高速铁路无砟轨道软土地基沉降区深部转移的不平顺控制理论及应用

2019-03-14 07:43赵国堂

铁道学报 2019年2期

赵国堂

(中国铁路总公司，北京 100844)

我国高速铁路具有持续运行速度高、距离远、时间长、运量大等特点，不仅要求线路的精度和平顺性控制在毫米级，而且要求线路具有持久保持高平顺的能力，为此，我国铁路确立了设计速度350 km/h线路采用无砟轨道的技术路线，利用无砟轨道自身的稳定性，实现少维修条件下轨道的高平顺性。但是，轨道结构与线下基础本身就是一个大系统，轨道结构的疲劳伤损、基础的变形和气候条件的变化等都会引起轨道结构状态的改变，导致轨道不平顺的产生，其中，中短波不平顺的产生将增大列车高速运行时的轮轨效应，引起动车组和轨道结构部件的伤损，影响高速铁路的安全性。

国内外相关资料[1-3]表明，路基变形尤其是软土地基变形对高速铁路轨道平顺性的影响最为常见，尽管围绕高速铁路无砟轨道路基工后沉降控制标准，通过对路基基床及其以下路堤填料和填筑标准的控制，保证了路基本体的沉降变形在施工期能够完成，其刚度和强度满足高速铁路动力作用的要求，但是，地基沉降变形作为路基工后沉降的主要部分，在高速铁路运营期间超过控制标准的问题时有发生。目前，关于地基沉降变形控制的研究，主要围绕自上而下的荷载传递，计算分析土层在荷载作用下的应力水平和变形特征，特别在复合地基和复合桩基方面，形成了系统的计算理论、设计方法和成套技术[4-6]，而对于工后沉降区发生在地层不同深度时自下而上的变形传递则少有研究，其主要原因在于对工后沉降的理解有偏差，或理解为路基面沉降变形[7-9]，或是地基面沉降变形[10-12]，没有认识到工后沉降区位置的不同，变形传递规律和影响也不同。实际上从地基面沉降变形向上传递结果可以看出[3，11]，随着路堤高度的增加，地基面上的差异沉降对路基面的垂向扰动程度逐渐减小，纵向扰动范围相应增大，对轨道不平顺的影响减弱。因此，本文以工后沉降源精准控制为目标，提出将软土地基沉降区向深部转移以控制轨道不平顺的思想，结合某高速铁路路基沉降问题建立地基沉降传递模型，阐释沉降区转移控制轨道不平顺的基本原理，研究沉降区深部转移控制技术，并介绍沉降区转移控制轨道不平顺理论在分析路基局部沉降问题中的应用。

1 地基沉降传递计算模型

路基工后沉降区产生在地层不同深度时，其引起上覆地层的沉降变形由结构沉降变形和软弱土层固结压缩变形两部分组成，其中，当工后沉降区产生沉降变形时，上覆地层出现跟随变形，称为结构沉降变形；而在结构沉降变形过程中，上覆地层应力平衡被打破，软弱土层产生再固结过程出现的变形则为固结压缩变形。考虑本文以阐释基本原理为目的，计算分析时主要针对结构沉降变形计算结果。

为此，以某高速铁路出现沉降变形的路基为研究对象建立计算模型，如图1所示。路基填筑高度8 m，其中基床表层厚0.4 m，基床底层厚2.3 m，基床以下路堤厚5.3 m。地基表层土体为第四系冲湖积淤泥质粉质黏土、粉质黏土、含砾粉质黏土等(地层A～C)，下伏基岩为强风化到弱风化的志留系泥岩、泥质砂岩(地层D)。地基采用预应力管桩加固，桩径0.4 m，正方形布置，桩间距2.2 m，桩长26.5 m，桩端进入泥岩强风化层。每一断面共计设置19根桩，桩顶设1.4 m×1.4 m的C35钢筋混凝土桩帽，桩帽顶部设置厚度0.5 m的碎石和厚度0.1 m的中粗砂垫层，中粗砂垫层内铺设高强度土工格栅。

图1 轨道与路基结构断面

在建立沉降传递模型时，考虑到路基面沉降变形向轨道传递的规律研究结论[7-9]比较清楚，仅以路基本体和地基作为重点。路基和地基均采用实体单元模拟，选用Mohr-Coulomb材料；路基本体层间按层间接触模拟，摩擦系数取0.5；地基层间按连续变形处理，基本参数见表1。

表1 土体基本参数取值

刚性桩采用植入式桩单元模拟，桩帽采用板单元模拟，土工格栅采用格栅单元模拟，基本参数见表2。

表2 刚性桩及土工格栅基本参数取值

初始沉降变形漏斗形状用余弦曲线表示

S=0.5Smax[1-cos(2πx/L)]

( 1 )

式中：Smax为初始沉降曲线的幅值，即最大沉降量；x为沉降区的位置坐标；L为沉降曲线的波长，即初始沉降区的宽度。

为分析不同深度沉降变形区的传递规律，选择了以下计算工况：初始沉降区沉降幅值为15，30，50 mm，初始沉降区波长取10，20 m，初始沉降区位置分别为地层A的上部(地基层以下5 m位置处)、地层A与B的交界面上(地基层以下15 m位置处)、地层C与D的交界面上(地基层以下25 m位置处)。

2 地基沉降区深部转移控制不平顺基本原理

一般认为，高速铁路路基本体的沉降变形在施工期内已经完成，其工后沉降主要是地基的沉降。我国高速铁路通过地区广泛分布着软弱土层，不仅固结压缩量大、完成固结的时间长，而且次固结特征明显，地基将处于长期持续变形中，影响高速铁路运营期间路基的稳定及无砟轨道的平顺性和稳定性。因此，本文提出将地基沉降区向深部转移控制轨道不平顺的思想，其基本原理是将地基主要的沉降区转移到深部，特别是转移到软弱土层以下的坚硬土层中；不仅坚硬土层的压缩变形量减小，在施工期内很快趋于稳定，有利于后续施工工序的展开，而且即使深部土层在高速铁路运营期内产生工后沉降，其向路基面传递过程中将产生波长增加、幅值减小的扩散效应，从而可以将深部小波长、大幅值的有害沉降衰减为路基面长波长、小幅值的无害沉降，实现控制轨道不平顺的目标。

选择如图2所示的计算结果进行分析，来阐释沉降区转移控制轨道不平顺的基本原理。当初始沉降区在地层C与地层D的界面上时，波长为10 m、幅值为50 mm，折角达到10‰，传递到地基面时扩散为波长80 m、幅值7 mm左右的大漏斗，折角仅为0.17‰，能够满足无砟轨道钢轨折角不大于1‰的要求；进一步传递到路基面时，沉降波长和幅值与地基面相同，其结果与既有研究得到的地基面沉降向轨道传递时的结论一致，即地基面沉降区波长超过30 m以后，路基本体的跟随效应明显，轨道不平顺的波长和峰值与地基面上沉降区波长和幅值基本一致[3]。从图2还可以看出，深部沉降幅值在传递过程中的衰减是通过波长的增大(即沉降区范围的扩大)实现的。

图2 沉降区在地层C与地层D交界面时的传递形状

根据沉降变形幅值传递规律(图3)，沿地基层自下而上可分为3个深度区段：

(1)快速跟随变形区。初始沉降发生在下面地层中，紧临其上的地层随之产生变形。随着如图2所示的波长增加，以及深度减小后上覆土层自重的减小，沉降变形幅值随之迅速衰减。当初始沉降区位于如图3(a)所示的地基浅部时，沉降变形波长在地基内扩散区域有限，浅部地基均处于快速跟随变形区内，沉降变形幅值衰减量较地基更深部(图3(b)和图3(c))的小。

(a)沉降区在地层A上部

(b)沉降区在地层A、B界面处

(c)沉降区在地层D顶部

图3 不同深度沉降区沉降量传递规律

(2)跟随变形过渡区。当初始沉降区在更深的地基中(图3(b)和图3(c))时，快速跟随变形区内幅值衰减近2/3，随着如图2所示的波长增大及上覆土层荷载的减小，土体沉降变形趋于稳定，由快速跟随变形过渡到跟随沉降。

(3)跟随沉降区。如图3(a)所示，当初始沉降区在地基浅部时，由于路基本体的强度和刚度明显大于地基，具有一定的抗弯能力，在地基产生沉降时，路基本体的填土并不产生变形，仅随着地基的沉降而沉降；当初始沉降区在地基较深位置时，如图3(b)和图3(c)所示，跟随沉降区除路基本体外，还会扩大到地基浅部。

对图3中地基沉降变形曲线做进一步的回归分析，沉降变形幅值Smax与深度h之间的关系符合指数函数传递规律

Smax=ae-bh

( 2 )

得到的回归系数a，b和相关系数R2见表3～表5。可以看出，b值主要取决于初始沉降区的深度和波长，深度和波长越大，b值越小，沉降幅值衰减较小；初始沉降区深度一定时，b值基本不随初始沉降幅值变化。a值则与初始沉降区深度及沉降波长和幅值有关，深度越大，a值越小，表明传递到路基面的沉降变形量较小；初始沉降波长越大，上覆地层总体跟随沉降越明显，a值越大，传递到路基面的沉降变形量越大；初始沉降量越大，a值越大，路基面上的沉降变形越大。所以，从控制路基面沉降量出发，将初始沉降区转移到更深地层中最有效。

表3 图3(a)工况幅值传递函数回归系数

表4 图3(b)工况幅值传递函数回归系数

表5 图3(c)工况幅值传递函数回归系数

沉降波长的传递规律与沉降量不同，除了与地基深度有关外，还与土层特性有明显的关系。沉降波长的传递规律如图4所示，从深度来说，自下而上大致分为4个区段：

(1)起始区。在图4(a)和图4(b)所示的地基单一土层和图4(c)的地基3种土层情况下，均在紧临初始沉降区的地层中出现波长增大起始区，可以认为是沉降幅值快速衰减以后，为保持地基连续变形，通过沉降范围的扩大增加土层的跟随性。

(2)快速区。在波长开始增大以后，对应的沉降幅值仍处于快速衰减阶段，从变形能平衡出发，波长进入快速增大阶段，通过沉降范围的快速扩大，增加土体对下部变形的跟随性。

(3)过渡区。在波长快速增大之后，进入波长增大缓冲段，以平衡沉降范围扩大和幅值衰减的影响，土体跟随沉降增强。

(4)稳定区。地基沉降传递到路基本体，完全进入跟随沉降状态，波长与幅值均处于稳定阶段。

(a)沉降区在地层A上部

(b)沉降区在地层A、B界面处

(c)沉降区在地层D顶部

图4 不同深度沉降区宽度传递规律

从土层性质来看，在同一土层中，沉降波长L与深度h的关系基本符合线性函数传递规律

L=kh+c

( 3 )

由图4(b)和图4(c)，对地层A和B的波长变化曲线进行回归，得到回归系数k，c和相关系数R2见表6～表8。可以看出，k值与初始沉降变形波长及幅值的关系规律性不明显，但c值随着初始沉降变形波长和幅值的增加而增大，说明最终传递到路基面上的沉降变形波长与初始沉降有关。对于同一地层A来说，初始沉降区越深，k值越小，波长增加越快，c值越大，扩散后的波长越大。对于图4(c)，初始沉降区在同一深度时，埋深更大的地层B其k值和c值均小于地层A，其总体处于波长缓慢增大段。从土层性质分析，地层B性能优于地层A，其波长变化规律也符合土体变形规律。

表6 图4(b)地层A工况波长传递函数回归系数

表7 图4(c)地层A工况波长传递函数回归系数

表8 图4(c)地层B工况波长传递函数回归系数

地基不同位置上沉降变形幅值和波长传递规律表明，沉降变形向上传递时的幅值衰减是通过波长增大实现的，从而可以有效减小路基面的不均匀沉降和轨道不平顺；初始沉降区所处地基深度越大，传递到路基面的不均匀沉降越小，对轨道不平顺控制越有利。

3 地基沉降区深部转移控制技术

在诸多地基处理技术中，刚性桩加固技术符合地基沉降区深部转移控制轨道不平顺的基本原理，即通过刚性桩穿过软土层能够将路基绝大部分荷载传递到桩端以下的较坚硬土体上，使得下卧层坚硬土体的沉降变形成为路基总变形及工后沉降的主要组成部分。从实测结果来看，从路基填筑到稳定，刚性桩加固地基下卧层的沉降变形占路基总变形的比例超过了50%，最高可达80%[6]，说明其在沉降区深部转移中应用是可行和可靠的。

由于下卧层土体一般性质较好，渗透系数较大，其次固结性较弱，不仅施工期变形较快、易稳定，运营期内压缩变形量也较小。假设无砟轨道铺设后下卧层产生了沉降变形，如图5和图6所示，沉降变形幅值在紧临其上地层中的较小范围内迅速衰减，变形波长快速增大；刚性桩加固区内基本没有产生变形，变形波长基本稳定；到地基面桩顶时，土拱效应和褥垫层产生变形，幅值减小明显；在路基本体内沉降幅值和波长有微小变化。随着传递到路基面上时沉降波长的增加和幅值的衰减，路基面沉降折角均在0.4‰以内，下卧层沉降对路基不均匀沉降和轨道不平顺的影响大为减弱，验证了刚性桩加固技术在地基沉降区转移中应用的可行性。

图5 下卧层沉降变形幅值传递规律

图6 下卧层沉降变形波长传递规律

与图3相比，刚性桩加固地基的沉降变形传递到路基面时幅值衰减量较小，主要是计算结果仅考虑地层的结构沉降变形，没有计入软弱土层固结压缩变形。由于刚性桩加固区形成复合地基，桩体置换作用明显，整体性增强，下卧层沉降时主要是跟随沉降。如果考虑软弱土层自身的固结压缩变形，由于刚性桩加固区中桩体分担绝大部分荷载，土层分担荷载仅占20%～40%[6]，在下部沉降变形影响下，其应力水平远低于天然地基土层，加固区软弱土层的固结压缩变形量相比很小；而天然地基在下部沉降变形扰动下产生应力重分布，土层所处深度越深，上覆土柱重量越大，固结压缩变形量越大。由于计算结果仅为分析一般性规律，其量值大小并不影响定性分析基本原理的正确性。

从图7沉降形状传递过程中的变化可以看出，其规律与图2基本相似，但波长和幅值变化主要在地层C完成，波长由10 m增大到约120 m，幅值由50 mm减小到约30 mm；漏斗区传递到地基面也没有完全扩散，在漏斗底部还有一个小漏斗，说明刚性桩对沉降变形扩散具有约束作用。

图7 下卧层沉降区的传递形状

通过计算结果的分析可以看出，刚性桩加固技术将地基沉降区转移到下卧层以后，下卧层的沉降变形向路基面传递时幅值衰减是通过波长增加实现的，其机理与天然地基一致；同时，沉降传递对刚性桩加固区的影响很小，不会引起软弱土层变形失稳问题；紧临下卧层沉降区的地层受影响最大，沉降幅值衰减和波长增大均在此基本完成。因此，在刚性桩设计时应将桩端深入到下卧层中一定深度，以利于沉降区的变形在较好的土层中发展变化，减少沉降变形对桩端区域稳定性的影响。

4 沉降区转移控制不平顺理论的应用

根据现场实际观测，图1所示的路基面发生了如图8所示的沉降变形，最大沉降量达到90 mm，并发生了桩帽与桩顶脱离、路基本体与地基间的脱空现象。为分析问题产生的原因，尝试应用沉降区深部转移的轨道不平顺控制理论做出基本判断。首先，假设路基面沉降变形是下卧层沉降所致，包括管桩没有深入到下卧层岩体中或下卧层岩体严重风化，其沉降传递规律应当如图5所示，路基本体及管桩加固区跟随沉降现象明显，不会出现桩帽脱离和路基本体与地基脱空现象。因此，可以排除桩端或下卧层出现了问题。

图8 现场实际沉降波形

其次，假设管桩加固区内发生了沉降变形，将初始沉降变形区选在管桩接头附近，计算结果如图9所示。从图9可以看出，沉降幅值仅在初始沉降区临近区域产生很小的衰减，随后加固区一直是跟随沉降，并传递到地基面上；由于路基本体具有一定的抗弯能力没有跟随地基沉降，从而在桩顶出现较大的离缝，可能会引起桩帽脱离。因此，可以基本判定该区段的沉降变形是加固区内产生沉降变形引起的。地基面在桩顶区出现离缝后，在路基本体荷载和列车荷载反复作用下，路基本体将会产生沉降变形，路基面沉降变形随之显现，路基本体和地基面的离缝将会减小。

图9 初始沉降区在刚性桩加固区内幅值传递特征

为验证理论分析结果，该区域产生90 mm沉降变形后，在现场设置了深部位移监测点，监测结果如图10所示。500多天的监测结果表明，桩端以下的下卧层没有发生沉降变形，路基基床表层、底层和桩帽仍处于变形发展中，管桩加固区浅部的沉降变形量大于路基本体和桩帽，管桩加固区深部(h=-18.6 m)沉降变形量则较小。可以看出，该区段出现沉降变形不是由下卧层沉降变形引起的，而是加固区内出现了沉降变形，实测结果与理论分析结果相一致。

图10 现场实测结果

5 结论

通过建立地基沉降传递模型，计算分析了地基沉降区从深部向路基面的传递规律，进一步阐释了地基沉降区深部转移的轨道不平顺控制理论，并得到以下结论：

(1)地基深部沉降区的沉降变形向路基面传递过程中，随着沉降变形波长的增加，沉降变形幅值随之衰减，初始沉降区深度越大，传递到路基面的波长越大、幅值越小，其对路基不均匀沉降和轨道不平顺的影响大为削弱，表明利用地基沉降区深部转移控制轨道不平顺的基本原理是正确的。

(2)应用刚性桩加固技术将地基沉降区向更大的深度转移以后，下卧层沉降变形向轨道传递时幅值衰减较小，但波长增大明显，从而减小了路基面的不均匀沉降及钢轨折角，尤其在下卧层沉降变形传递过程中，刚性桩加固区主要产生跟随沉降，有利于保持轨道-路基-地基体系的高稳定性，表明利用地基沉降区深部转移控制轨道不平顺在技术上是能够实现的。