(整理)工后沉降的数值分析

郑西高速客运专线填料改良及地基处理

工程试验研究

报告3

路基工后沉降的数值分析

兰州交通大学

铁道第二勘察设计院二OO五年元月

目录

1 计算模型 (1)

2 计算参数 (2)

3 计算荷载 (2)

4 工后沉降计算标准 (3)

5计算内容 (3)

6计算结果 (3)

6.1路基本体沉降量 (3)

6.2天然黄土地基总沉降量及工后沉降量 (4)

7强夯地基沉降量计算 (10)

8灰土挤密桩和CFG桩地基沉降量计算 (16)

9按工后沉降3cm控制的情况 (23)

10结论 (26)

湿陷性黄土属于非饱和的欠压密土，具有较大的孔隙率和偏低的干密度，是其产生湿陷性的根本原因，湿陷性黄土的最大特点是:在土的自重压力和土的附加压力与自重压力共同作用下受水浸湿时将发生急剧而大量的附加下沉现象。新建铁路郑州至西安客运专线三门峡市辖区段处于低山丘陵区，沿线大部分地段通过黄土堆积地貌单元。黄土地区占线路总长约85%。该线为时速200km/h以上的一次双线客运专线铁路。对路基填料（含基床底层）的压实度和工后沉降要求将会十分严格。

根据日本和法国及德国的经验，满足高速铁路的轨道平顺性除要严格控制路基的均匀沉降外，不均匀沉降控制更为关键。因此，本报告采用分层总和法和平面有限元方法对黄土地段的几种地基处理措施进行了分析研究，得出了一些有益的结论，为工程设计和施工提供参考。

1 计算模型

采用平面有限元方法对其进行分析，并采用弹塑性本构模型（Drucker－Prager）。选取的计算区域为：黄土地基竖向尺寸取为黄土层的厚度，根据不同情况分别选取8m、12m、15m，横向分析长度取为路堤宽度以外20m。其边界条件如下：顶面为自由表面，两边为横向约束，底面为固定约束。

采用ANSYS有限元分析软件，计算路基总沉降量。

图1为双线路堤标准横断面；图2为有限元分析模型。

图1 双线路堤标准横断面

图2 计算模型（H ≤8m ）

2 计算参数

计算分析中有关土层及路基材料参数，参照工程地质手册、铁路路基规范以及现场试坑和钻孔资料。具体数值见表1。

表1 计算参数

按土体在自重作用下的应力计算(自重应力场)。同时考虑列车活载的作用。列车荷载为ZK 活载和中活载。根据《京沪高速铁路设计暂行规定》，取换算土柱宽为3.4m ，高分别为2.7m 和3.0m （当容重为20kN/m 3）。

沉降计算按单线有车进行考虑。

当采用分层总和法计算沉降时，黄土层较厚时，取压缩层深度满足条件：z cz =0.1σσ，当黄土层较薄时（本报告取黄土层厚度为8m 、12m 、15m ）就取此黄土层厚度。有限元法

计算沉降时，不论土层有多厚，均计入。

4 工后沉降计算标准

郑西客运专线要求工后沉降量不大于5cm。

《京沪高速铁路设计暂行规定》定义工后沉降量为基础设施铺轨时的沉降量与最终形成的沉降量之差，我们把此定义简称为标准一；

根据经验，黄土地基因填土自重所产生的压缩下沉量，大部分已在施工期间完成，约占地基总沉降量的80％～90％。另外，地基的工后沉降也仅占路基沉降的小部分，约为10％～20％。所以，计算时把地基的工后沉降占地基总沉降的10％考虑，简称标准二；把地基的工后沉降占地基总沉降的20％考虑，简称标准三。后两种标准可以作为标准一的参考。

5计算内容

（1）根据郑西线实际湿陷性黄土的分布情况，选取黄土层厚度分别为D＝8m、12m 和15m进行计算。

（2）路堤高度选取了3种有代表性的高度，分别为H=4m、6m、8m。

（3）天然黄土的压缩模量选取了4种情况，分别为Es＝2MPa、3MPa、5MPa、8MPa。当采用强夯、灰土桩或CFG桩处理时，此模量为未加固部分的模量。

（4）强夯地基的处理厚度按Dh＝4m和Dh＝6m进行计算。

（5）灰土挤密桩和CFG桩复合地基，按复合模量法进行计算。计算时桩长根据不

＝5MPa、同路堤高度进行选取，分别为L=8m、10m、12m、14m。复合地基模量分别取为：E

sp

7.5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa。

（6）工后沉降量控制标准为3cm时的地基处理措施及范围。

6计算结果

6.1路基本体沉降量

表2、图3为路堤沉降量与路堤高度之间的关系，从表中可以看出，路堤的沉降量约为路堤高度的0.14～0.25％,两种活载差别不大。根据国内外高速铁路的经验和实测资料，路堤填土压实沉降量当路堤以粗粒土、碎石类土填筑时，约为路堤高度的0.1～0.3％；当以细粒土填筑时，约为路堤高度的0.3～0.5％。该部分沉降量一般在路堤竣工之后一年左右完成，因此控制路堤沉降主要是控制地基的工后沉降。

表2 路堤沉降量与路堤高度之间的关系

00.20.40.60.811.21.41.61.822.2

45678

路堤高度/m

路堤沉降量/c m

图3 路堤沉降量随路堤高度的变化曲线

6.2天然黄土地基总沉降量及工后沉降量 6.2.1分层总和法计算结果

采用分层总和法计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论。其最终变形量可按下式计算：

s 111s=()n

i i i i i si

p z z E ψαα--=-∑

计算中选取了CK257+280处的试坑资料进行计算，计算深度为13.2m,计算参数见表3所示。

表3 分层总和法计算参数

增加而增大，而工后沉降量随路堤高度的增加而减小，并且在两种活载作用下都满足工后沉降小于5cm 的要求。标准二也全满足要求。标准三全部不满足要求。按标准一计算，中活载比ZK 活载的工后沉降量大11％左右，按标准二和三计算，中活载比ZK 活载的工