第四讲之一高速铁路沉降变形控制

高速铁路工后沉降控制1.工后沉降控制的意义2沉降计算方法3.沉降观测仪器比选4.沉降测试方法5.观测数据处理及工后沉降预测6.沉降控制动态设计7.沉降观测具体要求（案例）1.工后沉降控制的意义路基沉降变形按空间分包括四个方面：列车行驶中路基面产生的弹性变形；长期行车引起的基床累积下沉；路基本体填土压缩量；地基的压缩下沉。路基沉降变形按时间划分包括三方面：瞬时沉降主固结沉降次固结沉降铁路路基沉降变形按时间划分方法：施工沉降：施工期间产生的沉降工后沉降：铺轨工程开始时的沉降量与总沉降量之差路基沉降变形按空间分包括四个方面：列车行驶中路基面产生的弹性变形；长期行车引起的基床累积下沉；路基本体填土压缩量；地基的压缩下沉。路基变形路基面弹性变形路基面累积变形路基压缩沉降变形填土压缩变形地基沉降变形路基变形组成研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量S由三种不同的原因引起次固结沉降Ss主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。初始沉降(瞬时沉降)

Sd有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移(即剪切变形)引起的。主固结沉降(渗流固结沉降)

Sc由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。

是地基变形的主要部分。tSSd：初始瞬时沉降Ss:次固结沉降Sc：主固结沉降1.工后沉降控制的意义客运专线基床表层采用级配碎石，压实标准较高，表层弹性模量可达200MPa以上，路基面弹性变形在1.0mm之内；路堤填土压密下沉量为路堤高度的0.2％～0.4％，而且在一年左右完成。由此可见，只要满足基床及路基本体填筑材质、压实标准，列车行驶中弹性变形、运营阶段的塑性变形及路基填土压缩量都是有限的，而且也可得到控制。因此，控制路基的变形特别是工后沉降的关键，在于控制支承路基的地基沉降。1.工后沉降控制的意义无碴轨道要求严格：对于调高量为30mm的扣件，如果允许在施工中调高＋6mm和－4mm，那么只剩20mm可以调整，再考虑轨道结构变形要留有5mm的余量，实际留给运营部门的可用于路基沉降调整的仅为15mm。这是局部调整的极限。对于20m范围内的情况，德国的经验和规范的规定可以到20mm。对于更大范围的均匀沉降德国的经验是，最大沉降为扣件的运营可调整范围的3倍时是可以圆顺的，规范要求为扣件可调整范围的2倍，也就是30mm。高速铁路最终控制15mm。各个规范工后沉降要求序号规范或标准一般路基工后沉降过渡段工后沉降年沉降速率0高速公路301561秦沈客运专线暂规15842时速200公里客货共线15843时速200-250公里客运专线10534京沪高速铁路暂规1.5纵向平顺度每20m小于20mm5时速300-350公里客运专线1.52.沉降计算方法沉降计算的发展状况分层总和法有限元方法离心模型试验方法根据检测数据推算方法建筑物立面高差过大修建新建筑物：引起原有建筑物开裂建筑物过长：长高比7.6:147m3915019419917587沉降曲线(mm)关西国际机场

世界最大人工岛1986年：开工1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m×1250m填筑量：180×106m3平均厚度：33m设计时预测沉降：5.7-7.5m完成时实际沉降：8.1m，5cm/月(1990年)预测主固结完成：20年后比设计超填：

3m问题：沉降大且有不均匀沉降分层总和法最终沉降量S∞：t∞时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量，不考虑沉降过程。不可压缩层可压缩层σz=pp主固结沉降侧限压缩试验

固结容器：环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等

加压设备：杠杆比例1:10

变形测量设备1、侧限压缩仪（固结仪）支架加压设备固结容器变形测量水槽内环环刀透水石试样传压板百分表施加荷载，静置至变形稳定逐级加大荷载测定：轴向应力轴向变形试验结果：2、试验方法P1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e3e-σ′曲线01002003004000.60.70.80.91.0eP1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e3e-σ′曲线01002003004000.60.70.80.91.0e压缩系数，KPa-1，MPa-11e0侧限压缩模量,KPa,MPa侧限变形模量固体颗粒孔隙体积压缩系数，KPa-1，MPa-1e-σ′曲线01002003004000.60.70.80.91.0e压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土0.5中压缩性土0.1-0.5低压缩性土<0.11、计算简图压缩前压缩后侧限条件σz=ppHH/2H/2γ,e1单一土层一维压缩问题ee1e2p1p2p2、计算公式单一土层一维压缩问题（a）e-σ´曲线2、计算公式单一土层一维压缩问题（b）e-lgσ´曲线优点:可使用推定的原状土压缩曲线；可以区分正常固结土和超固结土并分别进行计算。正常固结土：超固结土(并假定p2>p)：p1、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半经验性方法。地基最终沉降量分层总和法（a）基底压力为线性分布（b）附加应力用弹性理论计算（c）只发生单向沉降：侧限应力状态（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降（e）将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和：d地面基底2、计算步骤地基最终沉降量分层总和法(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0pp0dp0=p-d(c)确定地基中附加应力z分布自重应力附加应力(d)确定计算深度zn①一般土层：σz=0.2σsz；②软粘土层：σz=0.1σsz；③一般房屋基础：Zn=B(2.5-0.4lnB)；④基岩或不可压缩土层。沉降计算深度σsz从地面算起；σz从基底算起；σz是由基底附加应力p-γd引起的2、计算步骤地基最终沉降量分层总和法(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0(c)确定地基中附加应力z分布(d)确定计算深度znd地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度(e)地基分层Hi①不同土层界面；②地下水位线；③每层厚度不宜0.4B或4m；④z变化明显的土层，适当取小。(g)各层沉降量叠加Si(f)计算每层沉降量SisziziHi要点小结：①准备资料②应力分布③沉降计算建筑基础（形状、大小、重量、埋深）地基各土层的压缩曲线原状土压缩曲线计算断面和计算点确定计算深度确定分层界面计算各土层的szi，zi计算各层沉降量地基总沉降量自重应力基底压力基底附加应力附加应力④结果修正地基最终沉降量分层总和法有限元方法计算沉降计算沉降过程Biot固结理论固结单元接触单元存在问题有限元方法计算沉降有限元方法计算沉降有限元方法计算沉降有限元法计算沉降地表及距地表10处沉降分布图结构模型图图4网格划分图土工离心模型试验土工离心模型试验基本原理

土工离心模型试验作为一种可再现原型特性的试验方法，正愈来愈受到工程界的关注。其基本原理是，将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，来补偿因模型尺寸缩小而导致土工构筑物自重的损失。具体说就是把经过1/N

缩尺的原型结构物置于NG倍的离心力场中，使模型和原型相应点的应力应变达到相同、变形相似、破坏机理相同，从而再现原型特性，为理论和数值分析方法提供真实可靠的参考依据。

模型内任意一点所产生的应力与原模型对应点产生的应力相同。包括总应力、孔隙水压力及有效应力。

当模型按几何相似缩小到原型的时，要保持模型和原型的应力水平一致，必须使模型的重度为原型重度的倍。

固结比例尺推导太沙基固结方程：如果几何条件边界条件相同，β不变，要使固结状态相同：即：物理量线尺度面积体积质量加速度能量力位移原型11111111模型物理量应力应变质量度度重度频率刚度土压力原型1111111模型111土工离心试验的应用

土工离心模拟试验可以直观地研究土工建筑物的变形和破坏机理，它不仅可以定性地、而且可以定量地模拟土的性状，将真实的工作状态显示出来。随着应用现代化的实验技术施加各种外荷载和量测各种物理参量，离心模拟实验已应用于研究土石坝的边坡稳定和变形、砂土液化、地基承载力、地基变形，以及各种类型的土与结构物的相互作用，乃至模拟爆炸、地震和大地构造等。它的应用范围正在不断扩大。土工离心试验的误差1、离心力场和重力场有差别2、模型的应力误差3.沉降测试方法比选1.观测桩2.沉降杯3.沉降板4.水压式剖面沉降仪5.水平测斜仪6.新式沉降板7.静力水准仪沉降观测仪器比选观测桩

用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪抄平，即可测量地表面的沉降量。此方法最简便，但只能测定建筑物表面的沉降值，无法测试土体内部某位置的沉降，对填土施工有干扰。沉降观测仪器比选沉降杯将盛水密闭容器置于土中，容器上接出进水管、排水管和排气管至填土以外。进水管外部与观测量杯相连。容器灌水以后，容器内部的水位与外部观测水杯的水位一致，则可通过观测量杯中的水位得到容器的沉降。其优点是构造简单，造价低廉，缺点是三根管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易形成气泡阻塞水管，使测试无法进行。此方法比较少用。沉降观测仪器比选沉降板

由底板和测杆、护套组成。底板为边长约50cm厚度3cm的钢筋混凝土板。测杆为直径40mm左右的钢管，第一段垂直固定于钢筋混凝土板的中央，随着填土高度的增加，分段以丝扣接长测杆。测杆外套接塑料管保护，以免测杆受外来扰动变形。沉降板是目前沉降观测的最常用的手段。其优点是造价低廉，操作简便，易于测试。但其弱点也很明显，主要是影响填土压实施工，压实机械经过时必须绕道而行，极为不便，机械经常撞坏沉降杆，且形成压实死角，降低压实质量。其次是一个沉降板只能测量路堤中一点的沉降。一个断面上多放几个沉降板影响压实施工的矛盾更突出。另外一个缺点是损坏后的补救非常困难。沉降板沉降观测仪器比选水压式剖面沉降仪

由沉降管和二次测试仪器组成。沉降管为一般的PVC管，二次测试仪器由探头、注水管、注水架组成。其工作原理见图2.图2剖面沉降仪的工作示意图沉降管记录仪注水系统沉降观测仪器比选水压式剖面沉降仪探头内的主要元件是静水压力传感器。由于地基沉降的原因，探头处于不同位置时，静水压力传感器所受到的静水压力是不同的，记录不同的静水压力，据此可得到不同位置的高程，从而得到沉降值。剖面沉降仪测试的优点，1）能够测定任意一点的沉降值，甚至可以测试整个剖面的连续的沉降曲线，配置自动记录仪即可实现。2）测试成本低。除了一次性投入二次仪器约2万元外，每次使用只需购买廉价每米5元左右的PVC管即可。3）对填土施工无干扰。但其缺点也比较突出。首先精度比较低。若要提高精度，需根据待测沉降的大小范围，配置若干不同灵敏度的探头，增加了二次仪器的造价。第二个缺点是测试操作比较复杂。整个系统不能方便携带，测试时需取水和注水。第三个缺点是受气候干扰大，风使测试数据不稳定；温差大改变了水的密度，影响精度。沉降标定曲线沉降观测仪器比选水平测斜仪与水压式剖面沉降仪相似，水平测斜仪也由沉降管和二次测试仪器组成。不同的是水平测斜仪无需注水系统，其沉降管是特制的PVC管。工作原理见图3.图3水平测斜仪的工作示意图沉降管记录仪探头电缆沉降观测仪器比选水平测斜仪探头内的主要元件是伺服加速度传感器。由于地基沉降，探头处于倾斜方向，通过重力加速度在敏感水平轴上的投影，可精确测量探头的倾角，再根据探头长度得到探头两端的高程差，从而得到沉降值。其优点：1）精度高。每次读数的误差小于0.1mm，36米长剖面测试的累计误差小于2mm。2）操作方便。整个测试系统可由一个人携带，移动非常方便。测试操作仅需两个人即可，一个人记录，一个人拉线。3）可得到整个剖面的沉降曲线，测点间距最小为0.5m。4）对填土施工无干扰。5）不受气候影响。二次仪器一次性投资约二万元。水平测斜仪的不足主要是特制的PVC管造价比较高，每米25元左右，约为普通PVC管的四倍。新式沉降板新式沉降板静力水准仪水平测斜仪的测试原理ΔiΔi-1图1水平测斜仪原理图δ=∑△i（1）（2）（4）水平测斜仪测试方法将特制PVC管埋设在被测位置，导槽方向对准铅垂方向。用普通绳索将探头及电缆拉至沉降管的起始端，然后拉导线，每0.5米刻度线处读数一次，直至沉降管的终止端。然后将测斜仪掉转180度进行第二次测试，读数。用水准仪和现场的水准基点抄平，得到沉降管起始端的标高，从而根据沉降差可得到各读数点的标高。水平测斜仪测试方法探头内部的主要部件采用“石英挠性伺服加速度计”属精密仪器，在使用和运输过程中应避免冲击碰撞或摔落，引起敏感元件损坏。探头外壳采用不锈钢制成，如果长期在水中作业，应在每次作业完成以后擦拭干净，并用机油点到导轮或容易生锈的职称弹簧上，避免因生锈而引起不灵活现象。沉降管端头可采用直径200mm长1m的带盖钢管保护，平日用螺栓将盖封死，用土覆盖，测量时将盖打开即可，这样能很好地避免人为破坏。水平测斜仪测试方法图3-4路堤压缩量及地基沉降量测试布置图基床表层基床底层沉降变形管沉降变形管二布一膜观测桩4.水平测斜仪测试方法图3-5测斜管的埋设图3-6保护管水平测斜仪应用实例室内标定沉降管室外标定水平测斜仪应用实例室内标定水平测斜仪应用实例图15DK274+800断面高程变化图水平测斜仪应用实例5.观测数据处理及工后沉降预测观测数据处理及工后沉降预测工后沉降预测采用双曲线法。沉降与时间的关系可表示为：变换为直线形式：根据式（5）变换测试数据，得到一组直线。则1/b即为最终沉降量。见图4-12。根据最终沉降量和图4-11中的竣工沉降量，就可求出预测工后沉降值。观测数据整理格式测点时间t（天）沉降S（mm）t/S（天/mm）130.027110.77260.051118.32390.071126.53观测数据处理及工后沉降预测预测工后沉降

DK274+800DK275+920DK275+000双曲线参数a580.38977.164014.5双曲线参数b7.07397.366516.711测试竣工后沉降0.11590.10660.0344预测最终沉降(m)0.14140.13570.0598预测工后沉降(m)0.02550.02910.02546.沉降控制动态设计图4-137沉降监测具体要求石（家庄至）武（汉）客专沉降变形观测案例7.1测量等级及技术要求沉降变形测量按国家二等规定执行，对于技术特别复杂工点，根据需要按国家一等的规定执行。

测量等级垂直位移测量水平位移观测沉降变形点的高程中误差（mm）相邻沉降变形点的高差中误差（mm）沉降变形点点位中误差（mm）二等±0.5±0.3±3.0三等±1.0±0.5±6.07.2沉降变形测量点的布置要求注：1－盖；2－砖；3－素土；4－贫混凝土；5－冻土线基准点标石埋设图7.2沉降变形测量点的布置要求1）基准点。要求建立在沉降变形区以外的稳定地区，增设时按国家二等水准测量的相关要求执行。2）工作基点。要求埋设在稳定区域，在观测期间稳定不变，测定沉降变形点时作为高程和坐标的传递点。间距200m左右。距路基中心距离小于100m。3）沉降变形点。直接埋设在要测定的路基部位上。4）每个独立的监测网应设置不少于3个稳固可靠的基准点。5）基准点和工作基点的定期复测按每6个月进行1次，尽可能结合精测网复测进行。在区域沉降地区应每3个月进行1次复测。测量工作要求对线下工程变形点的观测必须采用闭合或复合水准路线，严禁采用支水准路线或中视法，水准路线经过的工作基点或基准点数量不得少于两个。应使用DS05级及以上的电子水准仪，仪器及配套水准尺均应在有效检定期内。严格按照国家二等水准施测。专人负责元器件的埋设、测量和保护工作7.3观测断面设置原则1沿线路方向的间距一般不大于50m；对地势平坦且地基条件均匀良好的路堑、填方高度小于5m且地基条件均匀良好的路堤可放宽到100m。2对地形、地质条件变化较大地段应加密断面，在变化点附近应设观测断面，以确保能够反映真实差异沉降。3一个沉降观测单元（连续路基沉降观测区段为一单元）应不少于2个观测断面。4对地形横向坡度大于1：5或地层横向厚度变化的地段应布设不少于1个横向观测断面。5路堤与不同结构物的连接处应设置沉降监测断面，每个路桥过渡段在距离桥头5m、15m、35m处分别设置一个沉降监测断面，每个横向结构物每侧各设置一个监测断面。路堤沉降监测断面元件布置示意图（Ⅰ型）Ⅰ型监测断面包括沉降监测桩和沉降板。沉降监测桩每断面设置5个，施工完基床底层后，预压土填筑前，距左、右线中心4.7m处于基床底层顶面埋设2个沉降监测桩,其余3个于基床表层施工完成后布置于双线路基中心及距两侧路肩1m处的基床表层顶面上;沉降板位于路堤中心。埋设于基底垫层或混凝土板顶面。路堤沉降监测断面元件布置示意图（Ⅱ型）Ⅱ型监测断面包括沉降监测桩和定点式剖面沉降测试压力计。沉降监测桩每断面设置5个，埋设方法同Ⅰ型监测断面；定点式剖面沉降测试压力计位于路堤中心,埋设于基底垫层或混凝土板顶面。

路堤沉降监测断面元件布置示意图（Ⅲ型）Ⅲ型监测断面包括沉降监测桩、沉降板和剖面管。沉降监测桩每断面设置3个，布置于双线路基中心及距两侧路肩1m处的基床表层顶面上；沉降板位于路堤中心，底板埋设于基床底层顶面上，随填土增高而逐渐接高测杆及保护套管，横剖面管埋设于路堤基底碎石垫层顶面处。

路堤沉降监测断面元件布置示意图（Ⅳ型）路堤与横向结构物过渡段，于横向结构物顶部沿横向结构物的对角线方向铺设剖面沉降管。横向结构物两侧外边缘各2m处设置一个I型观测断面，布置见Ⅳ型。

路堤沉降监测元件布置平面示意图（Ⅳ型）路堤沉降监测断面元件布置示意图（Ⅴ型）路堑地段均采用堆载预压，采用Ⅴ型监测断面，分别于路基中心，距两侧路肩1m处各设1根沉降监测桩，路基中心设沉降板，底板至于基床底层顶面，观测路基面的沉降。

沉降观测点位布设及水准路线观测示意图路基沉降观测频次表观测阶段观测频次填筑或堆载一般1次／天沉降量突变2～3次／天两次填筑间隔时间较长1次／3天堆载预压或路基施工完毕第1个月1次/周第2、3个月1/2周3个月以后1次／月无砟轨道铺设后第1个月1次／2周第2～3个月1次／月3个月以后1次／3月注：1、架桥机（运梁车）通过时观测要求：每1次/3天，连续3次；以后1次/1周，连续3次；以后1次/2周。7.4沉降观测桩埋设技术要求桩体选择Φ20mm不锈钢棒，顶部磨圆并刻画十字线，底部焊接弯钩，待基床表层级配碎石施工完成后，通过测量埋置在监测断面设计位置，埋置深度0.3m，桩周0.15m用C20混凝土浇筑固定，完成埋设后按二等水准标准测量桩顶标高作为初始读数。沉降板埋设技术要求沉降板：由底板、金属测杆（φ40mm镀锌铁管）及保护套管（φ75mmPVC管）组成。底板尺寸为50cm×50cm,厚5cm。按二等水准标准测量沉降板标高变化。

剖面沉降管埋设技术要求采用专用PVC塑料硬管，其抗弯刚度应适应被测土体的竖向位移要求，导管内十字导槽应顺直，管端接口密合。测斜管在埋设过程中，应当特别注意严格控制导槽方向，保证上下导