高速铁路软土路基沉降的因素敏感性分析

1、第 27卷 第 1期 交 通 科 学 与 工 程Vo l. 27N o. 12011年 3月JOURNAL OF TRA NSPORT SCIENC E AND ENGINEERING M a r. 2011收稿日期 :2010-10-31:( , 男 , , 博士 .文章编号 :1674-599X (2011 01-0014-06高速铁路软土路基沉降的因素敏感性分析申永江 1, 徐志胜 1, 张华和 2, 严克伍3(1. 中南大学 , 土木建筑学院 , 湖南 长沙 410075; 2. 中铁十局建筑工程有限公司 ,山东 济南 250001; 3. 核工业井巷建设公司 , 浙江 湖州 3130

2、00摘 要 :运用弹塑性有限元法 , 分析 各影响因素 与路基 沉降的 相关关 系 , 计算各因 素的敏 感度 , 找出 影 响路基沉降的主 要因素 . 由计算和分析可知 , 在影响路基沉降的诸因素中 , 管桩长 度的敏感度最 大 , 软 土 层厚度次之 , 软土的内摩擦角敏感度最小 . 在软土各岩土体 参数中 , 弹性 模量和 粘聚力 对路基 沉降的 影 响也比较大 . 在软土层比较厚、 弹性模量和粘聚 力均比较小时 , 路基的沉降比较大 . 在软土路基的加 固措 施中 , 增大管桩长度 , 对控制路基沉降的效果比较好 ; 而增大筏板厚度 , 对控制路基沉降的效果则不明显 . 关键词 :高速

3、铁路 ; 软土路 基 ; 沉降 ; 因素敏感性 ; 有限元法 中图分类号 :U 213. 1+57 文献标识码 :AFactors sensitivity analysis of soft soil roadbedsettlement of high speed railwaySH EN Yong jiang 1, XU Zhi sheng 1, ZH A NG H ua he 2, YAN Ke w u 3(1. Scho ol of Civil Engineer ing and A r chit ecture, Centr al South U niver sity, Chang sha

4、410075, China;2. Const ruct ion Eng ineering of China Railway T ent h G ro up Co. , L T D, Jinan 250001, China;3. N uclear Industr ial Well&T unnel Constructio n Company, Huzho u 313000, ChinaAbstract:Based on elastic plastic finite element method, the relatio nship betw een the m ain influencin

5、g factors and roadbed settlement has been analy zed, and the influencing factor sensitivity of roadbed settlement has been studied. Among all of the main influen cing facto rs of ro adbed settlem ent, the sensitiv ity of the pipe pile length is the most im portant factor, and the sensitivity of soft

6、 soil layer thickness is the second important fac tor test, and the sensitiv ity of the soft soil internal friction angle is the smallest. In the soft so il par am eters, the influencing of elastic mo dulus and cohesion on the roadbed set tlement is obvious. It is rev ealed that the thicker the soft

7、 so il layer is, the more the r oadbed settlement is, and the less the elastic modulus and cohesion is, the m ore the r oadbed settlement is. In reinforced measures of soft soil roadbed, increasing the pipe pile length is effective to contro l the r oadbed settlem ent, and the effect o f increasing

8、r aft thickness is not obv io us.Key words:high speed railw ay; soft so il roadbed; settlement; factor sensitivity; finite ele ment method随着中国经济社 会发展的需要 , 最高时速达 350km 的高速铁路开始兴建 . 为了保证客车的运行安全 , 它对路基沉降的要求非常严格 . 在东南沿 海地区开始施工的沪宁和沪杭甬铁路客运专线经过地段 , 均分布有深厚的软土层 , 这为路基的加固 处理和路堤的施工带 来很大的困难 . 高速铁路软 土路基的加固处理方法多采用

9、预应力管桩与钢筋 混凝土筏板相结合的 方法 , 使软土路基和管桩筏 板加固系统组成一个整体 , 这样 , 路基的沉降就与 路基各土层的岩土体参数和加固措施的相关参数 有关 . 但是 , 在诸多影响因 素中 , 哪个因素占主导 地位 , 何种加固设计参数对路基沉降影响最大 , 这 需要进行因素的敏感性分析 . 分析软土和加固措施 的相关参数与路基沉降的相关关系 , 不但可以找出 影响路基沉降的主要因素 , 而且对软土路基沉降的 防治和加固措施的优化设计都具有重要意义 . 目前 , 对路基沉 降的研究多集中在路基沉降 的监测分析 1-5和预测研究 6-8, 还没有对路基沉 降影响因素进行敏感性分析

10、 . 吴瑞麟 9等人对拓 宽路堤的不均匀沉降 进行了因素敏感性分析 . 因 素敏感性分析方法是一种在诸多因素中找出主要 因素 的 有 效 方 法 , 已 广 泛 应 用 于 各 个 研 究 领 域 10-12. 笔者拟运用该方法 , 分析各因素与路基 沉降的相关关系 , 找出影响路基沉降的主要因素 , 为软土的加固设计提供参考 .1 路基沉降因素敏感性的计算原理软土路基的沉降与多种因素有关 , 如 :软土层 的厚度、 各层土体的参数和管桩长度等 . 因此 , 软 土路基的沉降量 S 可以视为诸因素的函数 , 即 S =f (X 1, X 2, , X n . (1 软土路基的影响因素复杂 ,

11、沉降量大 , 加固十 分困难 . 为了有 效加 固、 减 小沉降 和满足 工程要 求 , 必须了解何种因素对软土路基沉降的影响较 大和何种因素会有效 地减小沉降 . 因素敏感性分 析就是处理此类问题 的一种很好的方法 . 软土路 基沉降因素敏感性分析主要研究影响软土路基沉 降的各因素与相应的 沉降量之间的相关关系 . 它 由各因素的相对变化率与路基沉降量的相对变化 率之间的比值来进行衡量 , 第 i 个影响因素的敏感 度 q i 可表示为 :q i 式 中 :X iX i为 影 响 因 素 X i 的 相 对 变 化 率 ;iS i为路基沉降量 S 的相对变化率 .进行敏感性分析的过程为 :

12、按现场测试结 果或工程类比结果来选取一套基准参数 , 采用弹 塑性有限元法 , 计算出基准条件下 的路基沉降量 S; 将影响因素 中的一 个参数在 基准值附 近变 化 , 而保持其他因素水平不变 , 计算此情况下的路 基沉降量 S; 根据式 (2 计算各因素的敏感度 . 以沪杭客运 专线深厚软土路基的沉降为 例 , 采用弹塑性有限元法 , 对影响路基 沉降的软土层 的弹性模量、 泊松比、 粘聚力和内摩擦角、 软土层 的厚度、 管桩的长度及筏板的厚度 等因素进行敏 感性计算和分析 .2 有限元分析2. 1 工程地质条件沪杭铁路客运 专线 , 位于长江三角洲 冲积平 原 , 地貌类型属滨海平原地区

13、 . 路基地层由淤泥质 黏土、 软可塑黏土、 硬可塑黏土、 粉质黏土、 粉土及 粉砂等组成 , 地表以下 60m 深仍为第四系土层 , 路基沉降量大 , 工程采用了预应力 管桩与钢筋混 凝土筏板相结合的方法进行加固 .2. 2 基本假设1 按平面应变考虑 , 利用对称性进行分析 , 路 基地层的计算模型纵剖面如图 1所示 . 考虑该模 型四周与相邻土体的相互约束 , 左、 右边界加水平 约束 , 下边界 加水 平和竖 向约束 , 上边 界不加 约 束 . 软土层与硬质土层之间为完全连续接触 .图 1 计算模型纵剖 面示意Fig. 1 L ong itudinal sectio n ma p o

14、 ft del15第 1期 申永江 , 等 :高速铁路软土路基沉降的因素敏感性分析2 软土层和硬质土层均采用 Drucker Prager 弹塑性模 型 , 管 桩和 筏 板均 采 用线 弹 性梁 单元 模型 .3 桩土界面不考虑相对的滑移 , 在临界面上 共用有限元网格节点 , 以此来满足变形协调条件 . 通过岩土体、 管桩和筏板的变形来实现力的传递 . 4 管桩与筏板的连接点均为刚结点 , 可以传 递力和弯矩 .2. 3 材料参数进行有限元分析时 , 采用弹塑性材料来模拟 路基 , 用梁单元来模拟管桩和筏 板 . 路基岩土体、 管桩和混凝土筏板的物理参数见表 1.表 1 物理参数的基准值T

15、able 1 Datum value of mechanical parameter s材料类型 弹性模量E /M Pa泊松比内聚力C /kPa摩擦角/( 容重 / (kN m -3管桩及筏板 300000. 20-25软土层 300. 36101218硬塑性黏土或粉砂1500. 305020202. 4 有限元计算过程本研究采 用 了 ANSYS 大 型通 用 有限 元程 序 , 建立有限元模型 (如图 1所示 , 计算不同工况 下路基的沉降量 , 进行路基沉降的因 素敏感性分 析 . 为保持其他参数不变 , 各工况分别按比例变化 软土的弹性模量、 泊松比、 粘聚力、 内摩擦角及软土 层厚度

16、、 筏板厚度、 管桩长 度 , 计算相应的路基沉 降量 , 然后根据式 (2 计算各影响因素的敏感度 . 3 路基沉降因素敏感性分析建立弹塑性有限元分析模型 , 对影响路基沉 降的软土层的弹 性模量、 泊松比、 粘聚力、 内摩擦 角及软土层厚度、 管桩长度、 筏板厚度等因素进行 敏感性计算分析 . 路堤等效为压应力作用于钢筋 混凝土筏板上 . 根据现场钻探和室内试验获得岩 土体的基本参数 (见表 1.3. 1 软土弹性模量的敏感性分析根据现场钻探和室内试验得到软土 (淤泥质 粘土 的弹性模量为 30MPa. 保持其他参数不变 , 算 , 得到一组路基沉降量 . 弹性模量与路基沉降量 的关系如图

17、 2所示 .图 2 软土弹性模量与路基 沉降量的关系Fig. 2 Relat ionship betw een soft so il elastic mo dulus and r oadbed set tlement由图 2可 知 , 当 软 土 的 弹 性 模 量 在 10 80M Pa 变化时 , 路基沉降量随弹性模量的变化呈 向上凹的抛物线变化 , 而且随着弹 性模量的逐渐 增大路 基沉 降 逐渐 减小 . 当软 土 的弹 性 模量 从 30M Pa 减小 到 10M Pa 时 , 路 基沉 降量 增大 了 1. 2m m, 由式 (2 可得敏感度 q E 为 0. 0456. 当弹 性

18、模量由 30MPa 增大到 80M Pa 时 , 路基沉降量 减小了 0. 9mm, 由式 (2 可得敏感度 q E 为 0. 0182. 这表明软土的弹性模量与路基的沉降量关系十分 密切 , 减小弹性模量对路基沉降的 影响比增大弹 性模量对路基沉降的影响敏感 . 因此 , 在软土路基 的处理中 , 采用置换部分软土的方 法来增大其弹 性模量 , 对控制路基沉降是有效的方法 .3. 2 软土泊松比的敏感性分析根据现场钻探和室内 试验得到软土 (淤泥质 粘土 的泊松比为 0. 36. 保持其他参数不变 , 取泊 松比为 0. 320. 39, 进行有限元分析计算 , 得到一 组路基沉降量 . 泊

19、松比与路基沉降量的关系如图 3所示 .由图 3可知 , 当软土的泊松比在 0. 320. 39之间变化时 , 路基沉降量随泊松比 的变化呈向下 微凹的抛物线变化 , 而且随着泊松 比的增大而减 小 . 当软土的泊松比从 0. 36减小到 0. 32时 , 路基 沉降量增大了 0. 081m m, 由式 (2 可得敏感度 q 为 0. 0185. 当泊松比从 0. 36增大到 0. 39时 , 路 基沉降量减小了 0. 078mm, 由式 (2 可得敏感度 q 为 0. 0237. 这表明软土泊松比的增大对路基沉 降的影响更加敏感 , 但它比减小弹 性模量对路基 .16 交 通 科 学 与 工

20、程 第 27卷 图 3 软土泊 松比与路基沉降量的关系 Fig. 3 Relat ionship betw een soft so il Poisso nr atio and ro adbed settlement3. 3 软土粘聚力的敏感性分析根据现场钻探和室内试验得到软土 (淤泥质 粘土 的粘聚力为 10kPa. 保持其他参数不变 , 取 粘聚力为 2. 517. 5kPa, 进行有限元分析计算 , 得到一组路基沉降量 . 粘聚力与路基沉降量的关 系如图 4所示 .图 4 软土粘 聚力与路基沉降量的关系 Fig. 4 Relatio nship betw een so ft soil co

21、hesionand roadbed settlement由图 4可 知 , 当 软 土 的 粘 聚 力 在 2. 517. 5kPa 之间变化时 , 路基沉降量随粘聚力的变 化呈向上凹的抛物线 变化 , 而且随着粘聚力的增 大而 减 小 . 当 软 土的 粘 聚 力 从 10kPa 减 小到 2. 5kPa 时 , 路基沉降量增大了 1. 1m m, 由式 (2 可得敏感度 q C 为 0. 0371. 当粘聚力从 10kPa 增 大到 17. 5kPa 时 , 路基沉降量减小了 0. 2m m, 由 式 (2 可得敏感度 q C 为 0. 0068. 这表明软土粘聚 力的减小比增大对路 基沉

22、降的影响敏感 , 粘聚力 减小时对路基沉降的 影响也比较明显 , 但它比减 小弹性模量的敏感度小 .3. 4 软土内摩擦角的敏感性分析根据现场钻探和室内试验得到软土 (淤泥质 . , 摩擦角为 9 16 , 进行有限元分析计算 , 得到一 组路基沉降量 . 内摩擦角与路基沉 降量的关系如 图 5所示 .由图 5可知 , 当软土的内摩擦角在 9 16 之 间变化时 , 路基沉降量随内摩擦角 的变化呈线性 变化 , 也是随着内摩擦角的增大而减小 . 当软土的 内摩擦角从 12 增大到 16 时 , 路基沉降量减小了0. 08m m, 由式 (2 可得敏感度 q 为 0. 0061. 这 表明软土的

23、内摩擦角对路基沉降的影响较小 .图 5 软土内摩擦角与路基 沉降量的关系 Fig. 5 Relatio nship betw een so ft soil internalf riction ang le and r oadbed settlement3. 5 软土层厚度的敏感性分析根据现场钻探得到软土层 (淤泥质粘土层 的 厚度为 416m, 进行基准计算时取 10m. 保持其 他参数不变 , 取软土层厚度为 416m , 进行有限 元分析计算 , 得到一组路基沉降量 . 软土层厚度与路基沉降量的关系如图 6所示 .图 6 软土层厚度与路基沉降量的关系 Fig. 6 R elatio nsh

24、ip between so ft soil la yerthickness and ro adbed settlement由图 6可知 , 当软土层的厚度在 416m 之 间变化时 , 路基沉降量随软土层厚 度的变化近似 呈线性变化 , 而且随着软土层厚度的增大而增大 . 当软土层的厚度从 10m 增大到 16m 时 , 路基沉 降量增大了 1. 586m m, 由式 (2 可得敏感度 q h 为 17 第 1期 申永江 , 等 :高速铁路软土路基沉降的因素敏感性分析性关系 , 软土层厚度对路基沉降的影响十分明显 . 软土层厚度的敏感度比软土的岩土体参数的敏感 度都大 .3. 6 筏板厚度的敏

25、感性分析筏板的基准厚度取其设计厚度 0. 6m. 保持其 他参数不变 , 取筏板厚度为 0. 21. 0m, 进行有限 元分析计算 , 得到一组路基沉降量 . 筏板厚度与路 基沉降量的关系如图 7所示 .图 7 筏板厚度与路基沉降量的关系 Fig. 7 Relatio nship betw een r aft thicknessand roadbed settlement由图 7可知 , 当筏板厚度在 0. 21. 0m 之间 变化时 , 路基沉降量随筏板厚度的变化呈向上凹 的抛物线变化 , 而且随着筏板厚度的增大而减小 . 当筏板厚度从 0. 6m 减小到 0. 2m 时 , 路基沉降 量增

26、大了 0. 324m m, 由式 (2 可得敏感度 q d 为 0. 0123. 当筏板厚度从 0. 6m 增大到 1. 0m 时 , 路基沉降量减小了 0. 195mm, 由式 (2 可得敏感 度 q d 为 0. 0074. 这表明筏板厚度对路基沉降有一 定的影响 , 减小筏板厚度比增大筏板厚度的敏感 度大 . 当增大筏板厚度到一定程度时 , 对路基沉降 的影响微乎其微 , 其成本却很高 , 因此 , 筏板厚度 不宜过厚 .3. 7 管桩长度的敏感性分析管桩的基准长度 45m. 保持其他参数不变 , 取 管桩长度为 3045m, 进行有限元分析计算 , 得到 一组路基沉降量 . 管桩长度与

27、路基沉降量的关系 如图 8所示 .由图 8可知 , 当管桩长度在 3045m 之间变 化时 , 路基沉降量随管桩长度的变化近似呈线性 变化 , 而且随着管桩长度的增大而减小 . 当管桩长 度从 45m 减小 到 30m 时 , 路 基沉 降量 增大了 13. 85m m, 由式 (2 可得敏感度 q l 为 1. 0519. 这 大 , 减小管桩长度对 路基沉降的影响很大 . 因此 , 采用预应力管桩加筏板的方法进行路基加固处理 时 , 适当增 加管 桩 的长 度 可以 有 效控 制 路基 的 沉降 .图 8 管桩长度与路基沉 降量的关系 Fig. 8 Relationship betw ee

28、n pipe pile leng thand ro adbed settlement综上所述 , 软土的土体参数和筏板厚 度对路基沉降的影响均比较小 , 软土层厚 度和管桩长度 对路基沉降的影响比较大 . 因此 , 在对软土路基进 行加固处理时 , 为了有效地控制软土路基的沉降 , 应随软土层厚度的增大而适当加大管桩长度 .4 结论1 软土 的土体参数对 路基沉降有一 定的影 响 , 其中减小其弹性模量和粘聚力 对路基沉降的 影响比较明显 , 内摩擦角的敏感度最小 .2 软土层厚度对路基沉降的影响十分明显 , 均大于软土土体参数的敏感度 .3 在管桩加筏板加固措施中 , 筏板厚度对路 基沉降的

29、影响较小 , 而管桩长度对 路基沉降的影 响非常明显 .4 在所有的因素中 , 管桩长度的敏感度最大 , 软土层厚度次之 , 内摩擦角的敏感度最小 . 为了有 效控制路基沉降 , 在软土层较厚地 段应适当加大 管桩长度 .参考文献 (References :1 马南飞 , 高 速公 路软土 路基 沉降 规律 监 测及 FL A C模拟 J. 西安 科技大学学报 , 2007, 27(2 :251-254. (M A N an fei. M onit or ing and FL A C simulating o n settlement laws of so ft soil ro adbed o

30、f highw ayJ. Jour nal of Xi an U niver sity o f Science and T echno lo g (18 交 通 科 学 与 工 程 第 27卷第1期 2 申永江, 等: 高速铁路软土路基沉降的因素敏感性分析 8 19 陈晓燕, 张宏 博, 宋修 广. 湖 湘软 土区路 基填 筑引 起 的地基沉 降 特 性 研 究 J . 公 路 与 汽 运, 2009 ( 1 : 84- 88. ( CHEN Xiao yan, Z HA N G H o ng bo , SO N G Xiu g uang . Study on the sett lement

31、cha racteristics of the constr uctio n in soft so il foundation in H unan P rov ince J . H ig hwag s & A utomo tive Applications, 2009( 1 : 84- 88. ( in Chinese 王 登 浩. 武 广 铁路 客 运 专 线沉 降 观 测 与 预测 技 术 J . 铁 道 科 学 与 工 程 学 报, 2008, 5 ( 3 : 60 - 64. ( WA N G Deng hao. Settlement observat ion and pr e

32、 diction for Wuhan G uang zhou railw ay passeng er ded icated line J . Jour nal o f Railw ay Science and Engi neer ing, 2008, 5( 3 : 60- 64. ( in Chinese 9 吴瑞麟 , 余 海洋, 石立 万. 拓宽 路堤不 均匀 沉降 敏感 性因素仿真 分析 J . 华 中科 技大 学学 报: 城市 科学 版, 2007, 24 ( 4 : 13 - 16. ( W U Rui lin, YU H ai y ang , SH I L i w an. N um

33、er ical simulat ion on sensitivi ty o f uneven set tlement of w idening ro adbed J . Jour nal o f H uazhong U niv ersity o f Science and T ech nolog y: U rban Science Edition, 2007, 24( 4 : 13- 16. ( in Chinese 3 赵新华. 高等 级公 路路 基沉降 观测 实践 总结 J . 山 西建筑, 2007, 33( 16 : 362- 363. ( ZH A O Xin hua. Summa

34、ry of obser ving practice of highw ay roadbed settlement J . Shanx i A rchitecture, 2007, 33 ( 16 : 362- 363. ( in Chinese 4 赵俊岭. 客 运专线 路基 工程沉 降观 测实 施技 术 J . 铁道建筑, 2008( 7 : 67- 69. ( ZH A O Jun ling . Imple mentat ion technolog y o f ro adbed sett lement observa tio n of passenger dedicated line J

35、. Ra ilw ay Eng i neer ing, 2008( 7 : 67- 69. ( in Chinese 10 许建聪, 尚岳 全. 碎石土 滑坡 的因素 敏感 性计 算分 析 J . 岩 土 力学, 2007, 28( 10 : 2046- 2051. ( XU Jian co ng , SH A N G Yue quan. Sensit ivit y ana lysis of influencing factor s o f debr is landslide J . Ro ck and Soil M echanics, 2007, 28( 10 : 2046- 2051. ( in Chinese 5 谭国湖. 高速 公路 典型台 背路 基的沉 降变 化特 征研 究 J . 中 外公 路, 2010, 30( 4 : 65- 67. ( T A N Guo hu. V ariat ion patterns o f ty pical hig hway back ro ad bed