高速鐵路軟土路基沉降的因素敏感性分析

1、第 27卷 第 1期 交 通 科 學(xué) 與 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 .文章編號 :1674-599X (2011 01-0014-06高速鐵路軟土路基沉降的因素敏感性分析申永江 1, 徐志勝 1, 張華和 2, 嚴(yán)克伍3(1. 中南大學(xué) , 土木建筑學(xué)院 , 湖南 長沙 410075; 2. 中鐵十局建筑工程有限公司 ,山東 濟(jì)南 250001; 3. 核工業(yè)井巷建設(shè)公司 , 浙江 湖州 3130

2、00摘 要 :運(yùn)用彈塑性有限元法 , 分析 各影響因素 與路基 沉降的 相關(guān)關(guān) 系 , 計(jì)算各因 素的敏 感度 , 找出 影 響路基沉降的主 要因素 . 由計(jì)算和分析可知 , 在影響路基沉降的諸因素中 , 管樁長 度的敏感度最 大 , 軟 土 層厚度次之 , 軟土的內(nèi)摩擦角敏感度最小 . 在軟土各巖土體 參數(shù)中 , 彈性 模量和 粘聚力 對路基 沉降的 影 響也比較大 . 在軟土層比較厚、 彈性模量和粘聚 力均比較小時 , 路基的沉降比較大 . 在軟土路基的加 固措 施中 , 增大管樁長度 , 對控制路基沉降的效果比較好 ; 而增大筏板厚度 , 對控制路基沉降的效果則不明顯 . 關(guān)鍵詞 :高速

3、鐵路 ; 軟土路 基 ; 沉降 ; 因素敏感性 ; 有限元法 中圖分類號 :U 213. 1+57 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :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隨著中國經(jīng)濟(jì)社 會發(fā)展的需要 , 最高時速達(dá) 350km 的高速鐵路開始興建 . 為了保證客車的運(yùn)行安全 , 它對路基沉降的要求非常嚴(yán)格 . 在東南沿 海地區(qū)開始施工的滬寧和滬杭甬鐵路客運(yùn)專線經(jīng)過地段 , 均分布有深厚的軟土層 , 這為路基的加固 處理和路堤的施工帶 來很大的困難 . 高速鐵路軟 土路基的加固處理方法多采用

9、預(yù)應(yīng)力管樁與鋼筋 混凝土筏板相結(jié)合的 方法 , 使軟土路基和管樁筏 板加固系統(tǒng)組成一個整體 , 這樣 , 路基的沉降就與 路基各土層的巖土體參數(shù)和加固措施的相關(guān)參數(shù) 有關(guān) . 但是 , 在諸多影響因 素中 , 哪個因素占主導(dǎo) 地位 , 何種加固設(shè)計(jì)參數(shù)對路基沉降影響最大 , 這 需要進(jìn)行因素的敏感性分析 . 分析軟土和加固措施 的相關(guān)參數(shù)與路基沉降的相關(guān)關(guān)系 , 不但可以找出 影響路基沉降的主要因素 , 而且對軟土路基沉降的 防治和加固措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)都具有重要意義 . 目前 , 對路基沉 降的研究多集中在路基沉降 的監(jiān)測分析 1-5和預(yù)測研究 6-8, 還沒有對路基沉 降影響因素進(jìn)行敏感性分析

10、 . 吳瑞麟 9等人對拓 寬路堤的不均勻沉降 進(jìn)行了因素敏感性分析 . 因 素敏感性分析方法是一種在諸多因素中找出主要 因素 的 有 效 方 法 , 已 廣 泛 應(yīng) 用 于 各 個 研 究 領(lǐng) 域 10-12. 筆者擬運(yùn)用該方法 , 分析各因素與路基 沉降的相關(guān)關(guān)系 , 找出影響路基沉降的主要因素 , 為軟土的加固設(shè)計(jì)提供參考 .1 路基沉降因素敏感性的計(jì)算原理軟土路基的沉降與多種因素有關(guān) , 如 :軟土層 的厚度、 各層土體的參數(shù)和管樁長度等 . 因此 , 軟 土路基的沉降量 S 可以視為諸因素的函數(shù) , 即 S =f (X 1, X 2, , X n . (1 軟土路基的影響因素復(fù)雜 ,

11、沉降量大 , 加固十 分困難 . 為了有 效加 固、 減 小沉降 和滿足 工程要 求 , 必須了解何種因素對軟土路基沉降的影響較 大和何種因素會有效 地減小沉降 . 因素敏感性分 析就是處理此類問題 的一種很好的方法 . 軟土路 基沉降因素敏感性分析主要研究影響軟土路基沉 降的各因素與相應(yīng)的 沉降量之間的相關(guān)關(guān)系 . 它 由各因素的相對變化率與路基沉降量的相對變化 率之間的比值來進(jìn)行衡量 , 第 i 個影響因素的敏感 度 q i 可表示為 :q i 式 中 :X iX i為 影 響 因 素 X i 的 相 對 變 化 率 ;iS i為路基沉降量 S 的相對變化率 .進(jìn)行敏感性分析的過程為 :

12、按現(xiàn)場測試結(jié) 果或工程類比結(jié)果來選取一套基準(zhǔn)參數(shù) , 采用彈 塑性有限元法 , 計(jì)算出基準(zhǔn)條件下 的路基沉降量 S; 將影響因素 中的一 個參數(shù)在 基準(zhǔn)值附 近變 化 , 而保持其他因素水平不變 , 計(jì)算此情況下的路 基沉降量 S; 根據(jù)式 (2 計(jì)算各因素的敏感度 . 以滬杭客運(yùn) 專線深厚軟土路基的沉降為 例 , 采用彈塑性有限元法 , 對影響路基 沉降的軟土層 的彈性模量、 泊松比、 粘聚力和內(nèi)摩擦角、 軟土層 的厚度、 管樁的長度及筏板的厚度 等因素進(jìn)行敏 感性計(jì)算和分析 .2 有限元分析2. 1 工程地質(zhì)條件滬杭鐵路客運(yùn) 專線 , 位于長江三角洲 沖積平 原 , 地貌類型屬濱海平原地區(qū)

13、 . 路基地層由淤泥質(zhì) 黏土、 軟可塑黏土、 硬可塑黏土、 粉質(zhì)黏土、 粉土及 粉砂等組成 , 地表以下 60m 深仍為第四系土層 , 路基沉降量大 , 工程采用了預(yù)應(yīng)力 管樁與鋼筋混 凝土筏板相結(jié)合的方法進(jìn)行加固 .2. 2 基本假設(shè)1 按平面應(yīng)變考慮 , 利用對稱性進(jìn)行分析 , 路 基地層的計(jì)算模型縱剖面如圖 1所示 . 考慮該模 型四周與相鄰?fù)馏w的相互約束 , 左、 右邊界加水平 約束 , 下邊界 加水 平和豎 向約束 , 上邊 界不加 約 束 . 軟土層與硬質(zhì)土層之間為完全連續(xù)接觸 .圖 1 計(jì)算模型縱剖 面示意Fig. 1 L ong itudinal sectio n ma p o

14、 ft del15第 1期 申永江 , 等 :高速鐵路軟土路基沉降的因素敏感性分析2 軟土層和硬質(zhì)土層均采用 Drucker Prager 彈塑性模 型 , 管 樁和 筏 板均 采 用線 彈 性梁 單元 模型 .3 樁土界面不考慮相對的滑移 , 在臨界面上 共用有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) , 以此來滿足變形協(xié)調(diào)條件 . 通過巖土體、 管樁和筏板的變形來實(shí)現(xiàn)力的傳遞 . 4 管樁與筏板的連接點(diǎn)均為剛結(jié)點(diǎn) , 可以傳 遞力和彎矩 .2. 3 材料參數(shù)進(jìn)行有限元分析時 , 采用彈塑性材料來模擬 路基 , 用梁單元來模擬管樁和筏 板 . 路基巖土體、 管樁和混凝土筏板的物理參數(shù)見表 1.表 1 物理參數(shù)的基準(zhǔn)值T

15、able 1 Datum value of mechanical parameter s材料類型 彈性模量E /M Pa泊松比內(nèi)聚力C /kPa摩擦角/( 容重 / (kN m -3管樁及筏板 300000. 20-25軟土層 300. 36101218硬塑性黏土或粉砂1500. 305020202. 4 有限元計(jì)算過程本研究采 用 了 ANSYS 大 型通 用 有限 元程 序 , 建立有限元模型 (如圖 1所示 , 計(jì)算不同工況 下路基的沉降量 , 進(jìn)行路基沉降的因 素敏感性分 析 . 為保持其他參數(shù)不變 , 各工況分別按比例變化 軟土的彈性模量、 泊松比、 粘聚力、 內(nèi)摩擦角及軟土 層厚度

16、、 筏板厚度、 管樁長 度 , 計(jì)算相應(yīng)的路基沉 降量 , 然后根據(jù)式 (2 計(jì)算各影響因素的敏感度 . 3 路基沉降因素敏感性分析建立彈塑性有限元分析模型 , 對影響路基沉 降的軟土層的彈 性模量、 泊松比、 粘聚力、 內(nèi)摩擦 角及軟土層厚度、 管樁長度、 筏板厚度等因素進(jìn)行 敏感性計(jì)算分析 . 路堤等效為壓應(yīng)力作用于鋼筋 混凝土筏板上 . 根據(jù)現(xiàn)場鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)獲得巖 土體的基本參數(shù) (見表 1.3. 1 軟土彈性模量的敏感性分析根據(jù)現(xiàn)場鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)得到軟土 (淤泥質(zhì) 粘土 的彈性模量為 30MPa. 保持其他參數(shù)不變 , 算 , 得到一組路基沉降量 . 彈性模量與路基沉降量 的關(guān)系如圖

17、 2所示 .圖 2 軟土彈性模量與路基 沉降量的關(guān)系Fig. 2 Relat ionship betw een soft so il elastic mo dulus and r oadbed set tlement由圖 2可 知 , 當(dāng) 軟 土 的 彈 性 模 量 在 10 80M Pa 變化時 , 路基沉降量隨彈性模量的變化呈 向上凹的拋物線變化 , 而且隨著彈 性模量的逐漸 增大路 基沉 降 逐漸 減小 . 當(dāng)軟 土 的彈 性 模量 從 30M Pa 減小 到 10M Pa 時 , 路 基沉 降量 增大 了 1. 2m m, 由式 (2 可得敏感度 q E 為 0. 0456. 當(dāng)彈 性

18、模量由 30MPa 增大到 80M Pa 時 , 路基沉降量 減小了 0. 9mm, 由式 (2 可得敏感度 q E 為 0. 0182. 這表明軟土的彈性模量與路基的沉降量關(guān)系十分 密切 , 減小彈性模量對路基沉降的 影響比增大彈 性模量對路基沉降的影響敏感 . 因此 , 在軟土路基 的處理中 , 采用置換部分軟土的方 法來增大其彈 性模量 , 對控制路基沉降是有效的方法 .3. 2 軟土泊松比的敏感性分析根據(jù)現(xiàn)場鉆探和室內(nèi) 試驗(yàn)得到軟土 (淤泥質(zhì) 粘土 的泊松比為 0. 36. 保持其他參數(shù)不變 , 取泊 松比為 0. 320. 39, 進(jìn)行有限元分析計(jì)算 , 得到一 組路基沉降量 . 泊

19、松比與路基沉降量的關(guān)系如圖 3所示 .由圖 3可知 , 當(dāng)軟土的泊松比在 0. 320. 39之間變化時 , 路基沉降量隨泊松比 的變化呈向下 微凹的拋物線變化 , 而且隨著泊松 比的增大而減 小 . 當(dāng)軟土的泊松比從 0. 36減小到 0. 32時 , 路基 沉降量增大了 0. 081m m, 由式 (2 可得敏感度 q 為 0. 0185. 當(dāng)泊松比從 0. 36增大到 0. 39時 , 路 基沉降量減小了 0. 078mm, 由式 (2 可得敏感度 q 為 0. 0237. 這表明軟土泊松比的增大對路基沉 降的影響更加敏感 , 但它比減小彈 性模量對路基 .16 交 通 科 學(xué) 與 工

20、程 第 27卷 圖 3 軟土泊 松比與路基沉降量的關(guān)系 Fig. 3 Relat ionship betw een soft so il Poisso nr atio and ro adbed settlement3. 3 軟土粘聚力的敏感性分析根據(jù)現(xiàn)場鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)得到軟土 (淤泥質(zhì) 粘土 的粘聚力為 10kPa. 保持其他參數(shù)不變 , 取 粘聚力為 2. 517. 5kPa, 進(jìn)行有限元分析計(jì)算 , 得到一組路基沉降量 . 粘聚力與路基沉降量的關(guān) 系如圖 4所示 .圖 4 軟土粘 聚力與路基沉降量的關(guān)系 Fig. 4 Relatio nship betw een so ft soil co

21、hesionand roadbed settlement由圖 4可 知 , 當(dāng) 軟 土 的 粘 聚 力 在 2. 517. 5kPa 之間變化時 , 路基沉降量隨粘聚力的變 化呈向上凹的拋物線 變化 , 而且隨著粘聚力的增 大而 減 小 . 當(dāng) 軟 土的 粘 聚 力 從 10kPa 減 小到 2. 5kPa 時 , 路基沉降量增大了 1. 1m m, 由式 (2 可得敏感度 q C 為 0. 0371. 當(dāng)粘聚力從 10kPa 增 大到 17. 5kPa 時 , 路基沉降量減小了 0. 2m m, 由 式 (2 可得敏感度 q C 為 0. 0068. 這表明軟土粘聚 力的減小比增大對路 基沉

22、降的影響敏感 , 粘聚力 減小時對路基沉降的 影響也比較明顯 , 但它比減 小彈性模量的敏感度小 .3. 4 軟土內(nèi)摩擦角的敏感性分析根據(jù)現(xiàn)場鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)得到軟土 (淤泥質(zhì) . , 摩擦角為 9 16 , 進(jìn)行有限元分析計(jì)算 , 得到一 組路基沉降量 . 內(nèi)摩擦角與路基沉 降量的關(guān)系如 圖 5所示 .由圖 5可知 , 當(dāng)軟土的內(nèi)摩擦角在 9 16 之 間變化時 , 路基沉降量隨內(nèi)摩擦角 的變化呈線性 變化 , 也是隨著內(nèi)摩擦角的增大而減小 . 當(dāng)軟土的 內(nèi)摩擦角從 12 增大到 16 時 , 路基沉降量減小了0. 08m m, 由式 (2 可得敏感度 q 為 0. 0061. 這 表明軟土的

23、內(nèi)摩擦角對路基沉降的影響較小 .圖 5 軟土內(nèi)摩擦角與路基 沉降量的關(guān)系 Fig. 5 Relatio nship betw een so ft soil internalf riction ang le and r oadbed settlement3. 5 軟土層厚度的敏感性分析根據(jù)現(xiàn)場鉆探得到軟土層 (淤泥質(zhì)粘土層 的 厚度為 416m, 進(jìn)行基準(zhǔn)計(jì)算時取 10m. 保持其 他參數(shù)不變 , 取軟土層厚度為 416m , 進(jìn)行有限 元分析計(jì)算 , 得到一組路基沉降量 . 軟土層厚度與路基沉降量的關(guān)系如圖 6所示 .圖 6 軟土層厚度與路基沉降量的關(guān)系 Fig. 6 R elatio nsh

24、ip between so ft soil la yerthickness and ro adbed settlement由圖 6可知 , 當(dāng)軟土層的厚度在 416m 之 間變化時 , 路基沉降量隨軟土層厚 度的變化近似 呈線性變化 , 而且隨著軟土層厚度的增大而增大 . 當(dāng)軟土層的厚度從 10m 增大到 16m 時 , 路基沉 降量增大了 1. 586m m, 由式 (2 可得敏感度 q h 為 17 第 1期 申永江 , 等 :高速鐵路軟土路基沉降的因素敏感性分析性關(guān)系 , 軟土層厚度對路基沉降的影響十分明顯 . 軟土層厚度的敏感度比軟土的巖土體參數(shù)的敏感 度都大 .3. 6 筏板厚度的敏

25、感性分析筏板的基準(zhǔn)厚度取其設(shè)計(jì)厚度 0. 6m. 保持其 他參數(shù)不變 , 取筏板厚度為 0. 21. 0m, 進(jìn)行有限 元分析計(jì)算 , 得到一組路基沉降量 . 筏板厚度與路 基沉降量的關(guān)系如圖 7所示 .圖 7 筏板厚度與路基沉降量的關(guān)系 Fig. 7 Relatio nship betw een r aft thicknessand roadbed settlement由圖 7可知 , 當(dāng)筏板厚度在 0. 21. 0m 之間 變化時 , 路基沉降量隨筏板厚度的變化呈向上凹 的拋物線變化 , 而且隨著筏板厚度的增大而減小 . 當(dāng)筏板厚度從 0. 6m 減小到 0. 2m 時 , 路基沉降 量增

26、大了 0. 324m m, 由式 (2 可得敏感度 q d 為 0. 0123. 當(dāng)筏板厚度從 0. 6m 增大到 1. 0m 時 , 路基沉降量減小了 0. 195mm, 由式 (2 可得敏感 度 q d 為 0. 0074. 這表明筏板厚度對路基沉降有一 定的影響 , 減小筏板厚度比增大筏板厚度的敏感 度大 . 當(dāng)增大筏板厚度到一定程度時 , 對路基沉降 的影響微乎其微 , 其成本卻很高 , 因此 , 筏板厚度 不宜過厚 .3. 7 管樁長度的敏感性分析管樁的基準(zhǔn)長度 45m. 保持其他參數(shù)不變 , 取 管樁長度為 3045m, 進(jìn)行有限元分析計(jì)算 , 得到 一組路基沉降量 . 管樁長度與

27、路基沉降量的關(guān)系 如圖 8所示 .由圖 8可知 , 當(dāng)管樁長度在 3045m 之間變 化時 , 路基沉降量隨管樁長度的變化近似呈線性 變化 , 而且隨著管樁長度的增大而減小 . 當(dāng)管樁長 度從 45m 減小 到 30m 時 , 路 基沉 降量 增大了 13. 85m m, 由式 (2 可得敏感度 q l 為 1. 0519. 這 大 , 減小管樁長度對 路基沉降的影響很大 . 因此 , 采用預(yù)應(yīng)力管樁加筏板的方法進(jìn)行路基加固處理 時 , 適當(dāng)增 加管 樁 的長 度 可以 有 效控 制 路基 的 沉降 .圖 8 管樁長度與路基沉 降量的關(guān)系 Fig. 8 Relationship betw ee

28、n pipe pile leng thand ro adbed settlement綜上所述 , 軟土的土體參數(shù)和筏板厚 度對路基沉降的影響均比較小 , 軟土層厚 度和管樁長度 對路基沉降的影響比較大 . 因此 , 在對軟土路基進(jìn) 行加固處理時 , 為了有效地控制軟土路基的沉降 , 應(yīng)隨軟土層厚度的增大而適當(dāng)加大管樁長度 .4 結(jié)論1 軟土 的土體參數(shù)對 路基沉降有一 定的影 響 , 其中減小其彈性模量和粘聚力 對路基沉降的 影響比較明顯 , 內(nèi)摩擦角的敏感度最小 .2 軟土層厚度對路基沉降的影響十分明顯 , 均大于軟土土體參數(shù)的敏感度 .3 在管樁加筏板加固措施中 , 筏板厚度對路 基沉降的

29、影響較小 , 而管樁長度對 路基沉降的影 響非常明顯 .4 在所有的因素中 , 管樁長度的敏感度最大 , 軟土層厚度次之 , 內(nèi)摩擦角的敏感度最小 . 為了有 效控制路基沉降 , 在軟土層較厚地 段應(yīng)適當(dāng)加大 管樁長度 .參考文獻(xiàn) (References :1 馬南飛 , 高 速公 路軟土 路基 沉降 規(guī)律 監(jiān) 測及 FL A C模擬 J. 西安 科技大學(xué)學(xué)報 , 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 學(xué) 與 工 程 第 27卷第1期 2 申永江, 等: 高速鐵路軟土路基沉降的因素敏感性分析 8 19 陳曉燕, 張宏 博, 宋修 廣. 湖 湘軟 土區(qū)路 基填 筑引 起 的地基沉 降 特 性 研 究 J . 公 路 與 汽 運(yùn), 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

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