毕业论文-客运专线铁路沉降位移观测.doc
《毕业论文-客运专线铁路沉降位移观测.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文-客运专线铁路沉降位移观测.doc（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
毕业设计（论文）专用纸
摘要
为确保高速列车的行车安全，尽量满足旅客对舒适度的要求，并减少日常维修工作，客运专线路基工后沉降控制标准越来越高。
本文主要介绍了铁路路基沉降的控制标准，影响铁路路基沉降的因素以及控制铁路路基沉降的控制方法。
建立了有限元模型，模拟逐级加荷条件下路基的沉降变形，为路基填筑施工控制提供了科学的参考；分析轨道与列车荷载特点，对轨道、列车荷载在稳定、沉降计算中的考虑方式与简化形式提出了建议，同时用分离式和复合模量两种方法对某高速铁路客运专线段复合地基加固路基在列车荷载作用下的沉降特性进行了有限元分析，计算结果验证了黄土复合地基刚度加固设计的可靠性；介绍了沉降设施的布置原则和技术要求及工后沉降量推算计算方法；以武广铁路客运专线实测数据为基础，分析了超载预压路基沉降规律及特征，总结了与之相适应的评估技术要求和经验；通过对各种基础形式的荷载传递特性、复合地基的形成条件等内容的研究，提出客运专线路基沉降控制分析应根据路堤基底垫层形式、加固桩的类型，采用复合地基或复合桩基理论进行；对管桩网结构复合地基的变形特征和影响因素进行了分析。
关键词：
沉降控制；路堤填筑；列车荷载；超载预压；复合地基
Abstract
Toensurehigh-speedtraintrafficsafety,tomeettherequirementsofvisitorscomfortandreduceroutinemaintenancework:
thecontrollingstandardsofthepost—constructionsettlementofpassengerdedicatedlineisincreasingly.thearticlebrieflyintroducesthestandardofthecontroloftherailwayembankmentsettlement,thefactorsofaffectingtherailwayembankmentsettlementandcontrollingmethodsforthesettlementoftherailway.
ThearticleestablishfiniteelementmodeltosimulatethesubgradeundertheconditionsofProgressiveLoadingSettlement,thenprovideascientificreferenceforconstructioncontrolofembankmentfilling.Itanalysisesthecharacteristicsofthetrackandthetrainloading,considertheformofrecommendationsonthetrack,thetrainloadinthestabilityofsettlementcalculationandsimplifiedway.Atthesametimeitfiniteelementanalysistoahigh-speeddedicatedpassengerrailwayembankmentsectionofCompositeFoundationundertrainloadsettlementcharacteristicswithtwowaysseparateandcompositemodulus.Theresultsverifytheloesscompositefoundationstiffnessreliabilityofreinforcement.Thearticlebrieflyintroducesthefoundationprinciplesandtechnicalrequirements,andtheamountofsettlement.ItanalysisesoftheSettlementLawofsurchargepreloadingandfeaturesandsummarizesthecorrespondingassessmentoftechnicalrequirementsandexperiencebasedonthededicatedtothemeasureddataWuhan-GuangzhouPassenger.Basedonthestudyingforvariousformsofloadtransfercharacteristicsoftheformationofcompositegroundconditions,itProposessubgradesettlementcontrolanalysisshouldbebasedonembankmentcushionform,thetypeofpilereinforcement.Thegrounddeformationcharacteristicsandinfluencingfactorsareanalyzedinthecomplexstructureofpipenetwork.
Keywords:
settlementcontrolling;fillingembankment;trainload;Surchargepreloading;thecushionformoftheembankmentbase
目录
第1章绪论 -5-
1.1我国铁路桥梁建设现状 -5-
1.2课题研究的意义 -5-
第2章路基沉降控制标准 -6-
2.1路基沉降控制的目的 -6-
2.2路基沉降控制的标准 -6-
第3章影响路基沉降因素 -7-
3.1路堤填筑 -7-
3.1.1工程概况 -7-
3.1.2 逐级加荷有限元模型的建立 -8-
3.1.2.1建立有限元分析模型 -8-
3.1.2.2 计算参数 -9-
3.1.2.3路基逐级填筑的模拟 -10-
3.1.3数值计算结果分析 -11-
3.1.3.1模拟计算结果与实测沉降比较 -11-
3.1.3.2有限元模拟施工水平及竖向位移 -12-
3.2列车运行 -13-
3.2.1列车荷载作用下的稳定验算与沉降计算 -13-
3.2.2列车荷载作用下的复合地基的沉降特性分析 -14-
3.2.2.1某工程概况及参数 -14-
3.2.2.2分析方法 -15-
3.2.2.3计算模型及荷载 -16-
3.2.2.4计算结果分析 -17-
第4章路基沉降控制方法 -18-
4.1 路基沉降观测 -18-
4.1.1路基沉降观测的目的 -18-
4.1.2沉降观测装置的布置原则 -18-
4.1.3沉降观测装置的埋设 -18-
4.2 超载预压 -20-
4.2.1超载预压法 -20-
4.2.2典型超载预压段的变形特征 -20-
4.2.3沉降变形分析评估的技术要求和经验 -22-
4.3复合地基 -23-
4.3.1复合地基的定义与本质 -23-
4.3.2客运专线路基地基加固常用形式与分析 -25-
4.3.3复合地基沉降量计算 -25-
第5章结论 -27-
致谢 -28-
参考文献 -29-
第1章绪论
1.1我国铁路桥梁建设现状
铁路桥梁是一种功能性的建筑物。
我国自改革开放以来，铁路桥梁建设得到了飞速的发展，对改善人民的生活环境，改善投资环境，促进经济的腾飞，起到了关键性的作用。
我国铁路桥梁的建设正处于一个迅速发展的阶段，从材料的开发应用、科研成果的应用，到设计水平、制造水平、施工技术水平的提高，都越来越与铁路桥梁建设的规模相适应。
目前我国在建的铁路桥梁，无论从建设跨度、建设规模，还是建设难度、建设水平都达到了一个新的高度。
我国先后建成了武汉长江大桥（1957年建成）、南京长江大桥（1968年建成）、九江长江大桥（1993年建成，位于江西九江）和芜湖长江大桥（2000年建成，位于安徽芜湖）4座里程碑式的公铁两用特大钢桥，实现了全部自行设计、制造和施工。
目前正在兴建的武汉天兴洲长江大桥（位于湖北武汉）是当今世界跨度第一的公铁两用斜拉桥（主跨为504m），是世界上第一座按四线铁路修建的大跨度客货公铁两用斜拉桥。
这几座标志性桥梁的建设，显示了我国当前在公铁两用桥梁建设方面已经具备了世界先进水平。
1.2课题研究的意义
桥梁建设飞速发展的同时，旅客对火车平稳舒适度要求也逐渐提高，这必然要求逐渐提高铁路桥梁路基沉降控制的标准，但是目前的地基处理理论与设计方法主要事针对传统的软弱土地基，并不完全适合铁路桥梁路基工后沉降的设计计算与地基加工处理，为确保告诉列车的行车安全，尽量满足旅客对舒适度的要求，并减少日常维修工作，应提出更合理沉降变形控制体系。
第2章路基沉降控制标准
2.1路基沉降控制的目的
客运专线路基沉降控制的主要目的是控制路基的工后沉降，以确保高速列车的行车安全。
所谓路基的工后沉降，是指轨道工程铺设后在路基荷载和列车荷载作用下，路基发生的剩余沉降，即最终形成的总沉降量与路基竣工铺轨开始时的沉降量之差。
2.2路基沉降控制的标准
客运专线路基工后沉降控制标准的确定，既要考虑列车对路基的要求及线路维修能力，也要考虑前期建设投资与后期养护费用的经济比较，在保证客运专线列车高速、安全与平稳运行的前提下，应取得经济上的合理平衡。
目前，我国客运专线建设建设实践中采用的工后沉降控制标准如表1所示。
表1路基工后沉降控制标准
设计速度/（km/h）
轨道结构类型
一般地段工后沉降量/mm
过渡段工后沉降量/mm
沉降速率（mm/a）
250
有砟轨道
100
50
30
300/350
有砟轨道
50
30
20
250/300/350
无砟轨道
工后沉降量≤15mm；长度大于20m沉降比较均匀路基，工后沉降量≤30mm，且≥0.4。
路桥、路隧间差异沉降≤5mm，折角≤1‰
注：
——轨面圆顺的竖曲线半径（m）；——设计最高速度（km/h）。
从表1可以看出，同普通铁路、高速公路相比较，客运专线（特别是无砟轨道客运专线）路基工后沉降控制标准要严格得多。
因此，在路基工后沉降控制设计中，除传统的软土、松软土地基外，还需对可能发生较大沉降变形或不均匀沉降的其他土质地基进行必要的分析计算和加固处理。
第3章影响路基沉降因素
路堤填筑和列车运行是影响路基沉降的两个主要因素。
理论上讲路堤填筑或列车运行必然引起地基内附加应力产生，从而使地基土层压缩变形引起路基下沉。
3.1路堤填筑
路堤是路基的主要结构型式之一。
路堤的稳定与沉降关系到路堤是否能完成其预定功能的重要条件，也是路堤设计的主要内容。
随着我国高等级铁路建设不断向山区延伸，会越来越多地遇到在斜坡地基上填筑路堤的工程问题，对于此类问题，路基失稳和不协调变形是两种种常见病害。
路基沉降施工控制是公路修建质量的重要保证常规的路基体应力变形计算中，假定路基体一次到，荷载一次施加，则荷载的每一部分都由全结构来承。
而实际上，路堤或者路堤逐级加荷过程中，施工到一高度，只有该高度以下已填筑土体来承担这部分载，对尚未填筑的上层土体没有任何作用，上层土体受下层土体的影响。
下面结合河南省岭南高速公路路基断面监测成果，探讨了逐级填筑作用下路基沉降变形数值仿真技术。
3.1.1工程概况
以河南岭南高速公路第六标段里程K16+675处横断面填方路基工程为研究对象进行观测，编号01，该处路基原地面标高为2l1.646m，需填筑4m。
填料为风化碎石，具有一定的代表性。
路堤段为低山区，岩性为元古界黑云斜长片石夹斜长角闪片石，第四系坡洪积碎石土、砂砾土。
无不良岩土。
片岩表面强风化，风化层厚5～10m。
在该断面的路中和左右路肩分别埋设有沉降板，如图1所示。
通过监测发现在施工填筑期，地基沉降较快，尤其是沉降板cjl，由于其靠近农田，地基下土层为较厚的硬粘性土层，施工期间的总沉降量和沉降速率均稍偏大，最大沉降速率达11mm／d，发生在填筑高度为4.0m时，总沉降达100mm；沉降板cjl3靠近一个山坡，其下的地基土质较好，为粉土质砂，因此沉降速率和总沉降量都比较小。
填筑期间通过边桩监测到左侧地面略有上升。
图1填方路基断面沉降观测元件布置图（单位：
m）
3.1.2逐级加荷有限元模型的建立
采用有限元软件PLAXIS8．2进行计算，其功能为仿真分析土体在非线性或者与时间相关状态下的行为。
可模拟岩土及混凝土材料，模拟逐级加荷条件下路基的变形过程，而且还可以得到路基在各级荷载作用下地基不同位置的应力、应变数值和图形。
3.1.2.1建立有限元分析模型
建模的过程就是对实体进行有限元单元网格划分并定义材料的性质。
采用自动网格划分法，在路堤土和地基土的接触面以及地基土和基岩的接触面上采用共节点单元处理。
考虑到材料的非线性性质，塑性变形区域采用足够的网格密度。
（1）计算区域的选定
所选路基断面为非对称，该断面左侧地基土为较深厚的粘土层（麦田），右侧地基土为粉质砂土，附近为一山坡。
计算中地基深度方向取填筑高度的4倍，约21m；长度方向取路堤底面的4倍为180m。
（2）边界条件的确定
如图2按照平面应变建立有限元模型。
边界条件为左右两侧水平约束，下部固定，上部为自由边界。
根据高路基填筑的具体情况，可将其划分为如图2所示的3个区域。
图中A区为路堤填筑体，B区为地基土，C区为基岩。
图2路基横截面分区及边界条件示意图
（3）单元划分类型的选择
对于2D有限元分析（该文为平面应变问题），软件可以选择6节点或者15节点三角形单元。
6节点单元划分是程序默认的网格划分方式，单元的插值为二阶，单元刚度矩阵是通过3个高斯点进行数值积分计算得到的。
l5节点三角形单元是一种非常精确的单元，对各类问题能得出精度很高的应力计算结果。
单元的插值为四阶，积分过程采用12个高斯点。
结构单元和界面单元类型将自动和土单元类型相匹配。
使用15节点三角形单元需要较大的内存，计算和运行相对较慢。
主要用于对应力结果要求非常高的2D有限元分析，6节点三角形单元对于很多问题的计算精度要求已经足够。
网格的生成是基于稳定的三角分割程
序，形成的是“非结构化”网格。
这些网格看上去可能较混乱，但是其数值计算一般优于规则（结构化）网格。
计算分析选用6节点平面三角形单元进行计算。
3.1.2.2计算参数
结合河南岭南高速公路工程地质勘察资料和粗颗粒室内大尺寸试验成果，并参考国内相关文献，计算所用参数指标如表2所示。
表2有限元模拟计算参数表
3.1.2.3路基逐级填筑的模拟
在路堤的填筑过程中，填筑体的荷载不是一次性施加的，反映在有限元的建模过程，也采用分层填筑的实际模拟算法，逐层进行计算，每层填筑体施加时，将其所有材料参数和几何模型激活，进入计算步，如此直到计算结束。
并将计算值与实际观测的每层沉降进行对比分析。
用分步施工功能实现路基的分层填筑。
分步施工是荷载输入最重要的类型，它的一个特点就是允许通过关闭或再次激活在几何图形输入里建立的荷载、块类组或结构对象，来修改几何图形和荷载设置。
分步施工可以对各种加载、施工和开挖过程进行较准确和符合实际的模拟。
这一选项还可以用来对材料数据组重新赋值，或者在几何图形里修改水压分布。
要执行分步施工计算，首先要建立一个几何模型，它包含了计算要用到的全部对象。
那些在计算一开始不需要用到的对象，应当在输入程序结束时的初始几何构造里关闭来模拟实际工程问题，如路基填筑、开挖隧道、桥梁施工等。
要达到关闭结构对象的效果，程序并不是将“关闭”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子，关闭的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效（但仍然在实际的单元载荷中出现）。
同样，关闭单元的质量和其他类似效果也设为0值。
关闭单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。
单元的应变在“关闭”的同时也将设为0。
与上面的过程相似，如果使单元处于“激活”的状态，并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。
用户必须在建模时生成所有单元，包括后面要被激活的单元。
在求解器中不能生成新的单元，要“加入”一个单元，先关闭它，然后在合适的载荷步中重新激活它。
当一个单元被重新激活时，其刚度、质量、单元载荷等将恢复其原始的数值。
重新激活的单元没有应变记录。
施工断面采用“分层轮加法”施工，每次填筑50～60cm，对有限元计算而言，相当于单元数目随着施工进程逐步增加，若严格按照每次填筑高度划分单元，虽然更精确地模拟了施工过程，但势必大大增加单元数目及计算工作量。
3.1.3数值计算结果分析
3.1.3.1模拟计算结果与实测沉降比较
对分层填筑的施工过程进行模拟，在每层荷载作、用下，计算该层下各填筑体以及路基和基岩的整体变形，并将此计算结果与实测数据进行对比。
该填筑体共分5层填筑，每层填筑高度相等。
高填方路基在分层填筑的过程中，有限元模拟施工沉降的计算结果与实测沉降的结果比较如图3所示。
根据计算结果可知，有限元计算的结果比实测结果偏小。
经过计算，沉降板所埋设位置处，3点的总沉降量分别为：
78、33、23mm。
cj1的模拟结果与实测结果开始比较接近，误差有逐渐加大的趋势，最大差值达到22，这是因为沉降板Cjl中间被撞断一次，后虽又接上，却带来一定的误差。
cj2的模拟结果与实测结果比较接近，施工过程中，沉降观测设备的保护较好。
cj3的模拟结果与实测结果总体趋势一致，模拟结果略小于实测结果，可见采用有限元法实现分级加载的模拟有较高的可信度。
从图3可以看出，采用有限元软件对模拟出的沉降结果比实测结果小，而且施工前期很小，但随着施工进程日趋增大。
这是因为随着施工的进行，应力水平不断提高，另外根据地质资料获取的计算参数也难以完全地反映现场实际情况，导致误差累积。
（a）cj1
（2）cj2（3）cj3
图3沉降板有限元模拟结果与实测结果对比图
3.1.3.2有限元模拟施工水平及竖向位移
通过有限元模拟得到了该路基水平位移、竖向位移云图如4、5所示，相对剪应力图如图6所示。
由图4、5可以看出，由于左侧路基下地基有较厚的粘性土层，竖向位移和水平位移均较大，地质条件的差异导致整个路基断面的差异沉降很大。
建议后续施工中考虑左侧路基沉降较大，应稍微加厚铺筑厚度，以平衡差异沉降，同时应延长每层填筑之间的停歇时问，使其充分沉降。
图4有限元模拟水平位移云图
图5有限元模拟竖向位移云图
图6有限元模拟相对剪应力图
受右侧山体影响，最大剪应力出现在路基中部和左侧坡脚处，但是未出现剪切破坏情况。
对斜坡地基上的路堤，塑性区发源于路堤与地基的交界部位，随路堤的填筑逐渐向上扩展，且塑性区面积在上部也逐渐增大，而在下部则主要分布于路堤与地基的接触面处。
在填筑加载期，坡脚处由于路堤填筑的加载作用有隆起现象，某级荷载填筑完毕后，该处即发生隆起，一旦重新填筑，该处又有新的隆起，这与实际情况相符。
3.2列车运行
3.2.1列车荷载作用下的稳定验算与沉降计算
对行驶列车的荷载，在稳定验算与沉降计算方面是应该区别对待的。
对稳定验算来说，失稳是在外部荷载超过地基抗剪强度的某个位置某个时刻发生的，所以要选择最不利的荷载组合，对于客运专线，应考虑双线有车，也就是应考虑2个荷载换算土柱。
从沉降变形的角度来看对列车荷载的影响，应考虑荷载作用的连续性，因为沉降变形的发生不是在某一荷载瞬间作用下完成的。
公路部门在做路面设计时，对于行驶的汽车荷载，采用当量标准轴载的方式进行考虑，有一定的合理性。
考虑到路基上轨道与列车荷载的特点，在进行客运专线的路基沉降计算时，并不宜直接套用公路部门的做法，合理的做法应该是考虑双线的轨道荷载，对于列车荷载则可以考虑单个荷载。
3.2.2列车荷载作用下的复合地基的沉降特性分析
近几年来，我国广泛采取复合地基的方法进行软土地区的地基处理，通过这种方法可以有效地提高地基承载力、减小沉降，在软土层的地质条件下，混凝土刚性桩复合地基更是一种有效的地基加固方法，但目前针对黄土铁路路基加固区动力响应的研究并不多，特别是以测得真实列车荷载对复合地基的动力分析研究。
下文将以行车舒适性为评价标准，进而研究黄土地区路基刚度加固措施、沉降控制标准，验证了黄土复合地基刚度加固设计的可靠性。
3.2.2.1某工程概况及参数
某客运专线的路堤横断面如图7所示，Ⅲ为堤身，Ⅱ为地基处理区地基，处理方法为挤密桩，I为处理区以下的地基。
图7复合地基加固路堤断面
路堤本体高度为6m，顶面宽度为13.6m，路基填料分4层材料及参数如表3所示。
表3路堤填料参数
路堤下部土体分为两层：
1）砂质黄土，厚度20m；2）粉质粘土，分布在20m以下。
地基采用水泥桩加固处理，桩径为0.6m，桩间距为1.05m，桩长为22m，正三角形布置，材料及参数如表4所示。
表4路堤下部材料参数
3.2.2.2分析方法
利用计算机有限元软件，采用分离式和复合模量两种方法计算该客运专线某段复合地基加固路基在列车静、动荷载作用下的沉降，分离式计算将桩体视为线弹性材料，桩间土的本构关系采用Drucker-Preger模型，在有限元分析方法中Dp材料需要三个参数，即粘聚力c、内摩擦角膨胀角（文中取0），以上角度单位是度，对于DP材料，其受压屈服强度大于受拉屈服强度。
如果已知单轴受拉屈服应力和单轴受压屈服应力，则内摩擦角和粘聚力可表示为：
（1）
上式中和与受压、受拉屈服应力的关系为：
（2）
复合模量法把加固区视为一种均匀的材料，计算中可将复地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合缩模量来评价复合土体的压缩性，竖向增强体复合地基复土压缩模量通常采用面积加权平均法计算，即：
（3）
其中，为桩体压缩模量；为土体复合模量；为土体缩模量；m为复合地基量换率，m=（三角形布置）；d为桩体直径；l为桩间距。
该工程计算值E=76.8M
升级会员 