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高速铁路无砟轨道路基及过渡段结构长期测试分析

张国发  
【摘要】:随着高速铁路的建设发展,基于变形控制的设计理念,对路基工后沉降提出了严格的要求。由于路基工后沉降受地基土性质、地基处理方式、路堤填筑材料、路基结构形式、动静荷载作用及环境变化等诸多因素影响,国内外专家、学者进行了大量的试验和理论分析,得到了较多的研究成果,但对于采用高强度桩复合地基处理技术与优质填料构筑而成的路基及过渡段结构在高速铁路中的应用经验还不够丰富,尤其是关于高速铁路路基及过渡段结构的长期系统测试研究还较少。因此,开展高速铁路路基及过渡段结构的长期力学响应测试分析具有重要的应用价值及工程意义。 本文基于传感器网络路基自动测试系统开展了京津高速铁路试验工点、京沪高速铁路试验工点的现场原位观测。京津高速铁路试验工点系统地观测了路堤及地基压密下沉、地基及扶壁式挡土墙水平位移、基床结构累积下沉、基床和地基土表层含水率及温度变化、地下水位升降、摩擦板与桥台差异变形、端刺与路堤填土差异沉降、轨道板与支承层三向相对位移及区间路基两块相邻轨道板间纵向相对变形等变化规律,重点分析了列车与路堤长期荷载以及外界环境作用下的路基结构的工程特性;京沪高速铁路试验工点观测了复合地基筏板与承台相对变形、复合地基桩土应力及沉降、CFG桩及桥台桩基应变、桥台桩基沉降、桥台背土压力、桥台纵向水平位移、桥台与路基差异沉降、路堤压密累积下沉、路堤填土含水率、地下水位等的变化趋势,着重分析了过渡段结构力学响应,主要结论如下。 一、京津城际高速铁路试验工点 (1)支承层边缘基床表层、挡墙顶面处路基表层及地基表层体积含水量出现夏季大、冬季小的周期性变化规律,一个年周期体积含水量的变化分别为18%-56%、17.5%-55.7%、8.6%-41.5%。地下水位与地温受季节影响也出现夏季较高、冬季较低的周期性变化,一个年周期内地下水位变化约为1.3m-2.1m,路基面及地基面下2m范围的温度变化幅度约36℃。 (2)铺轨完成后,在路堤坡脚地基中竖向钻孔埋设了6根长度分别15m、30m、45m、50m、50m、60m的基准管桩进行单点沉降测试,近三年的地基累积沉降测试值为1.95mm-9.8mm。地基沉降总体已趋于稳定,但个别测点沉降仍在缓慢发展。同时,在路基面钻孔埋设了2根路堤填土范围的基准管桩进行单点沉降测试,路堤累积沉降测试值前期变化相对较大,18个月后逐渐趋于稳定,近三年的路堤累积沉降测试值约0.81mm-1.18mm。 (3)过渡段摩擦板与桥台间沿线路纵向出现夏季接近、冬季拉开的周期性变形,一个年周期内的摩擦板与桥台纵向相对变形最大值为8.2mm;其垂向差异沉降也逐渐增加,一年后逐渐趋于稳定,稳定后的垂向差异沉降值约为0.8mm~1.65mm。区间路堤两块相邻轨道板的纵向相对变形也出现了随季节的周期性变化,一个年周期内的相对变形最大值为1.26mm。 (4)轨道板与支持层垂向相对变形出现夏季变形小,冬季变形大的周期性变化,一个周期内的变形最大值为1.32mm,其变形量占CA砂浆厚度(30mm)的4.40%,垂向温度梯度变化比较明显,轨道板有微小的上翘现象;轨道板与支承层的纵向相对变形出现周期性变化,且测试值逐渐增大,营运三年的纵向相对变形最大测试值为0.64mm;轨道板与支承层横向相对变形出现周期性变化,一个周期内的相对变形最大值为0.44mm。 二、京沪高速铁路试验工点 (1)镇江工点,CFG桩及桩间土压力随路堤填筑高度增加而增大,桩对角中心土压力增长速率大于桩轴线中心土压力增长速率,铺轨完成稳定后的桩顶土压力平均测试值为450.52kPa,桩间土压力平均测试值为81.86kPa,即桩土应力比为5.5。沉降稳定后的桩顶及桩间土沉降平均测试值分别为7.67mm、15.17mm,桩间土沉降值是桩顶沉降值的1.98倍。路堤填筑完成后,6个月的路堤土体累积沉降值为0.17mm。 (2)镇江工点,桥台桩基应变自桩顶向下先增大后逐渐减小,应变在3.5m附近达到最大,最大测试值约115.96με,桩顶下28.5m处桩身应变减小到20.95με,稳定后桩顶下1.0m、3.5m、8.0m、21.5m、28.5m的桩身应变值分别为30.5με、115.96με68.57με、21.57με、20.95με。复合地基CFG桩顶下1.6m、3.6m、4.6m、6.6m的桩身应变稳定平均值分别为3.95με、6.89με、17.73με、33.61με,CFG桩侧摩阻力发挥不明显。 (3)镇江工点,路堤与桥台垂向差异沉降逐渐增大,两年累积差异沉降测试值为2.76mm,其中,铺轨结束后近一年的差异沉降测试值约0.46mm;沧州工点,过渡段地基筏板与承台纵向、垂向差异变形随时间增长而逐渐增加,筏板与承台27个月的差异沉降累积测试值为21.58mm,纵向相对变形测试值9.85mm。 (4)镇江工点,路基面下1m与5m处的体积含水量变化比较稳定,一个年周期内的变化范围为2.0%~5.1%;沧州工点,路基面下4m和6m处体积含水量变化规律一致,出现夏季含水量大,冬季含水量小的周期性变化,一个年周期内的体积含水量变化范围为5%~20%。 (5)沧州工点,桥台前地基面下4.5m~13.5m范围内土体受到侧向上压力,整体产生远离路基方向的变形,变形值差异不大,平均变形值约0.65mm;地基面下0m~4m范围内土体产生靠近路基方向的最大变形测试值为2.46mm:地基面下13.5m~20m范围内变形较小,说明路堤垂向荷载作用对地基侧向变形比较明显。


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