高速铁路路基基底应力试验研究

1、高速铁路路基基底应力试验研究确定由路基自重引起的路基底面的竖向应力分布(基底应力分布)是分析地基承载力、计算地基沉降等问题的前提。然而对于基底应力的计算方法，现今并没有一致的意见。研究目的及研究方法研究目的及研究方法比例荷载法 (路基容重g与基底各点对应路基高度h乘积)均布荷载法 (路基总重与路基底面宽度的比值， G/B)弹性土堤法 (是路基宽高比b/H及路基坡度m有关的函数)常用的计算方法有如下几种：本课题组通过以下方法对基底应力进行了研究：1.前期收集基底中心应力资料2.结合现场典型工点，埋设土压力计，实测基底应力3.通过在离心模型试验的基底埋设土压力计，实测基底应力4.使用有限差分软件F

2、LAC2D计算基底应力1.现场基底应力测试结合时速250公里海南东环客运专线（海东线）的建设，选择了三处天然地基断面DK67+620、DK67+630和DK79+399路基断面H/mb/m坡度路基本体填料为现场挖方弃土;基床底层为其5%水泥改良土;基床表层为级配碎石;路基的平均密度为2.0gcm-3 DK67+620513.41:1.5DK67+630513.41:1.5DK79+3993.1413.71:1.5试验概况介绍试验概况介绍 1 :1 .5级 配 碎 石水 泥 改 良 土素 填 土1DK79+399土压力盒编号及位置注：1.DK67处压力盒中1号埋在路基边坡中点，2号埋在路肩位置，

3、3号埋在2号和4号中间，4号埋在路基中 点位置，5、6、7与1、2、3、号对称埋设； 2.DK79处压力盒1号埋在路基边坡1/3处，3、4号分别埋设在路肩到路基中心距离的1/3处、2/3处，其他压力盒位置与DK67处相同。23456712345671:1.5级配碎石水泥改良土素填土DK67+620/630土压力盒编号及位置现场压力盒埋设位置：NoImage2.离心模型试验离心机:西南交通大学TLJ-2型土工离心机模型箱尺寸:80cm60cm60cm (长宽高)最大容量:100 gt有效旋转半径:270cm最大加速度:100 g 离心模型试验共2组：(1)模拟海东线DK67+620断面 (2)模

4、拟胶济线DK218+950断面选择此两断面是为了对比不同地质条件对基底应力的影响。 1:1.5全 风 化 花 岗 岩 (1)全 风 化 花 岗 岩 ( )全 风 化 花 岗 岩 ( )单 线 路 基 地 基 横 断 面 图 路基高度：8.3cm 宽度：13.7cm 地基厚度：40cm 宽度：80cm 路基高度：5m 宽度：8.2m 地基厚度：24m 宽度：48m 该断面为双线路基，地基土土层分布和物理参数见表1。考虑到离心机模型箱尺寸限制，试验模拟的路基为与现场路基高度相同情况下的单线标准路基，相似比n为60。相似比n：60 土层名称土层深度/mGsg/kNm-3w/%e0Wp/%全风化花岗岩

5、1062.7118.926.50.9831.7全风化花岗岩26182.7119.1280.7931.3全风化花岗岩318282.7119.4330.6421.0表1 DK67+620断面地基土物理力学指标 (1) 海东线DK67+620断面 模型尺寸模拟尺寸1 :1 .5黄 土 质 粉 质 黏 土粉 质 黏 土粉 土单 线 路 基 地 基 横 断 面 图 路基高度：9.4cm 宽度：9.6cm 地基厚度：35cm 宽度：80cm 路基高度：7.5m 宽度：7.7m 地基厚度度：28m 宽度：64m 该断面为双线路基，地基土土层分布和物理参数见表2。试验模拟的路基同样为与现场路基高度相同情况下的

6、单线标准路基 ，相似比n为80。相似比n：80 表2 DK218+950断面地基土物理力学指标土层名称土层深度/mGsg/kNm-3w/%e0Wp/%黄土质粉质黏土011.22.7119.39.320.42814.6粉土11.218.22.7019.114.620.73116.4粉质黏土18.2以下2.7119.420.00.57919.2(2) 胶济线DK218+950断面 模型尺寸模拟尺寸每组试验路基填筑方式分为两种：分层填筑：基模型从下到上分层制作，每制作完一层后在60g 或80g加速度下运行一段时间，再制作上一层路基。 整体填筑：路基模型一次成型，通过逐级增加离心加速度， 模拟路基逐渐

7、填高的过程 离心模型试验模型路基填筑方式第四层路基1.9m第三层路基1.6m第二层路基2.4m第一层路基1.6mDK218+950断面离心模型试验分层填筑80g状态下每层填筑高度DK67+620断面离心模型试验分层填筑60g状态下每层填筑高度第四层路基1.4m第三层路基1.2m第二层路基1.2m第一层路基1.2m两断面分层填筑每层填筑模拟厚度：试验名称传感器埋设模拟深度/m1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#DK67+620分层填筑（60g）02.224.355.897.569.4511.7615.79-路肩地表DK67+620整体填筑（60g）02.44.88.410.813.215.

8、518-路肩地表DK218+950分层填筑（80g）02.927.9310.9619.2-路肩地表DK218+950整体填筑（80g）02.926.367.769.4610.9213.116.4619.68路肩地表各离心模型试验压力传感器埋设位置及模拟深度1.前期收集基底中心应力现场断面路基高度H（m）路基顶面宽度b（m）b/H坡度基底应力（kPa）比例荷载法均布荷载法弹性土堤法现场实测值1312.14.021:1.56047555324.8743.58.941:1.597.485979637.313.31.821:1.514610112211847.527.23.621:1.51501161

9、35133510.3412.91.241:1.5207134162166基底应力结果0123456789100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1 y/gHb/H 实测数据 弹性土堤法 比例荷载法 均布荷载法c1.14c=实测值/均布荷载法计算值 将长度和应力无量纲化，绘制b/H与/gH关系曲线。由图可知，实测值与弹性土堤法计算值十分接近；与比例荷载法在b/H=9时接近；与均布荷载法计算值分布趋势一致，两者比值近似为1.14(a)DK67+620断面现场试验(b)DK67+630断面现场试验2.现场实测基底应力 由图(a)、(b)、(c)可知路基顶面宽度范围内

10、，基底实测土压力均小于gH值；基底边坡中心位置处实测土压力与gH值接近，基底边坡1/3位置处实测土压力大于gH值。(c)DK79+399断面现场试验 (b)DK67+620断面离心模型试验(a)DK218+950断面离心模型试验 由离心模型试验结果(a)、(b)可知，随着路基高度增加，基底中心和路肩位置处基底实测土压力与gH值差距逐渐增大。3.离心模型试验实测基底应力试验名称b/mH/mg /(kNm-3)bH -1gH/kPa实测/kPa实测(gH)-1agH/kPa现场DK79+39913.73.14204.3662.8560.8958.1现场DK67+62013.45202.681008

11、70.8789.2现场DK67+63013.45202.68100900.9089.2DK218+950离心模型第一层25.51.62015.943229.40.9231.2DK218+950离心模型第二层18.34204.5880740.9374.3DK218+950离心模型第三层13.55.6202.41112950.8599.0DK218+950离心模型第四层7.77.5201.031501160.77121.3DK218+950离心模型整体填筑7.77.5201.031501140.76121.3DK67+620离心模型第一层19.61.22016.332423.50.9823.4DK

12、67+620离心模型第二层162.4206.6748460.9645.5DK67+620离心模型第三层12.43.6203.4472620.8665.6DK67+620离心模型第四层8.25201.64100830.8385.1DK67+620离心模型整体填筑8.25201.64100830.8385.1前期收集基底中心应力112.13204.0360530.8855.2前期收集基底中心应力243.514.87208.9397.4960.9993.4前期收集基底中心应力313.37.3201.821461180.81125.7前期收集基底中心应力427.27.5203.631501330.89

13、137.1前期收集基底中心应力512.910.34201.25206.81660.80170.91.基底中心应力总结上表表明：实测值均小于gH值，随着b/H的不同，实测值与gH值的接近程度不同。 基底应力结果分析 由左图可知各实测值随着b/H的增大逐渐趋近gH值。当b/H超过10时，与gH值趋于一致。可见不同b/H地基中心应力使用gH值并不合适，需要根据b/H的变化进行修正。现采用实测值上限包络线解得拟合曲线如左图中的虚线，得出的拟合公式如下： 0.37/0.631.1/b Hb Ha则基底中心应力就可修正为： =agH (2)0246810121416181.21.00.80.60.40.2

14、0.0 /gH 现场试验数据 离心模型试验数据 前期收集基底中心应力 gH 拟合曲线b/H(1)基底中心应力受b/H影响规律将长度和应力无量纲化后，b/H与/gH关系曲线数值计算结果与实测值较为接近，基底应力在整个路基范围内呈弧线分布，且路基中间部分应力值小于gH值，而路基两侧应力值大于gH值。051015202530100806040200 0123456 DK67+620实测值 DK67+630实测值 gH计算值 FLAC2D计算值土压力（kPa）基面横向宽度（m） 路基高度（m）0510152025806040200 01234 DK79+399实测值 gH计算值 FLAC2D计算值土压力（kPa）基面横向宽度（m） 路基高度（m）(a)DK67+620/630断面(b)DK79+399断面 为寻求合适的基底应力分布计算方法，现使用FLAC2D进行计算对现场三个断面进行计算，计算参数根据现场路基、地基实测参数确定。2.基底应力分布051015202530100806040200 0123456 DK67+620实测值 DK67+630实测值 gH计算值 FLAC2D计算值 推荐公式计算土压力（kPa）基面横向宽度（m） 路基高度（m）051015202580604