堆载预压试验段模拟铺轨工况沉降分析

从表2可见，对该两段试验段进行预测分析，得到堆载荷载条件下的最终沉降量预测值分别为34.71～92.37 mm与117.13～173.93 mm。在计算工后沉降时，将实际堆载荷载条件下的最终沉降量，换算为设计荷载水平下的最终沉降量，即为堆载预压模拟铺轨运营荷载条件下的工后沉降。以此计算的工后沉降量为24.81～66.03 mm与94.22～139.92 mm，小于工后沉降控制标准150 mm。

最大年沉降速率即为模拟铺轨1年后的沉降增量。对DK98区段，最大年沉降速率分别为11.17～29.71 mm/年，小于年沉降速率控制标准40 mm/年[6]，而对于DK102区段，最大年沉降速率达到42.40～62.96 mm/年，已超过了年沉降控制标准，堆载预压前不满足铺轨要求。

4.3 铺轨条件评价

由于超载是临时荷载，在持续作用一定时间满足设计荷载工后沉降要求后，须卸荷到设计荷载水平。以下根据实测沉降变形观测数据，依据基床表层顶面沉降板观测数据，采用曲线回归法对设计荷载条件下的工后沉降进行预测分析，对比上述2种方法的分析成果，对该超载预压段满足工后沉降要求的卸载时机进行综合评价。

仍以DK98+400～DK98+500及DK102+700～DK102+800试验段为例，直接采用观测数据计算超载条件下的工后沉降量，进行定量分析以进一步校验上述分析结果，计算结果列于表3。

表3 堆载预压后曲线回归法沉降分析

从表3可见，对该2段试验段进行曲线回归分析，得到堆载荷载条件下的最终沉降量预测值分别为34.71～92.37 mm与117.13～173.93 mm。在计算工后沉降时，直接用曲线回归法，计算出堆载条件下的工后沉降量为13.9～24.78 mm与30.43～46.8 mm/年，与模拟铺轨工况下的计算值24.81～66.03 mm与94.22～139.92 mm相比，显著减小，且均小于工后沉降控制标准150 mm。

最大年沉降速率即为模拟铺轨1年后的沉降增量。对于本区段，最大年沉降速率分别为10.7～20.57 mm/年与25.24～38.15 mm/年，与模拟铺轨工况下的计算值11.17～29.71 mm/年与42.40～62.96 mm/年相比，也明显减小，且均小于年沉降速率控制标准40 mm/年[6]。设计荷载水平下的工后沉降和年沉降速率比超载条件下的更小。

由此可见，采用曲线回归分析、计算的方法，真实、客观地反映了模拟铺轨及列车荷载工况和超载预压情况下的路基沉降变形特征，两个试验段经堆载预压后，其工后沉降和年沉降速率满足规范要求，可进行卸载施工。

5 结论

针对高铁轨道列车荷载引起的软土路基附加沉降的评价问题，开展了堆载现场试验研究，并给出了相应的计算方法，基于实测沉降变形数据的分析，对其沉降变形规律、工后沉降和卸载时机进行研究，研究结论如下。

(1)2个典型堆载预压路段，在预压期间，路基变形主要表现为沉降变形，而水平位移很小;经过6个月的堆载预压后，沉降变形趋势已逐步趋于稳定。一方面说明受软弱地基不均匀性和加固施工工艺差异性影响，复合地基未能完全达到设计的理想状态;另一方面也反应了复合地基的受力特征。

(2)采用等效堆载模拟轨道列车荷载工况下，预测的试验段路基工后沉降较大，尤其是DK102区段最大年沉降速率超过了规范控制标准，表明若该路段不做预压处理直接铺轨，由轨道列车荷载可能引起较大的附加沉降，有可能对后期运营带来一定的风险，预测方法作用显著。

(3)经堆载预压试验后，路基工后沉降和年沉降速率均显著减小，满足规范控制要求。表明上述试验方法，既可以用于分析轨道列车荷载引起的附加沉降，同时可以在施工期加速软土路基的变形，在很大程度上减小了工后沉降，保证高速列车运营安全，为类似问题的分析评估提供一种实用有效的方法。

[1]宋剑，李明领，等.路基沉降观测期对评估结果的影响及其合理控制[J].铁道标准设计，2010(2):4-6.

[2]余飞，乐红，等.铁路客运专线超载预压路基变形特征与卸载时间确定方法[J].铁道标准设计，2010(2):22-27.

[3]中华人民共和国铁道部.铁建设[2006]158号 客运专线铁路有砟轨道铺设条件评估技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2006.

[4]中华人民共和国铁道部.铁建设[2005]140号 新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社，2006.

[5]张光永，王靖涛，等.超载预压法的卸载控制理论研究[J].岩土力学，2007，28(6):1250-1254.

[6]刘吉福，陈新华.应用沉降速率法计算软土路堤剩余沉降[J].岩土工程学报，2003，25(2):233-235.