路基课题2路基沉降动态变形监测技术研究

1、武广客运专线路基课题研究之二路基沉降动态变形监测技术研究1概述铁路路基因组成材料颗粒之间存在空隙，在运营荷载的长期作用下，沉降变形是不可避免的。铁路客运专线的路基，为满足在列车高速运行条件下线路的平顺，保障运营舒适和行车安全，必须对路基总沉降量和工后沉降有所掌握并严格控制。武广铁路客运专线借鉴国外高速铁路路基工程建设的经验，并大量吸收近几年在秦沈、遂渝、京沪等铁路路基施工沉降变形的监测成果，在设计文件中，设置了路基沉降动态变形监测系统。沉降动态变形监测的内容包括路基面沉降监测、路基本体沉降监测、基底沉降监测、深厚层地基分层沉降监测、软土地基水平位移监测、复合地基加筋（土工格栅）应力应变监测共六

2、个方面。其中前五项是路基沉降动态变形监测的主要内容。路基沉降变形监测的目的，是以实际变形监测数据为基础，采用科学的方法对路基的沉降变形综合分析和评估，验证设计并检验施工质量，全面掌握路基的变形动态，分析和推算路基的最终沉降量和工后沉降。这既是保障客运专线路基工程质量的需要，也是铁路工程科学设计、科学施工的重要体现和基本要求。近些年，在我国部分铁路建设项目上，通过对路基沉降变形监测的试验段试验，积累了许多宝贵的经验，这次在武广客运专线路基设计上，充分地吸收了其中的成果，为在施工中系统收集武广客运专线路基沉降变形资料奠定了基础。在路基沉降动态变形监测方面，过去我们做的工作很有限。通过对这一课题的研

3、究，可以使我们对路基沉降动态变形监测的方法、沉降变形的规律以及沉降变形综合分析和评估有一个初步的认识，进而对以后在客运专线路基工程施工阶段如何进行沉降动态变形监测和控制做好必要的准备。2武广客运专线路基沉降的控制要求 武广客运专线路基沉降，规定了工后沉降、沉降速率、不均匀沉降、过渡段差异沉降形成的折角和差异沉降错台五项要求，控制标准见下表：线 路 等 级工 后 沉 降cm沉降速率cm/年不均匀沉降cm/20m过渡段差异沉降形成的折角差异沉降错台cm一般地段桥尾过渡段有碴轨道200km/h1584/有碴轨道200km/h以上532/无碴轨道200km/h以上3/2<1/10000.53路基

4、工后沉降的组成 路基沉降变形的控制，核心内容是工后沉降和总沉降量的控制。路基工后沉降变形的分类方法很多，从引起路基变形的受力条件分析，主要有下列三个方面因素所组成：（1）路基面在列车荷载作用下发生的变形；（2）路堤本体在自重作用下的压实沉降；（3）地基的压密沉降。根据资料，路基面在列车荷载作用下发生的变形，虽然在列车运营期间始终存在，但通过提高路基面材料的质量、提高压实标准等控制措施，该部分变形大多在5mm以内；路堤本体在自重作用下的压实沉降随路堤填料的性质、填筑高度的不同虽大小不一，但一般都在路基填筑高度的0.1%0.55%范围，路基填筑施工后12年基本完成；而地基的压密沉降，因路基高度和地

5、基条件的不同，沉降差异较大，这部分变形一般经历的时间比较长，是路基沉降变形监测的重点。4监测剖面与监测点的设置4.1监测剖面设置原则（1）监测数据可比性强，便于分析评估。依据这一原则，对路基面沉降监测、路基本体沉降监测、基底沉降监测、深厚层地基分层沉降监测四项内容，设置于路基同一剖面。（2）密度合理，具有代表性。 依据这一原则，监测剖面的布置，在路基工点及段落、路基长度、地质条件方面需相互兼顾。武广客运专线设计规定：路基每个工点不少于2个监测剖面，且剖面间距不大于50m。在地质条件差异大、地形变化大的地段及发生沉降差异较大的过渡段范围需适当加密，一般20m布置一处，过渡段折角处必须有监测剖面。

6、此外，软土地基的水平位移监测及复合地基加筋（土工格栅）应力应变监测与路基面沉降监测、路基本体沉降监测、基底沉降监测、深厚层地基分层沉降监测剖面的位置应协调。4.2布置方法当路基基底或下卧压缩层为平坡时，路堤主监测点设置在线路中心；当地表横坡或下卧土层横坡大于20%时，在填方较高侧或压缩层较厚侧增加监测点。路基底沉降与路堤本体沉降的监测点，一般布置于路基基底和基床底层顶面。软土及松软土路基填筑时，沿线路纵向每隔3050m在距坡脚外2m处设置位移边桩，以控制填土速率，控制标准为：路堤中心地面沉降速率小于1.0cm/d，坡脚水平位移速率小于0.5cm/d。4.3武广客运专线路基沉降变形监测点布置图路

7、基沉降变形监测，一般路堤地段监测剖面监测点布置见下图：路基面沉降监测桩路基本体沉降监测压缩变形层加固层底线或地层分界线单点沉降计或分层沉降计路基沉降变形监测剖面基本布置示意图边桩单点沉降计或分层沉降计边桩压缩变形层沉降板路基面沉降监测桩路基本体基床底层基床表层地基深层沉降监测路堤基底沉降监测4.4监测点布置说明路基面沉降监测路堤地段分别于路基中心、两侧路肩各设一个监测点，每个监测剖面共3个点，采用监测桩（包桩），路基成形后设置。路堑地段，对厚层土质及全风化层路堑、红粘土和膨胀土路堑、花岗岩全风化层路堑与浅挖路堑（挖深3.0m），分别于路基中心、两侧路肩各设一个监测点，每个监测剖面共3个点，采用

8、监测桩（包桩），路基成形后设置。4.4.2路基本体沉降监测 于路基本体内设置监测点。当路基采用A、B组填料填筑时，采用高精度智能型单点沉降计埋设于线路中心的路基基床表层底部，一个监测剖面设一个测点；当路基采用改良土填筑时，用高精度智能型分层沉降计分层埋设，分层厚2.03.0m，分别于基床表层底部、基床底层底部设置，路基填高大于6.0m，在基床以下路基中增加一个监测点。路基成形后钻孔埋设。当地表横坡大于20%时，于线路中心、较高侧的线路外侧3.1m处，分别采用高精度智能型单点位移计监测，每个剖面设2个测点。4.4.3基底沉降监测分别于路堤基底地面的线路中心（当地表横坡大于20%时，于线路中心、较

9、高侧的线路外侧3.1m处）除埋设高精度智能型单点沉降计监测外，每隔一个剖面增设沉降板进行校核，各剖面设12个测点，路堤填筑前埋设。4.4.4深厚层地基分层沉降监测土层、全风化层厚度10m（软土、松软土厚度>6m）的地基，每隔50m设置一处深层沉降监测剖面，过渡段路基必须设置。采用高精度智能型串联式分层沉降计，于路基中心地基中设置，分层厚度2.03.0m，在路基填筑前钻孔埋设。每个剖面一个测孔。当地表横坡大于20%时，于线路中心、较高侧或压缩层较厚侧的线路外侧3.1m处分别采用智能型分层沉降计监测，除埋设高精度智能型单点沉降计监测外，每个剖面设2个测点。4.4.5软土地基水平位移监测 软土

10、、松软土路基地段，沿线路纵向每隔3050m在距坡脚外2m处设置边桩进行水平位移监测，每个剖面设2个测点。4.4.6加筋（土工格栅）应力应变监测 高填方或陡坡填土地段边坡土工格栅加筋补强，分别于路堤两侧边坡（边坡中部、地面以上23 m处）的土工格栅设置智能数码柔性位移计，对土工格栅的拉伸和压缩变形进行监测，每个剖面设4个测点。 路堤基底铺土工格栅加筋（特别是低路堤地基采用桩网结构加固）时，于路堤基底地面的线路中心、左右线中心至坡脚中间点附近的桩间土或桩顶处分别设置智能数码柔性位移计，对土工格栅的应力应变进行监测，每个剖面测3个点。4. 5路基工点沉降监测剖面位置 对武广客运专线路基沉降监测，按路

11、基工点设计图给出的具体位置和监测内容实施。5沉降监测元器件及精度5.1对监测元器件的要求 武广客运专线变形监测元器件，采用对填土施工干扰小、无测杆的智能数码型监测元器件，重要监测点采用传统的、数字直观的沉降板作辅助元件；对路基面观测桩的测量，精度按二等水准测量标准控制，观测精度不低于±1mm。5.2主要监测元件技术参数主要监测元件技术参数见下表：名 称量 程灵敏度适用范围主 要 特 点备 注沉降板测量土体垂直变形读数直观,对填土施工干扰大,精度一般。辅助监测元 件智能数码沉降计测量土体垂直变形不干扰填土施工,精度高,数据量大,能实现自动采集和无线传输.主要监测元 件智能数码分层沉降计

12、土体分层沉降量测智能数码柔性位移计100mm0.01mm土工材料的变形量测智能数码静力水准仪100mm0.01mm沉降差监测智能数码多点位仪计100mm0.01mm分层测量岩土不同层面的变形6沉降监测的阶段和频度6.1监测阶段武广客运专线路基变形监测，根据工程进展分成四个阶段：第一阶段：路基填筑施工期间的监测，主要监测路基填土施工期间地基土的沉降以及路堤坡脚边桩位移。第二阶段：路基填土施工完成后，自然沉落期及摆放期的变形监测，主要对路基面沉降、路基填筑部分沉降以及路基基底沉降进行系统的监测，直到工后沉降评估可满足铺设无碴轨道为止。第三阶段：铺设无碴轨道施工期间的监测。第四阶段：铺轨完成后及试运

13、营期的监测。6.2监测频度依据客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准第14章的规定，路基填筑施工期间，监测频度一般每填筑层监测一次；在沉降量突变的情况下，每天监测23次。如果两次填筑间隔时间较长，每3天至少监测一次。路堤经过分层填筑达到预压高程后，在预压期的前23个月内，每5天监测一次，三个月后715天监测一次，半年后一个月监测一次，一直监测到设计要求的时间。7路基工后沉降量的推算与评估路基沉降需要经过一个较长的过程，在施加荷载的初期，沉降速率由小到大，随着时间增长，沉降的速度由大变小，沉降过程趋于稳定。填土高度不同的路基，沉降曲线的斜率不同。沉降速率越大，沉降稳定需要的时间越长。但当路堤达

14、到设计高度后，其沉降可以某种曲线方程描述。路基沉降在荷载保持稳定条件下的地基沉降可用下列三种曲线来拟合：对数曲线：StS0=alg(tt0)双曲线St=So+指数曲线：StS0=a1-e利用这些曲线方程可以计算任一时刻t(tt0)沉降量St，沉降速率St以及沉降速率变化率St，当t时，利用极限方程可以推算出最终地基沉降量S。其中t0为荷载稳定之后的某一时刻。三种曲线在拟合沉降规律时计算结果是有有差别的，就推算最终沉降量而言，对数曲线推算的结果最大，指数曲线推算结果最小，受荷载大小、地基条件、地基处理方法等多种因素制约，需要用多种方法作出综合判断。其中双曲线法和对数曲线法在不少工程中得到应用，并

15、取得一定成果。7.1绘制沉降曲线路基施工至设计预压标高后，持续监测不少于6个月，将监测数据分剖面绘制成“时间填土高沉降量“曲线，如下图所示。再按实际沉降推算法推算总沉降量、工后沉降值及后期的沉降速率，根据分析结果并结合工期要求，验证设计、调整措施使沉降满足施工控制要求。7.2沉降推算方法利用实测数据推算最终沉降量的，常用方法有，双曲线法、三点法（对数曲线法）、沉降速率法、星野法（指数曲线法）及修正有双曲线法等。根据现有的研究成果，推算方法与实际沉降对比，积累经验较多的的推算方法主要有双曲线法和沉降速率法。时间填土高沉降量曲线7.3沉降推算7.3.1双曲线法根据有关资料，沪宁高速公路路基沉降的研

16、究成果认为，假定沉降平均速度以双曲线形式减少的推算方法比较合适，将实际的路基填筑施工情况与沉降监测结果绘制成 “时间填土高沉降量“曲线后，图形如下图所示，路基填筑完成后，沉降变形曲线与双曲线线型比较接近。采用双曲线线型推算，自填土完成后的任意时刻，地基沉降量St可由下式计算求得：St=So+当t时，总沉降量S为：S= So+若预压时间为t，则工后沉降量S为：S= S- St式中，So为填土完成时的沉降量（t0）；t为预压时间，以填土（含当量上部结构荷载在内的全部荷载）施工结束日为起算日（t0,可取值为t0=0）；a、b为由实测值求得的推算系数，其求法见下图。地基沉降的双曲线推算法示意图 沉降推

17、算系数a、b值计算图沉降速率法根据实际的监测数据计算，确定地基沉降速率，公式为：v=通过沉降速率的推算，便可计算出满足工后沉降所需的预压时间t时刻对应的沉降速率，以此作为控制路基沉降稳定与否的依据。7.4沉降分析评估的内容与要求根据监测数据推算沉降，推算的准确性必须经过评估。系统的分析评估目前主要有以下三部分内容：7.4.1监测数据和趋势确定的检验检验监测数据与拟合的沉降双曲线之间趋势的符合性。当两者之间的相关关系r，满足相关系数r20.85时为“优”。预测稳定性检验根据监测数据和拟合的沉降曲线，推算一定时期（一般为6个月）后的沉降。推算前先进行预测分析。方法是，以预压期前2个月监测数据为基础，以后逐步预测下个月的沉降，预测期限为预压期第6个月的沉降，通过对预测沉降与实际监测结果比较时间，当偏差8mm时，认为预测的稳定性达到了“优”，并以此进行工后沉降及总沉降量推算的初步依据。7.4.3预测准确性