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文檔簡介
1、武廣客運專線路基課題研究之二路基沉降動態(tài)變形監(jiān)測技術(shù)研究1概述鐵路路基因組成材料顆粒之間存在空隙,在運營荷載的長期作用下,沉降變形是不可避免的。鐵路客運專線的路基,為滿足在列車高速運行條件下線路的平順,保障運營舒適和行車安全,必須對路基總沉降量和工后沉降有所掌握并嚴格控制。武廣鐵路客運專線借鑒國外高速鐵路路基工程建設(shè)的經(jīng)驗,并大量吸收近幾年在秦沈、遂渝、京滬等鐵路路基施工沉降變形的監(jiān)測成果,在設(shè)計文件中,設(shè)置了路基沉降動態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)。沉降動態(tài)變形監(jiān)測的內(nèi)容包括路基面沉降監(jiān)測、路基本體沉降監(jiān)測、基底沉降監(jiān)測、深厚層地基分層沉降監(jiān)測、軟土地基水平位移監(jiān)測、復(fù)合地基加筋(土工格柵)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測共六
2、個方面。其中前五項是路基沉降動態(tài)變形監(jiān)測的主要內(nèi)容。路基沉降變形監(jiān)測的目的,是以實際變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用科學的方法對路基的沉降變形綜合分析和評估,驗證設(shè)計并檢驗施工質(zhì)量,全面掌握路基的變形動態(tài),分析和推算路基的最終沉降量和工后沉降。這既是保障客運專線路基工程質(zhì)量的需要,也是鐵路工程科學設(shè)計、科學施工的重要體現(xiàn)和基本要求。近些年,在我國部分鐵路建設(shè)項目上,通過對路基沉降變形監(jiān)測的試驗段試驗,積累了許多寶貴的經(jīng)驗,這次在武廣客運專線路基設(shè)計上,充分地吸收了其中的成果,為在施工中系統(tǒng)收集武廣客運專線路基沉降變形資料奠定了基礎(chǔ)。在路基沉降動態(tài)變形監(jiān)測方面,過去我們做的工作很有限。通過對這一課題的研
3、究,可以使我們對路基沉降動態(tài)變形監(jiān)測的方法、沉降變形的規(guī)律以及沉降變形綜合分析和評估有一個初步的認識,進而對以后在客運專線路基工程施工階段如何進行沉降動態(tài)變形監(jiān)測和控制做好必要的準備。2武廣客運專線路基沉降的控制要求 武廣客運專線路基沉降,規(guī)定了工后沉降、沉降速率、不均勻沉降、過渡段差異沉降形成的折角和差異沉降錯臺五項要求,控制標準見下表:線 路 等 級工 后 沉 降cm沉降速率cm/年不均勻沉降cm/20m過渡段差異沉降形成的折角差異沉降錯臺cm一般地段橋尾過渡段有碴軌道200km/h1584/有碴軌道200km/h以上532/無碴軌道200km/h以上3/2<1/10000.53路基
4、工后沉降的組成 路基沉降變形的控制,核心內(nèi)容是工后沉降和總沉降量的控制。路基工后沉降變形的分類方法很多,從引起路基變形的受力條件分析,主要有下列三個方面因素所組成:(1)路基面在列車荷載作用下發(fā)生的變形;(2)路堤本體在自重作用下的壓實沉降;(3)地基的壓密沉降。根據(jù)資料,路基面在列車荷載作用下發(fā)生的變形,雖然在列車運營期間始終存在,但通過提高路基面材料的質(zhì)量、提高壓實標準等控制措施,該部分變形大多在5mm以內(nèi);路堤本體在自重作用下的壓實沉降隨路堤填料的性質(zhì)、填筑高度的不同雖大小不一,但一般都在路基填筑高度的0.1%0.55%范圍,路基填筑施工后12年基本完成;而地基的壓密沉降,因路基高度和地
5、基條件的不同,沉降差異較大,這部分變形一般經(jīng)歷的時間比較長,是路基沉降變形監(jiān)測的重點。4監(jiān)測剖面與監(jiān)測點的設(shè)置4.1監(jiān)測剖面設(shè)置原則(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)可比性強,便于分析評估。依據(jù)這一原則,對路基面沉降監(jiān)測、路基本體沉降監(jiān)測、基底沉降監(jiān)測、深厚層地基分層沉降監(jiān)測四項內(nèi)容,設(shè)置于路基同一剖面。(2)密度合理,具有代表性。 依據(jù)這一原則,監(jiān)測剖面的布置,在路基工點及段落、路基長度、地質(zhì)條件方面需相互兼顧。武廣客運專線設(shè)計規(guī)定:路基每個工點不少于2個監(jiān)測剖面,且剖面間距不大于50m。在地質(zhì)條件差異大、地形變化大的地段及發(fā)生沉降差異較大的過渡段范圍需適當加密,一般20m布置一處,過渡段折角處必須有監(jiān)測剖面。
6、此外,軟土地基的水平位移監(jiān)測及復(fù)合地基加筋(土工格柵)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測與路基面沉降監(jiān)測、路基本體沉降監(jiān)測、基底沉降監(jiān)測、深厚層地基分層沉降監(jiān)測剖面的位置應(yīng)協(xié)調(diào)。4.2布置方法當路基基底或下臥壓縮層為平坡時,路堤主監(jiān)測點設(shè)置在線路中心;當?shù)乇頇M坡或下臥土層橫坡大于20%時,在填方較高側(cè)或壓縮層較厚側(cè)增加監(jiān)測點。路基底沉降與路堤本體沉降的監(jiān)測點,一般布置于路基基底和基床底層頂面。軟土及松軟土路基填筑時,沿線路縱向每隔3050m在距坡腳外2m處設(shè)置位移邊樁,以控制填土速率,控制標準為:路堤中心地面沉降速率小于1.0cm/d,坡腳水平位移速率小于0.5cm/d。4.3武廣客運專線路基沉降變形監(jiān)測點布置圖路
7、基沉降變形監(jiān)測,一般路堤地段監(jiān)測剖面監(jiān)測點布置見下圖:路基面沉降監(jiān)測樁路基本體沉降監(jiān)測壓縮變形層加固層底線或地層分界線單點沉降計或分層沉降計路基沉降變形監(jiān)測剖面基本布置示意圖邊樁單點沉降計或分層沉降計邊樁壓縮變形層沉降板路基面沉降監(jiān)測樁路基本體基床底層基床表層地基深層沉降監(jiān)測路堤基底沉降監(jiān)測4.4監(jiān)測點布置說明路基面沉降監(jiān)測路堤地段分別于路基中心、兩側(cè)路肩各設(shè)一個監(jiān)測點,每個監(jiān)測剖面共3個點,采用監(jiān)測樁(包樁),路基成形后設(shè)置。路塹地段,對厚層土質(zhì)及全風化層路塹、紅粘土和膨脹土路塹、花崗巖全風化層路塹與淺挖路塹(挖深3.0m),分別于路基中心、兩側(cè)路肩各設(shè)一個監(jiān)測點,每個監(jiān)測剖面共3個點,采用
8、監(jiān)測樁(包樁),路基成形后設(shè)置。4.4.2路基本體沉降監(jiān)測 于路基本體內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點。當路基采用A、B組填料填筑時,采用高精度智能型單點沉降計埋設(shè)于線路中心的路基基床表層底部,一個監(jiān)測剖面設(shè)一個測點;當路基采用改良土填筑時,用高精度智能型分層沉降計分層埋設(shè),分層厚2.03.0m,分別于基床表層底部、基床底層底部設(shè)置,路基填高大于6.0m,在基床以下路基中增加一個監(jiān)測點。路基成形后鉆孔埋設(shè)。當?shù)乇頇M坡大于20%時,于線路中心、較高側(cè)的線路外側(cè)3.1m處,分別采用高精度智能型單點位移計監(jiān)測,每個剖面設(shè)2個測點。4.4.3基底沉降監(jiān)測分別于路堤基底地面的線路中心(當?shù)乇頇M坡大于20%時,于線路中心、較
9、高側(cè)的線路外側(cè)3.1m處)除埋設(shè)高精度智能型單點沉降計監(jiān)測外,每隔一個剖面增設(shè)沉降板進行校核,各剖面設(shè)12個測點,路堤填筑前埋設(shè)。4.4.4深厚層地基分層沉降監(jiān)測土層、全風化層厚度10m(軟土、松軟土厚度>6m)的地基,每隔50m設(shè)置一處深層沉降監(jiān)測剖面,過渡段路基必須設(shè)置。采用高精度智能型串聯(lián)式分層沉降計,于路基中心地基中設(shè)置,分層厚度2.03.0m,在路基填筑前鉆孔埋設(shè)。每個剖面一個測孔。當?shù)乇頇M坡大于20%時,于線路中心、較高側(cè)或壓縮層較厚側(cè)的線路外側(cè)3.1m處分別采用智能型分層沉降計監(jiān)測,除埋設(shè)高精度智能型單點沉降計監(jiān)測外,每個剖面設(shè)2個測點。4.4.5軟土地基水平位移監(jiān)測 軟土
10、、松軟土路基地段,沿線路縱向每隔3050m在距坡腳外2m處設(shè)置邊樁進行水平位移監(jiān)測,每個剖面設(shè)2個測點。4.4.6加筋(土工格柵)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測 高填方或陡坡填土地段邊坡土工格柵加筋補強,分別于路堤兩側(cè)邊坡(邊坡中部、地面以上23 m處)的土工格柵設(shè)置智能數(shù)碼柔性位移計,對土工格柵的拉伸和壓縮變形進行監(jiān)測,每個剖面設(shè)4個測點。 路堤基底鋪土工格柵加筋(特別是低路堤地基采用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固)時,于路堤基底地面的線路中心、左右線中心至坡腳中間點附近的樁間土或樁頂處分別設(shè)置智能數(shù)碼柔性位移計,對土工格柵的應(yīng)力應(yīng)變進行監(jiān)測,每個剖面測3個點。4. 5路基工點沉降監(jiān)測剖面位置 對武廣客運專線路基沉降監(jiān)測,按路
11、基工點設(shè)計圖給出的具體位置和監(jiān)測內(nèi)容實施。5沉降監(jiān)測元器件及精度5.1對監(jiān)測元器件的要求 武廣客運專線變形監(jiān)測元器件,采用對填土施工干擾小、無測桿的智能數(shù)碼型監(jiān)測元器件,重要監(jiān)測點采用傳統(tǒng)的、數(shù)字直觀的沉降板作輔助元件;對路基面觀測樁的測量,精度按二等水準測量標準控制,觀測精度不低于±1mm。5.2主要監(jiān)測元件技術(shù)參數(shù)主要監(jiān)測元件技術(shù)參數(shù)見下表:名 稱量 程靈敏度適用范圍主 要 特 點備 注沉降板測量土體垂直變形讀數(shù)直觀,對填土施工干擾大,精度一般。輔助監(jiān)測元 件智能數(shù)碼沉降計測量土體垂直變形不干擾填土施工,精度高,數(shù)據(jù)量大,能實現(xiàn)自動采集和無線傳輸.主要監(jiān)測元 件智能數(shù)碼分層沉降計
12、土體分層沉降量測智能數(shù)碼柔性位移計100mm0.01mm土工材料的變形量測智能數(shù)碼靜力水準儀100mm0.01mm沉降差監(jiān)測智能數(shù)碼多點位儀計100mm0.01mm分層測量巖土不同層面的變形6沉降監(jiān)測的階段和頻度6.1監(jiān)測階段武廣客運專線路基變形監(jiān)測,根據(jù)工程進展分成四個階段:第一階段:路基填筑施工期間的監(jiān)測,主要監(jiān)測路基填土施工期間地基土的沉降以及路堤坡腳邊樁位移。第二階段:路基填土施工完成后,自然沉落期及擺放期的變形監(jiān)測,主要對路基面沉降、路基填筑部分沉降以及路基基底沉降進行系統(tǒng)的監(jiān)測,直到工后沉降評估可滿足鋪設(shè)無碴軌道為止。第三階段:鋪設(shè)無碴軌道施工期間的監(jiān)測。第四階段:鋪軌完成后及試運
13、營期的監(jiān)測。6.2監(jiān)測頻度依據(jù)客運專線鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收暫行標準第14章的規(guī)定,路基填筑施工期間,監(jiān)測頻度一般每填筑層監(jiān)測一次;在沉降量突變的情況下,每天監(jiān)測23次。如果兩次填筑間隔時間較長,每3天至少監(jiān)測一次。路堤經(jīng)過分層填筑達到預(yù)壓高程后,在預(yù)壓期的前23個月內(nèi),每5天監(jiān)測一次,三個月后715天監(jiān)測一次,半年后一個月監(jiān)測一次,一直監(jiān)測到設(shè)計要求的時間。7路基工后沉降量的推算與評估路基沉降需要經(jīng)過一個較長的過程,在施加荷載的初期,沉降速率由小到大,隨著時間增長,沉降的速度由大變小,沉降過程趨于穩(wěn)定。填土高度不同的路基,沉降曲線的斜率不同。沉降速率越大,沉降穩(wěn)定需要的時間越長。但當路堤達
14、到設(shè)計高度后,其沉降可以某種曲線方程描述。路基沉降在荷載保持穩(wěn)定條件下的地基沉降可用下列三種曲線來擬合:對數(shù)曲線:StS0=alg(tt0)雙曲線St=So+指數(shù)曲線:StS0=a1-e利用這些曲線方程可以計算任一時刻t(tt0)沉降量St,沉降速率St以及沉降速率變化率St,當t時,利用極限方程可以推算出最終地基沉降量S。其中t0為荷載穩(wěn)定之后的某一時刻。三種曲線在擬合沉降規(guī)律時計算結(jié)果是有有差別的,就推算最終沉降量而言,對數(shù)曲線推算的結(jié)果最大,指數(shù)曲線推算結(jié)果最小,受荷載大小、地基條件、地基處理方法等多種因素制約,需要用多種方法作出綜合判斷。其中雙曲線法和對數(shù)曲線法在不少工程中得到應(yīng)用,并
15、取得一定成果。7.1繪制沉降曲線路基施工至設(shè)計預(yù)壓標高后,持續(xù)監(jiān)測不少于6個月,將監(jiān)測數(shù)據(jù)分剖面繪制成“時間填土高沉降量“曲線,如下圖所示。再按實際沉降推算法推算總沉降量、工后沉降值及后期的沉降速率,根據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合工期要求,驗證設(shè)計、調(diào)整措施使沉降滿足施工控制要求。7.2沉降推算方法利用實測數(shù)據(jù)推算最終沉降量的,常用方法有,雙曲線法、三點法(對數(shù)曲線法)、沉降速率法、星野法(指數(shù)曲線法)及修正有雙曲線法等。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,推算方法與實際沉降對比,積累經(jīng)驗較多的的推算方法主要有雙曲線法和沉降速率法。時間填土高沉降量曲線7.3沉降推算7.3.1雙曲線法根據(jù)有關(guān)資料,滬寧高速公路路基沉降的研
16、究成果認為,假定沉降平均速度以雙曲線形式減少的推算方法比較合適,將實際的路基填筑施工情況與沉降監(jiān)測結(jié)果繪制成 “時間填土高沉降量“曲線后,圖形如下圖所示,路基填筑完成后,沉降變形曲線與雙曲線線型比較接近。采用雙曲線線型推算,自填土完成后的任意時刻,地基沉降量St可由下式計算求得:St=So+當t時,總沉降量S為:S= So+若預(yù)壓時間為t,則工后沉降量S為:S= S- St式中,So為填土完成時的沉降量(t0);t為預(yù)壓時間,以填土(含當量上部結(jié)構(gòu)荷載在內(nèi)的全部荷載)施工結(jié)束日為起算日(t0,可取值為t0=0);a、b為由實測值求得的推算系數(shù),其求法見下圖。地基沉降的雙曲線推算法示意圖 沉降推
17、算系數(shù)a、b值計算圖沉降速率法根據(jù)實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算,確定地基沉降速率,公式為:v=通過沉降速率的推算,便可計算出滿足工后沉降所需的預(yù)壓時間t時刻對應(yīng)的沉降速率,以此作為控制路基沉降穩(wěn)定與否的依據(jù)。7.4沉降分析評估的內(nèi)容與要求根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)推算沉降,推算的準確性必須經(jīng)過評估。系統(tǒng)的分析評估目前主要有以下三部分內(nèi)容:7.4.1監(jiān)測數(shù)據(jù)和趨勢確定的檢驗檢驗監(jiān)測數(shù)據(jù)與擬合的沉降雙曲線之間趨勢的符合性。當兩者之間的相關(guān)關(guān)系r,滿足相關(guān)系數(shù)r20.85時為“優(yōu)”。預(yù)測穩(wěn)定性檢驗根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和擬合的沉降曲線,推算一定時期(一般為6個月)后的沉降。推算前先進行預(yù)測分析。方法是,以預(yù)壓期前2個月監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以后逐步預(yù)測下個月的沉降,預(yù)測期限為預(yù)壓期第6個月的沉降,通過對預(yù)測沉降與實際監(jiān)測結(jié)果比較時間,當偏差8mm時,認為預(yù)測的穩(wěn)定性達到了“優(yōu)”,并以此進行工后沉降及總沉降量推算的初步依據(jù)。7.4.3預(yù)測準確性
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