路基及支挡结构作业

1、摘 要：高速铁路要为列车的高速行驶提供一个高平顺性和高稳定性的轨下基础，而路基作为轨道结构的基础，必须在运营条件下将线路轨道的设计参数保持在要求的标准范围之内，这无疑就对高速铁路的沉降稳定提出了很高的要求。因此，地基的沉降稳定性以及沉降成了高速铁路路基设计和施工的关键。本文从客运专线沉降监测内容、观测精度、观测频度等方面做比较系统的论述，特别对路基沉降观测作了深入研究，重点用灰色时变参数模型，将其与双曲线模型进行比较。两种结果的对比突出了灰色时变参数模型在“贫信息、少数据情况下的准确性和时效性。因此，灰色时变参数模型在实际工程中有着广泛的前景。: 客运专线；沉降观测；灰色时变参数模型；沉降;沉

2、降估计Abstract：The high- speed railroad must provide a high smoothness andhigh stable foundation under the axle for trains high speed travel， as the roadbed takes the track structure the foundation，we must maain the line tracks design variable the request reference range under the operation condition，t

3、his was without doubt set a very high request for settlements stability of the high-speed railroadTherefore，settlementof grounds stability as well as the settlement predictione thekey of the highspeed railroad grade location and the constructionThis artic1e have a systematic elaboration observation

4、content，the observation precion establishment of the and the observation given a detailedfrequency indicated passenger line，spellyexplanation on the roadbed Finally, I used the gray timevaryingparameters mmake a settlement predictionhe article，and Carrya error test to the forecasting result，then com

5、pared it with the resultof the hyperbolic curve mTwo kind of forecasting results contrasthas highlighted the gay timevarying parameters ms situationaccuracy and effectiveness when the poor information，the fewdataTherefore，the gray time-varying parameters mhas a widespreadapplication prospecthe actua

6、l projectKey words：dedicated passenger line；settlement observation；gray TVP；settlement prediction; settlement evaluate.m目录第一章绪论11 选题的依据和意义12 高速铁路路基沉降监测控制技术的研究现状13 高速铁路路基沉降计算分析研究现状34 高速铁路路基沉降预估方法研究现状5第二章 高速铁路路基沉降监测分析1 监测的内容和设置原则122 路基沉降的监测类型123 沉降测量布设方案134 沉降监测方法135 沉降监测的频度16第三章高速铁路路基沉降评估分析1 路基工后沉降的组

7、成172 评估方法183 路基沉降的评估要求194 路基工后沉降的曲线拟合方法205 推算工后沉降应进一步研究的几个问题21第四章灰色理论及其在沉降中的应用1 灰色理论的基本概念222 灰色理论的理论基础223 GM(n，h)模型234 等间隔GM(1，1)模型245 等间隔GM(1，1)模型256 模型精度验26第五章结论与望27参考文献28第一章 绪 论1. 选题的依据和意义随着国民经济的发展与人民生活水平的不断提高，旅客对于所乘坐车辆的舒适度和速度的要求越来越高，具体到铁路客运专线而言，对路基的变形和强度指标的要求也越来越高作为轨道的基础，同时还必须具有纵向变形均匀、长期动力稳定性和耐久

8、性等我国高速铁路客运专线建设起步晚，但发展速度很快。中国的基本国情和客流特点决定了我国迫切需要发展大容量、低能耗、少占地、适应性强的公共交通体系，高速铁路就是这种公共交通体系中的主要组成部分，因此，高速铁路在我国有广阔的发展空间和运营前景高速铁路的基础设施是确保高速行车的基础，高速铁路与常规铁路相比最大的区别在于线路高平顺度特性方面。为了在高速行驶的条件下，实现旅客列车的安全性和舒适性，要求时速大于250krn的铁路必须具有度的几何线性参数，精度要保持在毫米级，做到高平顺性。因此，除了对线下工程和轨道工程的设计施工等有特殊要求以外，线下工程必须建立一套与之相适应的沉降监测体系。纵观世界各国高速

9、铁路建设，都建有一个满足施工、运营的沉降监测网。通过总结无碴轨道铁路建设经验认为，要成功地修建无碴轨道，就必须有一套完整、高效且比较精确的沉降观测和沉降系统。铁道部的一份线路设施方面一场深刻的技术，发展无碴轨道视为我国高速铁路建设特别是在，这足以说明无碴轨道技术的巨大作用和广阔前景。但是我国无碴轨道铺设的数量少、时间短，尚缺乏设计、施工与运营经验等方面的经验，对此，针对无碴轨道高速铁路的建设，我国需要通过国内外联合设计、试验段的建设和相关试验开展一系列的技术研究。在国际上，无碴轨道技术用于高速铁路中比较有经验的是德国和，因此，我国可借鉴的无碴轨道结构形式也主要来源于这两个国家，相对而言，对于路

10、基上铺设无碴轨道，德国的经验明显地更丰富一些。无碴轨道由于受自身调整能力的限制，对线下工程的沉降变形提出了严格要求，因此要实现高速铁路全线铺设无碴轨道的目标，路基上铺设无碴轨道已成为高速铁路工程建设的制路基工后沉降问题尤为突出。问题。而如何有效的计算和控2.高速铁路路基沉降监测控制技术的研究现状高速铁路对轨道的平顺性提出了更高的要求，而路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车荷载的基础，它也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节，路基几何尺寸的不平顺，自然会引起轨道的几何不平顺，因此需要轨下基础有较高的稳定性和较小的变形，以确保列车高速、安全、平稳运行。由于软土特殊的工程性质和

11、高速铁路路基的特点，在一般情况下，多数路段地基的强度与稳定性的处理难度都不大，不成为控制；给工程带来的主要难题是沉降变形及其各种处理措施条件下的固结问题，所以路基沉降变形问题是高速铁路设计中所要考虑的主控。对控制路基沉降的认识是一个发展的过程，1972年国铁编制的“新干线土建标准示方书”中要求路基的固实程度在最大干燥密度的90以上，路堤的圆锥支承力在500kNm以上。1982年开通的东越新干线采用“建造物设计标准解说(土体结构)”，将路堤分为上路堤和下路堤，其固实程度用K30表示。法国认为路基的技术状态是保证轨道稳定性的重要，法国研究和工程技术根据本国路网类型、技术标准和地质特征，并吸取外国的

12、先进经验，在路基沉降控制技术方面进行了较深入的研究和工程实践，特别是在高速铁路建设中，积累了较为丰富的经验。修建巴黎一东南干线时，对填筑路基特别重视，严格监测土壤的含水量，以确定路基填土层的最佳厚度以及夯实机的辗压次数，并考虑到施工期间的气象条件。其路基沉降控制标准为：工后沉降不超过20毫米，剩余沉降每年不超过10毫米，25年总沉降不超过100毫米；路基沉降控制方法均采用采用点式沉降感应器控。具体做法如下：在路基处理完成后，沿线路纵向每20米设一道沉降感应器电缆，在电缆上、沿路基横断面每1米安装一个沉降感应器，沉降感应器和电缆埋设在路基面以下50厘米；埋设时、挖100厘米宽、50厘米深的沟，将

13、感应器和电缆放置在沟底中部，然后用砂填埋，并、非冲击压实。在测取沉降数值时，每7天为一沉降时间段(即一个dt)测取一次数值，可以随路基填筑过程测取沉降过程的数值，右图一为路基横断面各点沉降 情况。也可以当每填筑阶段完成、全部路基填筑完成、加荷载填筑完成、去荷载 完成时，测取沉降趋势和沉降完成情况的数值，以绘制沉降曲线，并与标准曲线相比较。当沉降曲线接近或达到标准曲线时，表明沉降已趋于完成或完成。其中沉降完成是指1个dt的沉降量为零，沉降趋于完成是指连续3个dt的沉降量均小于一毫米。高速铁路路基与普通铁路路基有很大差别，高速铁路要求路基强度高、剐度大、纵向刚度变化均匀且长久稳定，以确保轨道的高平

14、顺性，因此对机具设备的选择、施工方法、质量检测体系和改良土加工工艺等方面，都提出了严格要求。从德、法等国针对我国高速铁路设计的成果来看，德、法强调控制路基的不均匀沉降，其追求沉降的目标为不均匀沉降为零；对于无碴轨道路基，德国有更为严格的要求，要求路基的差异沉降为零。由于中德两国的国情不同，德国采用较长的施工周期来达到工后沉降为零的目的(德国200kin左右的高速铁路的工期可能达（5-8年)，而我国通常采用加大对软土地基的处理力度，来尽量消除工后沉降的影响。无碴轨道结构对下部基础的沉降和差异沉降提出了严格要求。从国料看，无碴轨道的沉降控制，尤其是差异沉降控制均高于有碴轨道，甚至追求“零沉降，而沉

15、降控制标准与地质勘察、沉降观测精度、计算与方法、轨道结构形式及扣件调整范围、养护维修标准和维修周期等有关，因此，文献n刀建议结合轨道结构考虑沉降和差异沉降控制可按“零沉降标准考虑。一方面，应加强勘探查明拟铺设无碴轨道地段的地基条件；另一方面，加强地基处理，强化路基本体、基床施工质量控制，地基应以较高置换率的复合地基为主，确保沉降变形控制能满足无碴轨道技术要求。3.高速铁路路基沉降计算分析研究现状铁路路基沉降变形主要包含(1)对于列车动荷载长期作用下产生的变形，主要通过提高路床材料的质量，提高压实标准等措施加以控制，在规范要求的压实标准及材质条件下，列车动荷载部分引起的变形一般在5 mm以内。2

16、)路基填料在自重作用下的压实沉降，随填料的材质不同、填筑高度的不同，变形的大小也不一样。该部分沉降一般为路基填筑高度的01一055，完成时间一般在填筑施工后12年。(3)支承路基的地基沉降变形。随路基高度的不同、地基条件的不同，沉降也不一样，为路基的主要沉降变形部分，且完成时间较长，为路基沉降变形和工后沉降考虑的重点。而且对于不同类型的地基土沉降完成的速度、时间不同，计算模式和方法亦不同。大量的表明，路基沉降是由土性、压实度、饱和度、环境和外载等多方面综合作用的结果，但主要是由路基本身和地基的排水固结变形引起的。地基的沉降变形与地基土的性质和地基处理方法有关，而路基本体的变形通常与填料的性质、

17、填料含水量和压实系数有关，地基的沉降变形直接影响到路基的变形。在修筑客运专线时，挖、填方路基沉降计算是一个比较突出。目前有关路基沉降计算中，理论公式法是建立在Terzaghi等人创立的经典土力学基础上，其中引入了许多简化假定。这类方法具有简便、直观、计算参数少且易取得等优点，因而在工程中得到了广泛应用。数值分析方法则是近代土力学研究的产物，它可以较全面地考虑土体的变形特性及边界条件，理论上较严密。但这种方法有一定难度，缺乏理论公式法所具有的许多优点，因此，目前在工程实际中尚未得到广泛应用。在竖向荷载作用下，对于砂性土地基，初始沉降是主要的，土体偏斜变形和排水固结变形在荷载作用后很快完成；对饱和

18、软粘土地基，固结沉降是主要的，总沉降需要很长时间才能完成。初始沉降常采用弹性理论求解，固结沉降多采用分层总和法根据固结试验所确定的参数求解，次固结沉降常根据蠕变试验确定参数来求解。另外，在工程实际中，工后沉降常为工程界和业主所关心，它直接关系到整个工程在投入使用后所带来的一系列问题。一般情况下，工后沉降包括在施工阶段尚未完成的固结沉降和次固结沉降的大部分。路基沉降由两部分组成。一部分是填土在外荷载和自重作用下产生的压缩变形和不断增加的后期蠕变变形；另一部分是地基土在路堤荷载作用下，将产生的压缩和固结变形。现介绍目前应用最广的几种方法。1分层总和法分层总和法是工程中使用最多的沉降计算方法，其基本

19、原理是先求出路基土的竖向应力，然后利用室内压缩试验测出的压缩曲线、压缩指标、压缩系数或压缩模量计算分层沉降量然后再求和。其中e-lgp曲能够考虑地基土的应力历史，分别计算正常固结土、超固结土和欠固结土情况下路基土的最终固结沉降量。分层总和法计算的沉降值一般与实测值不尽一致，主要原因是：一、分层总和法计算所做的几点假定与土体的实际情况不完全符合。二、土的压缩性指标、试样的代表性、取原状土的技术及试验的准确度都存在一定问题。这些计算方法所采用的计算参数都是在完全侧限条件下测到的，没有考虑土的侧向变形的影响，故计算结果有一定的偏差。分层总和法的新发展：用分层总和法计算地基沉降，概念比较明确，计算参数

20、容易获得，因而在工程中得到了广泛的应用，目前许多规范法。的也是这种方2有限单有限单计算沉降量是将路基和路堤看作一个整体来划分网格，形成离散体系，在荷载作用下算出任意时刻路基和路堤各点的位移和应力。其中路基顶面的竖向位移就是所求的路基的最终沉降量。该法除了可采用非线性弹性、弹塑性、等多种本构模型外，目前己能考虑到更复杂的土体本构关系，如一些考虑流变的粘弹一塑性模型。目前应用最广的是非线性弹性一张双曲线模型。有限单能够考虑路基的二维甚至三维变形，因此可以较好的反映侧向变形对沉降的影响。同时它还可以考虑应力历史、路基与路堤相互作用、复杂的边界条件、施工中的逐级加载、土层的各向异性等对变形的影响。在固

21、结计算时可以采用固结理论，可避免一维固结计算的许多，从理论上说有限单是一种较为完善的方法。它的缺点是计算工作量大，模型计算中所需要的计算参数多且确定，随着计算机的发展开始受到了人们的重视。但目前在我国仅用于理论研究和重要工程、重点地段的计算。3考虑应力历史沉降计算方法30年代，Casagrand采用等比级数加载，在固结试验中进行几次加荷一卸荷再加荷的过程，并在半对数坐标轴上绘制e19 P曲线，如图2（a），再根据如图2(b)的方法求出土的先期固结压力P。设土体现存上覆压力为，根据与pc的关系确定土体的固结程度：(1) =p。，属正常固结土；(2)plp 。，属欠固结土。这样，考虑了应力历史对沉

22、降的影响，采用原始压缩曲线确定土的压缩性指标。由于土的固结程度不同，原始压缩曲线及孔隙比的变化也不一样，最后得到不同固结状态下的沉降计算公式。图 2.leasagrand 确定P。的方法4三维沉降计算方法地基土在荷载作用下实际上是处于三向应力状态，其沉降除包括竖向压缩变形外，侧向变形引起的沉降也是不容忽视的。除近代随着计算机发展兴起的有限单能够全面的考虑地基土的三维受力状态外，现有的三维沉降计算方法大致可以分为三类：一种是在计算沉降时假定地基土体为各向同性弹性体，从弹性理论的应力应变关系出发计算沉降变形量，如三维压缩法；第二种是利用室内试验模拟三维应力的影响，根据试验所得参数计算沉降量，如La

23、mbe的应力路径法，司一比伦的半经验法；此外还有法就是将一维沉降计算结果乘上一个经验修正系数来反映侧向变形对最终沉降量的影响，如我国建筑地础设计规范的沉降计算方法，经验系数是通过大量实测资料统计分析后得到的一个范围值。5应力路径法土体中一点的应力状态可以用应力空间中的一个应力点来描述。在荷载作用下，土体中一点的应力状态的改变过程可以用对应的应力点在应力空间的运动轨迹来描述。应力点在应力空间的运动轨迹称为应力路径。传统的分层总和法计算沉降只考虑压缩变形，而在土体发生变形过程中不仅存在竖向压缩变形，还存在剪切变形。剪切变形使地基土的模量随着剪应力的增大逐步减小。压缩变形使土体进一步固结，地基土模量

24、不断增大。因此合理的计算方法应同时考虑这两种变形的作用。已有的各种本构关系模型对应力路径的适应性是不同的。研究表明，绝大多数模型只能适应一定范围的应力路径变化，即使是常用的DuncallChang模型也只对常围压的应力路径很好的适应性。在一般工程条件下，土体因其所处位置不同而经受不同的应力路径，且在加载过程中应力路径也是变化的，所以应力路径的变化应在地基模型中加以考虑。Lambe(1964：，1967),，Lambe和Marr(1979)提出采用应力路径法计算沉降应力路径法的基本概念是用应力轨迹表示工地现场在施工前、施工期间以及完工后地基的应力变化情况。土体中任一单元的应变、孔隙压力和强度都与

25、应力路径有关，所以应力路径法能够从土体应力变化来推测土的变形和强度，清楚阐明土力学中地基沉降与稳定两个课题中各种计算公式的内涵，并把这两个课题有机地联系起来。软黏土受荷载作用后，往往有两个过程：首先是形变，然后是体变。加荷初始，孔隙水一时来不及排出，孔隙水压力上升，这就相当于固结不排水过程，体积不变。随着孔隙水压力的消散，体积压缩，有效法向应力增加，而偏应力不变，这相当于固结排水过程。因此，沉降就可分成两部分计算，通过模拟现场实际加荷条件，进行室内固结不排水和固结排水试验、分别量测不排水应变和排水应变，由此求得不排水沉降与固结排水沉降。应力路径法对于认识沉降机理，分析常规计算中可能产生的误差趋

26、势，都是很有益的。实用应力路径法，可以解释为在常规土工试验中土样的应力变化的实质情况。应力路径法可以用来总结其它沉降计算方法，因为不同的沉降理论的假设将得到不同的应力路径。但该法使用较为麻烦，试验技术要求过高，目前尚未被工程界采用。应力路径法计算沉降的新发展：与路基的填筑过程相似的水工土石坝的沉降计算中，介绍运用增量理论给出了变形模量随应力增量比变化的计算方法，对变形模量和泊松比进行修正，在此基础上得到新的考虑应力路径的沉降计算法。 6差分法这也是一种数值计算法，目前法国、和的一些学者在常规计算方法的基础上，用差分法把土层的不均匀性，土性参数的非线性变化等纳入到计算程序中。因而它是传统计算方法

27、的改进，但较有限易于使用。从沉降变形分析和现场实测数据分析来看，沉降变形分析往往与实测结果存在一定距离，对工后沉降变形要求越高，其影响就越大。由于路基填筑过程中其地基应力是不断变化的过程，其竖向变形和侧向变形均随着路基填筑发生不同程度的变化。试验分析表明，地基的沉降变形和侧向变形是紧密相关的，若将路基的侧向变形和竖向变形考虑，分析所得结果与实际结果的差值会缩小。4.高速铁路路基沉降预估方法研究现状地基在荷载作用下，沉降将随时间发展，其发展规律可以通过土体固结原理进行数值分析来估算，但是由于固结理论的假定条件和确定计算指标存在试验技术上，使得实测地基沉降过程数据在某种意义上较理论计算更为重要。通

28、过大量的沉降观测资料的积累，可以找出地基沉降过程的具有一定实际应用价值的变形规律，还可以根据路基施工时的实测沉降资料和已取得的经验进行估算，是工程中最为常用的沉降分析方法。很多文献根据实测数据以及一些经验方法对沉降进行预估，并应用于工程实际。实例表明，目前的沉降已经达到不超过实际沉降的1020的最终沉降量，但是预估沉降与时间的关系以及预估沉降和诸多的影响方面的研究仍然不够。根据沉降资料推算地基沉降有以下的一些主要方法：(1)原位试验法沉降可以通过原位试验测定相应参数来估计。通常用来预估地基沉降的原位试验有平板载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验和旁压试验等。不过，这些试验由于各种各样的，比如仪

29、器的精确度、量测装置以及外界环境的影响都给结果带来很大的误差，预估的沉降值也受到一定的影响。(2)双曲双曲线方程为：中组成方程组求得的系数。沉降计算的具体顺序：(1)确定起点时间(t=O)，可取填方施工结束日为t=O。 (2)根据实测资料计算 t(St-So)，见下图 3.图 3.用实测值推算最终沉降的方法(3)绘制 t 与t(St 一S。)的关系图，并确定系数a，b，见图 4。图 4.求 a，b 方法计算S。由沉降一时间双曲线关系推算出S-t曲线。上述公式反映了平均沉降速度，按双曲线规律减少的假定前提下绘出的。说明：起点日之前的沉降量瓯即为初期沉降量，见图3。预压时间至少应大于三个月，否则偏

30、差大。当地基土为成层地基时，应分层绘制各层沉降过程线，否则会对残余沉降估计偏低。双曲是一种经验方法，推算原理不强，理论性不够明确，也会因实测沉降时间不够，无法(3)反演分析法。曲推测，但比较简单明了，所以有一定的实用性。反演分析法是近十几年发展起来的一项新技术，它通过已有的沉降观测资料，如工程中实测的应力应变、位移等，通过数值计算确定岩土介质的力学参数，反演得到正分析中的某些输入参数，使正分析得到的结果与实测沉降充分接近。如可以通过反演分析确定原位固结系数，再根据Terzaghi的一维固结理论推算最终沉降量及沉降发展过程。等(2000年)用Merchant一维黏弹性固结模型进行了一维反演分析，

31、在不考虑侧向变形的条件下，建立了沉降与沉降速率的计算式，该式包含四个计算参数，分别反映主固结与次固结的沉降大小和发展快慢，用实测沉降进行反演分析，求得这些参数，即可计算总沉降量和沉降速率。由于采用黏弹性模型，次固结的影响可以得到考虑。(4)固结度对数配合法(三点法)该法由曾于1959年提出，固结度的理论解普遍表达式为：不论竖向排水、向外或向内径向排水，或竖向和径向联合排水等情况均可使用，所不同的只是，值。根据固结度定义：由上俩式联立：为求t时刻的沉降，上式右边有四个未知数，即S、Sd、。在实测初期沉降时间曲线(St)上任意选取三点：(t1，S1)，(t2，S2)，(t3，S3)并使t，一t2=

32、t2-tl，将上述三点分别代入上式中，联立求解得参数和最终沉降量S以及Sd的表达式，其中Sd的表达式中还含有这个变量。一般在Sd时，可采用理论值：=8(*)，将所求得的，S，Sd分别代入上式中便可取得任意时刻的沉降。(5)抛物河海大学通过对高速公路塑板处理段的工后沉降资料分析，发现公路完建后的沉降曲线在初期并不表现双曲线或指数曲线的形式，在沉降一时间对数坐标系(S)中沉降曲线可由两部分组成，第一部分可由抛物线来拟合，第二部分即次固结部分可由直线拟合，第一部分和第二部分发生的量级和时间取决于土层固结后达到的孔隙比所对应的当量固结应力。只要运营期的有效应力小于预压期末的固结应力，次固结可以忽略不记

33、，否则，就应该考虑次固结的影响。实践证明，除有机质含量很高的土外，沉降量主要集中在第一部分，沉降曲线的一般表达式为：应用该法，仅需掌握短期的实测资料即可求得满足工程精度要求的工后沉降量及铺筑路面时对应的沉降速率，并可以及时指导施工，该法实际推算结果比双曲更加可靠。(6)指数曲式中：Sm。一最终沉降；A，B一系数，求法同双曲中a，b。上两式简单实用，但是前提是假定荷载一次施加或者突然施加的，这与实际情况不符，因此上述方法尚可改进，下面的修正指数曲加载阶段，将各级荷载增量所引起的沉降叠加。将路堤荷载分为若干个(7)修正指数曲图 5.加荷与沉降发展曲线对于多级加荷的，路堤沉降曲线“台阶状发展的情况，

34、可把常规的指数曲线模型拓展为：式中：m为加荷的总级数；t为沉降时刻ti，到第k级荷载施加时刻tk。的时间间隔(图5)；Sk为第k级荷载增量所引起的最终沉降量，当加荷速率与土层状况不变时，Sk与Pk比值近似为定值，若令C为比例常数，则有Sk=CPk，Pk必为第k级荷载增量；A，B，C均为反应土体固结性质的参数，设其与荷载的施加无关，视为常量。上式就变为：根据沉降实测值，采用试算法确定上式中的参数A，B，C，将已确定出的参数带回上述经验公式模型中，分别计算各级荷载在t，时刻所引起的沉降量，将各级荷载在t，时刻所引起沉降量进行叠加，即得t，时刻总沉降量。(8)人工神经网络法。人工神经网络法自20世纪

35、80年代中后期以来，迅速发展为一个前沿研究领域，并广泛应用于各个学科。目前，已有人将人工神经网络运用于路基沉降计算。神经网络具有集体运算和自适应能力，联想、综合与推断，能够对路基前期沉降资料进行分析，路基填土的基本性质，通过模拟填土性质、加载与变形之间的复杂的函数关系，就可以进行路基沉降的。在用神经网络分析路基沉降问题时，只要取三层网络(输入层、中间层、输出层)。考虑到土的非线性，输出层取为荷载增量下的沉降增量；输入层则为反映路基沉降的主要(如施工加载方式、施工加载速率、施工间歇期、前期沉降值等)；中间层为反映土的力学性质和变形特征(如土的重度、强度指标、压缩系数、渗透系数、固结系数等)。建立

36、起反映路基沉降影响与路基沉降量之间的关系的神经网络后，就可以用已有的沉降观测资料对网络进行学习训练，待到网络误差小于预先设定值时，网络就能够抽取并填土的力学性质和变形特性，再输入要进行的沉加载情况，就可以通过网络出将要发生的沉降变形情况。神经网络法降尤其适合于只有一些沉降观测资料而无土性参数的情况，与实测沉降误差较小，有一定的发展前景。(9)灰色理论自从八十年代法聚龙教授创立了灰色系统理论以来，灰色系统理论得到了较普遍的应用和广泛的重视，在农业、林业、水利、能源、交通、经济等领域，灰色系统理论在方面取得了令人瞩目的成就。一般而论，引起沉降的原因主要是外加荷载作用的结果，但荷载与沉降的关系既非明

37、白清楚的数学关系，也非如“黑箱”那样结构、参数和特征一无所知，它是界于白的清晰和黑的不清晰之间的一种灰色的朦胧，因此可用灰色系统理论来描述。灰色系统理论的基本思路是：首先对数据进行累加处理，使观测数据序列的随机影响淡化，从而提高观测数据序列的内在规律，然后再将数据序列建成一个变量具有微分、差分、近似指数规律兼容的灰色模型。灰色模型又称GM模型，即Gray M之意，它是用一组微分方程给出的数学模型。利用GM可以对所研究系统的发展变化进行全局观察、分析和长期GM(1，N)和一阶一元。根据因子的数目可分为一阶多元模型模型GM(1，1)。灰色理论属于系统科学理论，它提供了在贫信息情况下求解系统问题的新

38、途径。它将一切随量看作是在一定范围内变化的灰色量，将随机过程看作是在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程。对灰色量用数据生成的方法，将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成序列，然后建立模型而进行。这样，就能在较高的层次上处理问题，从而较全面揭示系统的长期变化规律。目前，工程中最为常用的沉降预估还是采用常规计算方法，沉降推算采用曲线拟合法，这是由于这两类方法较其它方法来得简单，工程技术便于应用。虽然其它方法可能精度更高，但由于过于复杂，对试验技术和参数选取的要求过高或需要高深的数学理论，因此即使在将来，也不会在工程中完全替代常规分析法。综合分析现有的各种计算和方法可以看出，探索一种建模简便

39、、参数选取要求相对简单、适用性强、参数具有时变特性、操作快捷的沉降方法具有切实的意义。第二章 高速铁路路基沉降监测分析目前高速铁路建设呈雨后之势，都要求对路基沉降变形进行动态监测，在施工期间进行系统的沉降监测与分析评估，观测数据作为竣工验交时工后沉降控制量的依据，以保证路基工后沉降控制在15mm以内。1.监测的内容和设置原则监测内容有：不同的路基高度，不同的地基条件，不同的结构部位等具体情况设置沉降监测剖面，且监测范围应函盖所有沉降发生的路段。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

40、监测共六个方面。路基面监测点是变形监测的重点部位，同时为评价沉降的发生与发展规律，总沉降量及工后沉降完成时间，还必须在路基填层中以及路基基底布置监测点。路基面的沉降观测主要通过沉降观测桩来监测；路底的沉降观测主要通过单点沉降计、沉降板来监测；路堤本体的沉降观测主要通过剖面沉降管来监测。基底沉降监测与路堤本体沉降监测在一般路基(非试验段路测点可同时布置于路底和基床底层顶面；分层沉降监测、加筋(土工格栅)应力、应变监测按不同的工程地质地貌单元，选择代表性地基类型工点进行；基底沉降监测与路堤本体沉降监测在一般路基(非试验段路测点建议一同布置于路底和基床底层顶面；同时在软土及松软土路基填筑时，沿线路纵

41、向每隔30-50m在距坡脚2m处设置位移边桩，以控制填土速率。设置原则：以路基中心沉降监测为重点，包括路基面沉降监测，基底沉降监测，路堤本体沉降监测、深厚层第四系地层的分层沉降监测，另外软土和松软土地基路堤地段的水平位移监测等。2.路基沉降的监测类型路基沉降监测类型应根据路基填筑高度、路基结构、地基条件以及监测内容等确定，大致可分为7种类型，分别是(1)一般路堤地段沉降监测(A型)；(2)一般软弱土地基路堤地段沉降监测 (B型)；(3)深厚覆盖层地段沉降监测(C型)； (4)低填浅挖路测(D型)；(5)过路基沉降监测(E型)；(6)岩溶路基沉降监测(F型)；(7)路堑地段的置图式。当路沉降监测

42、(G型)。上图6即为一条高速铁路基变形监测剖面基本布底或下卧压缩层为平坡时，路堤主监测断面为线路中心；当地表或下卧压缩层横坡大于20时，于填方较高侧或压缩层厚侧增加监测点。沉降测量布设方案路基面沉降监测路堤地段每个监测断面设三个点，分别位于路基中心、两侧路肩，采用监测桩，在路基成形后设置，如图7所示：图7.半幅路堤断面沉降观测布置示意图路堑观测为于线路中心、两侧路肩各设置一个监测点，每个监测断面三个点，监测方法采用监测桩，在路基成形后设置。3.2 基底沉降监测在地基表面处理完成后、路堤填筑前，在路堤基底地面的线路中心预埋度智能型单点沉降计进行基底沉降监测。每隔一段距离，路中心增设沉降板进行沉降

43、校核监测。当地表横坡大于20时，在填土较厚一侧增设1个测点，以评价基底沉降的均匀情况。基底沉降监测断面按设计布设，在地面纵坡变化较大的地段，视地面坡度变化情况加密设置。3.3 路基本体沉降监测当路基填料填筑开始时，路中心的路床表层底部埋设度智能型单点沉降计用于观测基床表层底部的沉降。相同时间内，基床表层底部的沉降变化值与相应。位置基底沉降变化值之差即为路基本体的变形。3.4 深厚层地基分层沉降监测软土和松软土厚度6m地基，一般每隔50m设置一处沉降监测断面，过路基必须设置，一般采用电磁式沉降仪，于路基中心地基中设置，分层沉降仪布设间距2D30m。3.5 软土地基水平位移监测软土、松软土地段，于

44、路堤两侧坡脚外2m和10m处设位移观测桩，间距20米，进行水平位移监测，根据水平位移速率在大小控制软土地段的填土速率。当观测桩位移超限或累计边桩位移过大时，应停止填筑，分析原因，研究好处理措施后方可填筑。沉降监测方法沉降板法结构形式：如右图8所示。沉降板由底座、金属测杆和保护套管组成。测杆上端包有铁皮接 头，测杆外需加套管，以消除填土与观测杆问的摩擦力。测杆和套管随填土高度的增大而接长，每节长度不宜超过 50 cm，接高后的测杆顶面应高于套管上口，套管上口应加盖封住，避免填料落入管内而影响测杆下沉度，盖顶高出碾压面高度不宜大于25 cm。沉降板的尺寸取决于板下土层的压缩性及均质性。安装沉降板前

45、需将地面整平，以便保持底板的水平及测杆的垂直。在填土高达1m以后，根据填土部分的压缩量，将套管上拔一定距离，以免由于填土部分的压缩而影响地面沉降数值。工作原理。沉降观测采用水准仪进行。利用底座位置的变化来测定土体的垂直位移。即当土体发生沉降或隆起时，埋设在土中的底座也跟随一道移动，并联带观测杆在套管中作上下运动。测定观测杆的顶面高程，即可推算出待测点的沉降值。填土高度低于临界高度时，每两天观测一次；接近临界高度时，每天观测一次；在沉降量急剧增大的情况下，每天观测次数不应少于23次，精度应准确到1 mm。由于观测杆上端伸出地面，在施工中易遭到破坏或发生弯曲变形而影响测量精度，用沉降板测得的沉降精

46、度只有1 cm。2. 沉降水杯法结构型式：如图9所示。图9.水杯法示意图仪器由沉降水杯、进水管、出水管、排气管、量测板等五大部分组成。沉降水杯由经防锈处理过的，上、下铝合金盖板组成。底座上设有带保护的进水管(与连通水管相接)、排气管及出水管。且各管路应采用聚氯乙烯与测头相连的进水管、出水管及排气管的终端均固定在量测板上，量管。测板上还配有抽气、供水装置。工作原理。采用连通器原理测量测点处的沉降。埋设沉降水杯前同样需将地面整平，并将三根管子引出，每次测试都需将水杯中的气泡排完，当土内水杯与外面进水管两端都处于同一大气压下时，而且水杯充满水并溢流后，此时进水管中的水面处的高程即为土内水杯杯口高程。

47、测得水杯杯口高程的变化量即为该测点的相对垂直位移量。沉降观测采用水准仪进行。精度应准确到1mm。3.铁环分层沉降仪法适用于路基处理过程中的堆载试验，基坑开挖或回填作业中引起的隆起和沉降的测量，也可测得一般堤坝的水平位移即侧向位移。结构型式：如图10所示。图10.铁环分层沉降仪法示意图仪器由测头、三脚架、铁卷尺和沉降管组成。测头一端系有50m长钢卷尺及三芯电缆。钢卷尺和电缆平时盘绕在滚筒上。沉降管由主管与联接管组装而成，另在主管上套一只铁沉降环，环的内外径与联接管相同，厚2 mm。铁环与沉降管一道埋在土环可随土体的下沉而移动。沉降管同样也随施工进度不断接长。工作原理。利用铁环在沉降管中的相对位置

48、来测定土体的垂直位移。即当土体发生沉降或隆起时，埋设在土中的铁环也跟随一道移动，并联带沉降管作上下运动。当测头接近铁环后，可由钢卷尺的读数来计算待测点此时的位置。这样可用测头自上而下依次逐点测定管内各铁环位置，与初始位置相减，即可算出各测点的沉降量。沉降管上端伸出地面，在施工中易遭到破坏或发生弯曲变形而影响测量精度，用分层沉降仪测得的沉降精度也只有1cm。剖面沉降仪法剖面沉降仪法是一种精密的测量仪器，可连续测读结构物下部的地表沉降量，不影响地表以上的施工，不破坏上部结构的完整。该项监测广泛应用于软土加固堤坝、高速公路(铁路)、堆载试验等土工程的地基工程。剖面沉降仪法分为两类，一类是水力法；另一

49、类是测斜法。水力法结构型式：如右下图11所示。该仪器 由测头、充满液体的管路、液体容器、信号电缆及测读仪等成。管路中充填的液体是无空气的防冻液 体。为增加灵敏度可用水银。在使用前，需在地表埋设剖面沉降管。剖面沉降管可用聚氯乙烯管。工作原理。测量时，将沉降测头放入填土的沉降管中，它通过充满液体的管路与液体容器连接，由传感器测得探头内液体压力，就可测出探头与容器内水位的高差。由不同测点处具有不同的水位差，可以测出待测点的相对高程，再用水准仪测出管头的绝对高程，即 出各点的绝对高程。精度可以达到01 mm。4.2 测斜法结构型式：如图12所示。图12.测斜法示意图该仪器由测头、信号电缆及测读仪等组成

50、。其图12测斜法示意图敏感元件是度伺服加速度计。在使用前，需在被测土体埋设测斜导管(内壁开有导槽)，导槽方准测斜方向。工作原理：测量时，将测头沿管子移动，每移动一个标准长度L=500 mm需记录此时的输出电压。原理是基于测头加速度计测量重力矢量在测头轴线垂直面上的分量大小，从而确定测头轴线相对水平面的倾斜角的原理。测量中还需测管口的高程，从而确定各待测点的高程。5.沉降监测的频度路基沉降观测分为四阶段进行，每个阶段的沉降观测的频次应根据沉降的发生与发展规律及沉降大小确定，一般应按照如下观测频度进行：第一阶段：路基填筑施工期间的观测，主要观测路基填土施工期间地基与堤身的沉降变形以及路堤坡脚边桩位

51、移与沉降。本阶段沉降观测应与施工配合，每填筑一层应观测一次，同时应保证不超过3天观测1次。第二阶段：路基填筑施工完成且预压土方施加后，自然沉落期的沉降观测，该阶段应对路床底层顶面的沉降及路底沉降进行系统的观测，直到工后沉降评估可满足铺设无碴轨道的要求为止。本阶段的沉降观测频度为：第1-15天每3天一次，第16-90天每7天一次，第90-180天每15天一次。第三阶段：预压土方卸载、铺设基床表层(级配碎石层)、无碴轨道铺设期间及正式运营前的观测。本阶段的沉降观测频度为：前15天每3天一次，第15天后每7天一次。第四阶段：试运营期间的观测(对于需进行运营期进行沉降观测的路基)。本阶段的沉降观测主要

52、进行路基面观测桩的观测，一般每月1次，必要时进行路基本体沉降及地基土沉降的观测。实际工作进行时，观测时间的间隔还要看地基的沉降值和沉降速率，两次连续观测的沉降差值大于4mm时应加密观测频次。当出现沉降突变、降雨等外部环境变化时应增加观测频次。水变化及第三章 高速铁路路基沉降评估分析1.路基工后沉降的组成对铁路路基而言，工后沉降是指路基竣工铺轨通车后所产生的沉降量，一般由三部分组成：(1)路基填土在自重及上部建筑作用下产生的压密沉降；(2)路基基床在动荷载作用下的弹性变形和累积塑性累积变形；(3)地基在轨道、路堤自重及列车作用下的残余沉降。有科研成果表明，第一部分沉降与路堤填料和压实质量有密切关

53、系。国外高速铁路的经验和实测资料表明，路堤填土压密沉降主要通过压实密度来控制。该部分沉降一般在路堤竣工后一年左右完成，若施工组织安排合理的施工和放置工期，路基本体的压密沉降可不计入工后沉降。第二部分沉降与列车轴重、运行密度、轨道结构以及基床表层质量有关，高速铁路对路基基床结构提出了特殊要求，在列车动荷载作用下一般小于厅5mm。第三部分是工后沉降的主要组成部分，特别是地基为软弱粘性土时，沉降量大，完成时间长，通常需要对不良地段采取有效的处理措施，以加快路基沉降变形的稳定。从沉降变形的产生部位来看，铁路高速铁路路基的变形主要由路基本体和地础的变形组成，路基本体的变形通常指地础上部即基床表层、基床底

54、层和基床底层以下路堤的变形，其沉降变形量的组成分析如表1所示。因此，对路基按土工结构物设计，通过合理地组织安排施工，路基本体的沉降变形在工程完工后可不考虑，地基沉降变形是路基沉降变形问题的主要组成部分。表1高速铁路路基工后沉降组成分析评估方法路基沉降分析评估工作应根据下列资料综合分析： (1)路基沉降观测资料。(2)路沉降计算段的线路设计纵断面图、工程地质断面图、设计图纸和说明书、(包括不同阶段的设计沉降值与时间的关系曲线)等相关设计资料。(3)施工过程、施工核查以及填料、级配、地基和压实检验情况等施工资料。 (4)施工质量控制过程和抽检情况等监理资料。2路基填筑完成或堆载预压后，最终的沉降时

55、间应满足下列条件：式中：s(t)时的沉降观测值；s(t=)的最终沉降值。注：沉降和时间以路基填筑完成或堆载预压后为起始点。另外设计沉降计算总沉降量与通过实测资料不宜大于lOmm。的总沉降量之差值原则上3在设计中，根据不同性质的地基土，分别采用压缩系数、压缩模量、eP曲线、elgp曲线等方法估算路基的工后沉降。这些计算方法由于各种限制，往往与实际有较大误差，其工后沉降的计算精度难以满足无碴轨道工后沉降控制精度要求，在实际工作中应以实测沉降来推算工后沉降。目前常用的工后沉降评估方法有实测沉降推算法、沉降的反演分析推算法等，具体应根据工点的地基条件、路基高度、地基加固措施等用两种方法相互对比、验证。

56、确定，也可同时采实测沉降推算。利用实测数据推算最终沉降量方法很多，常用的有灰色模型GM(1，1)修正双曲沉降法、泊松曲线地基沉降法、三点法、沉降速率法、法、等。这些推算方法中，目前使用较多有修正双曲、三点法等，具体应根据工点的具体情况，视拟合程度的优劣，选择与实际情况较为吻合或接近的方法来推算最终沉降量、工后沉降量及沉降速率。沉降的反演分析推算。利用先前实测沉降曲线进行反演分析，修正地基土设计参数，并重新进行沉降计算，再由实测沉降验证，经过多次循环分析计算，预测工后沉降量。明的是，用该法进行计算时所用到的土层参数是利用先前实测曲线进行反演推算出来的，且经过实测沉降验证，因此也更符合实际情况。在

57、实际监测中，路基施工至设计标高(有预压土方时至预压土方的顶面)时，可先持续监测不少于6个月的时间，根据这6个月的监测数据，绘制“时间一填土高一沉降量”曲线，按实测沉降推算法或沉降的反演分析法，分析并推算总沉降量、工后沉降值以及后期沉降速率，并初步分析推测最终沉降完成时间，确定铺轨时间。根据分析结果，结合工期要求，验证、调整设计措施，使地基处理达到预定的变形控制要求。当评估结果表明沉降还不能满足无碴轨道的要求时，则研究确定是延长路基摆放时间继续监测，还是采取(或调整)地基加固措施(如调整预压土高度、确定预压土卸荷时间、调整或增加地基加固措施等)，即进行“监测一评估一调整”几个回合的循环，直至满足

58、无碴轨道铺设要求与运营要求止，这一般需持续6至18个月的时间。3.路基沉降的评估要求为保证高速轨道铺设质量，除路基填筑质量满足相应的检测标准外，铺设前必须对路基沉降变形是否满足无碴轨道的控制要求进行评估，只有经分析满足沉降控制标准的地段才可铺设无碴轨道。各种工后沉降推算方法均是以实测沉降资料为依据，采用数学拟合修正的方法总沉降量、沉降速率、沉降趋势的数学方法、地基土特性等边界条件影响较大。分析方法，其精度受、由于高速铁路无碴轨道路基沉降控制极其严格的，对后期沉降的，应尽可能采用理论计算与实测资料相结合的方法。即在施工过程中根据实测资料修正理论分析结果，通过多次拟合调整使两者之间尽量吻合，得出较

59、为合理的理论计算公式，此时可用理论计算公式对后期沉降进行计算。对精度的可靠性可按照以下3个方面进行评估：(1)前测试数据回归方程的相关性分析，要求测试数据与拟合求得沉降趋势线方程的相关系数较大，方程方可用于沉降；(2)稳定性验证，采用已有观测数据和确定的回归方程，推测后续一定时间(一般不小于6个月)的沉降，当与实测沉降的偏差小于某一数值时，认为稳定性较好，精度较高；(3)准确性要求，认为当的时间条件满足当前荷载水平下沉降变形基本完成的条件下，才是准确的。而且一般需要填土完成后经3“个月荷载稳定的测量数据，根据实测经验，填土的压密变形随土性的不同一般也要经618个月才能稳定。4.路基工后沉降的曲

60、线拟合方法在土质路基上铺设无碴轨道前，需要对路基沉降变形进行系统的分析评估，确认路基工后沉降满足设计要求。为了尽可能准确地工后沉降，以路基填筑完成后的沉降观测桩的观测结果为基准，对基床表层顶部的观测沉降进行曲线拟合，以工后沉降。对路堤填筑路段，曲线拟合一般以中心观测桩为主，路肩观测桩为参考；对路基断面不对称路段，应相应考虑路肩观测桩的测定结果。高速铁路路基工后沉降采用沉降拟合曲线方法，其推导过程是以三个月为周期反复进行，以不断近路基的真实变形状况。具体而言，在路堤完成填筑后，以安装沉降观测桩为时间起点，按规定的观测周期测定三个月，可根据三个月测定的沉降观测结果推导第一个拟合曲线S(t)，根据这