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1、石家庄铁道大学毕业论文引言 与第一章合在一起写近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，我国加大了对高速铁路的建设力度。我国计划在2020年，全国铁路营运历程达到10万km，其中在主要通道将建设客运专线1.2万km以上。随着铁路速度的提高，对高速铁路工程的标准和要求也将大大提高，随之将面临更多的问题与挑战。路基沉降控制是其中的主要问题之一。沉降问题处理的好坏直接影响到工程的施工、铁路的运营甚至列车运行的安全。我国幅员辽阔，地质情况复杂，更加需要在这方面的研究。本文就黄土路基沉降的观测及控制技术进行了整理。第1章、沉降的机理1.1 土的形成土是岩石在长期风化作用下产生的大小不同的松散颗
2、粒，经过各种地质作用而形成的堆积物。它是各种矿物颗粒的疏松集合体。岩石和土的性质与其生成的地质年代有关。一般生成年代越久，则上覆土层越厚，土被压的越紧密，收到的化学作用或胶结作用就越大，土粒间的联结性就越强，因而强度也就越大，压缩性也就越小。与此相反，新近堆积的土土质较软，因为沉积历史不长，沉积物尚未胶结盐化，这些土通常是松散软弱的多孔体，工程性质较差。1.2 土的组成土一般是由固体颗粒（土粒）和颗粒之间空隙中的水和气体所组成，可以把土看成是一种三相分散系，即由固相、液相和气相所组成的分散体系。只有在特殊情况下才由两相组成；当土粒间的空隙中只有空气时，就形成了干土，由固相和气相组成。土粒。土粒
3、指的是土中的固体颗粒，它构成了土体的骨架，其矿物成分、形状和大小是决定土的工程性质的主要因素。土中颗粒的矿物成分包括原生矿物、次生矿物和腐殖质3部分，三者特性见表表1-1 矿物成分及特性矿物成分特性原生矿物岩石经物理风化而成，其化学成分与母岩相同，性质比较稳定。颗粒以粗粒为主含粉粒次生矿物岩石经化学风化或生物风化形成的新矿物，其化学成分与母岩不同。粘土矿物是最重要的次生矿物。颗粒为细粒（以黏粒为主）腐殖质（泥炭、有机酸及盐类）可能有强烈的吸水性，相当高的可塑性，明显的湿胀和干缩性以及低强度和高压缩性。 土粒由粗到细逐渐变化时，土的工程性质也相应发生变化。粒径大小在一定范围内的土粒，其工程性质也
4、比较接近。1.3 土的构造土的结构一般分为单粒结构，蜂窝结构，絮状结构。在天然状态下任何一种土都有不同的土粒混杂而成，所以真正的土粒结构是混合起来的复杂形式土的构造分为：层状构造：土在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小不同，沿铅直方向成层状分布。这种层状构造反映不同年代不同搬运条件形成的土层，是细粒土的重要特性。分散构造：土层颗粒分布均匀，性质相近，常见于厚度较大的粗粒土。裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物，某些硬塑或坚硬状态的黏土具有此种构造，而黄土具有特殊的柱状裂隙。裂隙的存在大大降低了土体强度和稳定性，破坏了土的整体性，增大了透水性，
5、对工程不利。1.4 土的工程特性土与其他的连续介质相比，其最明显的三个工程特性是：1、压缩性高因为土是松散的集合体，土粒间有孔隙，受压后空隙显著减小，所以其压缩性要明显高于其他的连续介质。2、承载力低 土的强度就是知抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。土是一种松散的颗粒集合体，颗粒之间的联结强度远远小于颗粒本身的强度，颗粒之间在受到外力作用后具有较大的相对移动性，这说明土的抗剪强度很差。土体的承载力实质上取决于土的抗剪强度，因此土的承载力较低。3、渗透性强 土不是连续介质，颗粒之间存在着孔隙，因此土的渗透性比其他材料大，特别是粗粒土，具有很强的渗透性。1.5 土体的沉降机理对于长期形成的天然土层
6、，土在自重力作用下，其沉降早已稳定，不会引起新的变形，附加应力在土中引起了应力增量，这将使地基产生新的变形，变形包括竖向变形和侧向变形，其中竖向变形对建筑物基础的沉降起主要作用。土体由在压力的作用下体积减小的性质即土的压缩性。土体被压实后的变形包括：1、土粒发生相对移动，部分气体和水被排挤出货溶解于孔隙水中，是孔隙体积减小；2、土粒本身被压缩；3、土中水及封闭于土中的气体被压缩。一般情况下后两种体积减小量远远小于孔隙体积减小量，可忽略不计。因此，在讨论土的压缩性时，假定水和土粒是不可压缩的，认为土体的压缩时由于土中水、气体所占据的孔隙体积减小造成的。土粒的移动、靠拢及孔隙水的基础都需要经历一定
7、的时间才能够完成，因而土的压缩变形也需要持续一定的时间才能趋于稳定。对于无粘性土，压缩过程所需的时间较短。对于饱和粘性土，由于水被挤出的速度较慢，压缩过程所需的时间就相当长，需几年甚至几十年才能压缩稳定。对于路基基础最终的沉降量一般用分层综合法确定。对于沉降与时间的关系一般用有效应力原理来解决。由有效原理可知：土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力；作用于骨架上的有效应力是影响图的变形和强度的决定因素。因而土的渗透固结过程的长短主要取决于土层的排水距离、渗透系数和压缩系数的大小等因素，一般建筑物在施工期内完成的沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已基本完成；对于地压缩性黏性土可认为已完成最终沉降量
8、的50%80%；对于压缩性粘土可认为已完成20%50%；对于高压缩性黏土可认为已完成5%20%。未完成的沉降量在建筑物建成后继续沉降就形成工后沉降。工后沉降对于工程运营危害很大。53第2章、高速铁路路基工后沉降要求及工后沉降对工程施工和运营的危害高速铁路与常速铁路相比最大的区别在于线路高平顺特性方面。高平顺性最终的体现是在轨道上，要求它不仅在空间上具有平缓的线性，而在时间上还必须具有稳固的高保持性。由此决定了告诉铁路技术设施各主要组成部分的技术参数与技术规定的严格性。高速铁路的出现对传统铁路的设计施工和养护维修提出了新的挑战，在许多方面深化和改变了传统的设计方法和观念。高速铁路路基应按土工结构
9、物进行设计，其地基处理、路堤填筑、边坡支挡防护以及排水设计等必须有足够的强度、稳定性和耐久性，使之能够抵抗各种自然因素作用的影响，确保列车高速、平稳、安全运行。控制变形是路基设计的关键，采用各种不同路基结构形式的首要目的是为了给高速线路提供一个高平顺、均匀和稳定的轨下基础。由散体材料组成的路基是整个线路结构中最薄弱最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。它在多次重复荷载的作用下所产生的积累永久下沉（残余变形）将造成轨道的不平顺，同时期刚度对轨道面得弹性变形也起关键作用，因而对列车的高速走行有重要影响。高速行车对轨道变形有严格要求，因此变形问题便成为高速铁路设计所考虑的主要控制因素。就路基而言，过
10、去多注重于强度设计，并以强度作为轨下系统设计的主要控制条件。而现在强度已不成问题，一般在达到强度破坏以前，可能已经出现了过大的有害变形。日本东海道新干线的设计时速为200km/h，由于其在设计中仅仅采取了轨道的加强措施，而忽略了路基的强化，以至从1965年开始，因为路基的严重下沉，致使路基病害不断，线路变形严重超限，不得不对线路以每年30km以上的速度大举维修，10年内中断行车200多次，列车运行平均速度也降到100km/h110km/h。变形问题相当复杂，是一个世界性难题。日本及欧洲等国虽然实现了高速，但他们都是通过采用高标准的昂贵的强化线路结构和高质量的养护维修技术来弥补这方面得不足。日本
11、对此不惜代价，在上越和东北新干线上，高架桥延长米数所占比例分别为49%和57%，路基仅占1%和6%。所以，变形问题是轨下设计的关键。由于普通铁路行车速度慢、运量小，因此在以往的设计中，只鼓励的研究轮、轨的相互作用，并把这种相互作用狭义的理解为轮、轨接触部位的几何学、运动学、动力学的关系，而忽略了路基的影响，其中各个部分的设计也只局限于本专业范围内。对于高速铁路，轮轨系统应该是车轮、钢轨、道床、路基各部分相互作用的整体。一位包括路基在内的轨下系统的垂向变形集中反映在轨面上，而且又直接影响着轮轨作用力的大小。所以在轮轨系统作用研究中，必须把各个部分作为一个整体系统来分析，建立适当的模型，着眼于各自
12、的基本参数和运用状态，进行系统的最佳设计，实现轮轨系统的合理匹配，尽可能降低轮轨作用力，以保证列车的高速安全运行。高速铁路路基作为无碴轨道结构的基础，对路基的沉降变形非常敏感，要求沉降控制在非常小的范围之内。工后沉降指的是路基上部关键部位竣工验收后整个构筑物体系所产生的沉降量，是路基沉降的主要控制对象。对于调高量为30 mm的扣件，扣除施工误差+6 mm、一4 mm，仅有20 mm可以调整，再考虑列车运行时需要预留5 mm的余量，实际留给运营期间路基沉降的允许调整量仅为15 mm。只有路基沉降量不大于15 mm，才能保证设计的轨道高程。如果沉降量大于15 mm，将不能调整到原来的轨面高程。根据
13、德国的计算和经验，路基的允许工后沉降量为扣件留给路基沉降调整量的3倍时，在扣件调整后，通过圆顺线路(即竖曲线)，也能够满足运营要求。德国8360401行业标准中“路基工程设计、施工与维护标准”(译名)中规定，长度大于20 m沉降比较均匀的路基，允许的最大工后沉降量为扣件允许调高量减去5 mm后的2倍。如允许的扣件调高量为20 mm，减去5 mm后为15 mm，这时允许的工后沉降为30 mm。国内关于无砟轨道的规范规定：路基在无砟轨道铺设完成后的工后沉降，应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。无砟轨道路基工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm；沉降比较均匀、长度大于20 m的路基，允
14、许的最大工后沉降量为30 mm，并且调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足下列要求 (2-1)式中轨面圆顺的竖曲线半径，m； 设计最高速度，kmh。对于路桥、路涵等过渡段沉降造成的折角，日本新干线板式轨道线路规定不大于11 000，德国高速铁路无砟轨道技术标准中规定不大于1500。我国首次在路基上铺设无砟轨道，因此对铺轨工程完成后由于过渡段沉降而造成的折角。采用不大于1/1000进行控制。由于在不同结构物的连接处的差异沉降有时是不可避免的，在轨道结构中采用特殊的过渡措施可以允许有5 mm的差异沉降，因此规范中同时规定铺轨完成后路桥或路隧交界处的差异沉降小于5 mm。如表2-1。表2-1 高速铁路无
15、砟轨道路基工后沉降控制标准一般情况允许工后沉降均匀地基长20m允许工后沉降不均匀沉降差异沉降错台折角15mm30mm20mm/20m5mm1/1000我国不同线路表准的路基控制标准见表2-2。表2-2 我国不同线路表准的路基控制标准路基类别一般路基秦沈客运专线京沪暂规（2000）京沪暂规（2005）无砟轨道路基速度目标/(km/h)120200300350350工后沉降/cm30151053台后沉降/cm853不均匀沉降轨道线路满足竖曲线Ra0.4Ve2差异沉降5第3章、黄土的性质3.1 湿陷性黄土的结构与分布通常将具有以下特性的土称为黄土：颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；颗粒组成以粉粒(0.050.005mm)为主，含量一般在60以上；有肉眼可见的大孔隙、较大孔隙，一般在10mm左右；富含碳酸盐；垂直节理发育公路工程上，根据黄土沉积时代不同，可将黄土分为新黄土(如马兰黄土)、老黄土(离石黄土、)、红色黄土(午城黄土)三类；根据黄土的湿陷性又
