路基課題2路基沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

1、武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基課題研究之二路基沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究1概述鐵路路基因組成材料顆粒之間存在空隙，在運(yùn)營(yíng)荷載的長(zhǎng)期作用下，沉降變形是不可避免的。鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的路基，為滿(mǎn)足在列車(chē)高速運(yùn)行條件下線(xiàn)路的平順，保障運(yùn)營(yíng)舒適和行車(chē)安全，必須對(duì)路基總沉降量和工后沉降有所掌握并嚴(yán)格控制。武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)借鑒國(guó)外高速鐵路路基工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，并大量吸收近幾年在秦沈、遂渝、京滬等鐵路路基施工沉降變形的監(jiān)測(cè)成果，在設(shè)計(jì)文件中，設(shè)置了路基沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括路基面沉降監(jiān)測(cè)、路基本體沉降監(jiān)測(cè)、基底沉降監(jiān)測(cè)、深厚層地基分層沉降監(jiān)測(cè)、軟土地基水平位移監(jiān)測(cè)、復(fù)合地基加筋（土工格柵）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)共六

2、個(gè)方面。其中前五項(xiàng)是路基沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容。路基沉降變形監(jiān)測(cè)的目的，是以實(shí)際變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用科學(xué)的方法對(duì)路基的沉降變形綜合分析和評(píng)估，驗(yàn)證設(shè)計(jì)并檢驗(yàn)施工質(zhì)量，全面掌握路基的變形動(dòng)態(tài)，分析和推算路基的最終沉降量和工后沉降。這既是保障客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基工程質(zhì)量的需要，也是鐵路工程科學(xué)設(shè)計(jì)、科學(xué)施工的重要體現(xiàn)和基本要求。近些年，在我國(guó)部分鐵路建設(shè)項(xiàng)目上，通過(guò)對(duì)路基沉降變形監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)段試驗(yàn)，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，這次在武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基設(shè)計(jì)上，充分地吸收了其中的成果，為在施工中系統(tǒng)收集武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基沉降變形資料奠定了基礎(chǔ)。在路基沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)方面，過(guò)去我們做的工作很有限。通過(guò)對(duì)這一課題的研

3、究，可以使我們對(duì)路基沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的方法、沉降變形的規(guī)律以及沉降變形綜合分析和評(píng)估有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而對(duì)以后在客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基工程施工階段如何進(jìn)行沉降動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)和控制做好必要的準(zhǔn)備。2武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基沉降的控制要求 武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基沉降，規(guī)定了工后沉降、沉降速率、不均勻沉降、過(guò)渡段差異沉降形成的折角和差異沉降錯(cuò)臺(tái)五項(xiàng)要求，控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表：線(xiàn) 路 等 級(jí)工 后 沉 降cm沉降速率cm/年不均勻沉降cm/20m過(guò)渡段差異沉降形成的折角差異沉降錯(cuò)臺(tái)cm一般地段橋尾過(guò)渡段有碴軌道200km/h1584/有碴軌道200km/h以上532/無(wú)碴軌道200km/h以上3/2<1/10000.53路基

4、工后沉降的組成 路基沉降變形的控制，核心內(nèi)容是工后沉降和總沉降量的控制。路基工后沉降變形的分類(lèi)方法很多，從引起路基變形的受力條件分析，主要有下列三個(gè)方面因素所組成：（1）路基面在列車(chē)荷載作用下發(fā)生的變形；（2）路堤本體在自重作用下的壓實(shí)沉降；（3）地基的壓密沉降。根據(jù)資料，路基面在列車(chē)荷載作用下發(fā)生的變形，雖然在列車(chē)運(yùn)營(yíng)期間始終存在，但通過(guò)提高路基面材料的質(zhì)量、提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)等控制措施，該部分變形大多在5mm以?xún)?nèi)；路堤本體在自重作用下的壓實(shí)沉降隨路堤填料的性質(zhì)、填筑高度的不同雖大小不一，但一般都在路基填筑高度的0.1%0.55%范圍，路基填筑施工后12年基本完成；而地基的壓密沉降，因路基高度和地

5、基條件的不同，沉降差異較大，這部分變形一般經(jīng)歷的時(shí)間比較長(zhǎng)，是路基沉降變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。4監(jiān)測(cè)剖面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置4.1監(jiān)測(cè)剖面設(shè)置原則（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可比性強(qiáng)，便于分析評(píng)估。依據(jù)這一原則，對(duì)路基面沉降監(jiān)測(cè)、路基本體沉降監(jiān)測(cè)、基底沉降監(jiān)測(cè)、深厚層地基分層沉降監(jiān)測(cè)四項(xiàng)內(nèi)容，設(shè)置于路基同一剖面。（2）密度合理，具有代表性。 依據(jù)這一原則，監(jiān)測(cè)剖面的布置，在路基工點(diǎn)及段落、路基長(zhǎng)度、地質(zhì)條件方面需相互兼顧。武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)定：路基每個(gè)工點(diǎn)不少于2個(gè)監(jiān)測(cè)剖面，且剖面間距不大于50m。在地質(zhì)條件差異大、地形變化大的地段及發(fā)生沉降差異較大的過(guò)渡段范圍需適當(dāng)加密，一般20m布置一處，過(guò)渡段折角處必須有監(jiān)測(cè)剖面。

6、此外，軟土地基的水平位移監(jiān)測(cè)及復(fù)合地基加筋（土工格柵）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)與路基面沉降監(jiān)測(cè)、路基本體沉降監(jiān)測(cè)、基底沉降監(jiān)測(cè)、深厚層地基分層沉降監(jiān)測(cè)剖面的位置應(yīng)協(xié)調(diào)。4.2布置方法當(dāng)路基基底或下臥壓縮層為平坡時(shí)，路堤主監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在線(xiàn)路中心；當(dāng)?shù)乇頇M坡或下臥土層橫坡大于20%時(shí)，在填方較高側(cè)或壓縮層較厚側(cè)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)。路基底沉降與路堤本體沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一般布置于路基基底和基床底層頂面。軟土及松軟土路基填筑時(shí)，沿線(xiàn)路縱向每隔3050m在距坡腳外2m處設(shè)置位移邊樁，以控制填土速率，控制標(biāo)準(zhǔn)為：路堤中心地面沉降速率小于1.0cm/d，坡腳水平位移速率小于0.5cm/d。4.3武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖路

7、基沉降變形監(jiān)測(cè)，一般路堤地段監(jiān)測(cè)剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)下圖：路基面沉降監(jiān)測(cè)樁路基本體沉降監(jiān)測(cè)壓縮變形層加固層底線(xiàn)或地層分界線(xiàn)單點(diǎn)沉降計(jì)或分層沉降計(jì)路基沉降變形監(jiān)測(cè)剖面基本布置示意圖邊樁單點(diǎn)沉降計(jì)或分層沉降計(jì)邊樁壓縮變形層沉降板路基面沉降監(jiān)測(cè)樁路基本體基床底層基床表層地基深層沉降監(jiān)測(cè)路堤基底沉降監(jiān)測(cè)4.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明路基面沉降監(jiān)測(cè)路堤地段分別于路基中心、兩側(cè)路肩各設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)剖面共3個(gè)點(diǎn)，采用監(jiān)測(cè)樁（包樁），路基成形后設(shè)置。路塹地段，對(duì)厚層土質(zhì)及全風(fēng)化層路塹、紅粘土和膨脹土路塹、花崗巖全風(fēng)化層路塹與淺挖路塹（挖深3.0m），分別于路基中心、兩側(cè)路肩各設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)剖面共3個(gè)點(diǎn)，采用

8、監(jiān)測(cè)樁（包樁），路基成形后設(shè)置。4.4.2路基本體沉降監(jiān)測(cè) 于路基本體內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)路基采用A、B組填料填筑時(shí)，采用高精度智能型單點(diǎn)沉降計(jì)埋設(shè)于線(xiàn)路中心的路基基床表層底部，一個(gè)監(jiān)測(cè)剖面設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)；當(dāng)路基采用改良土填筑時(shí)，用高精度智能型分層沉降計(jì)分層埋設(shè)，分層厚2.03.0m，分別于基床表層底部、基床底層底部設(shè)置，路基填高大于6.0m，在基床以下路基中增加一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。路基成形后鉆孔埋設(shè)。當(dāng)?shù)乇頇M坡大于20%時(shí)，于線(xiàn)路中心、較高側(cè)的線(xiàn)路外側(cè)3.1m處，分別采用高精度智能型單點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)，每個(gè)剖面設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)。4.4.3基底沉降監(jiān)測(cè)分別于路堤基底地面的線(xiàn)路中心（當(dāng)?shù)乇頇M坡大于20%時(shí)，于線(xiàn)路中心、較

9、高側(cè)的線(xiàn)路外側(cè)3.1m處）除埋設(shè)高精度智能型單點(diǎn)沉降計(jì)監(jiān)測(cè)外，每隔一個(gè)剖面增設(shè)沉降板進(jìn)行校核，各剖面設(shè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)，路堤填筑前埋設(shè)。4.4.4深厚層地基分層沉降監(jiān)測(cè)土層、全風(fēng)化層厚度10m（軟土、松軟土厚度>6m）的地基，每隔50m設(shè)置一處深層沉降監(jiān)測(cè)剖面，過(guò)渡段路基必須設(shè)置。采用高精度智能型串聯(lián)式分層沉降計(jì)，于路基中心地基中設(shè)置，分層厚度2.03.0m，在路基填筑前鉆孔埋設(shè)。每個(gè)剖面一個(gè)測(cè)孔。當(dāng)?shù)乇頇M坡大于20%時(shí)，于線(xiàn)路中心、較高側(cè)或壓縮層較厚側(cè)的線(xiàn)路外側(cè)3.1m處分別采用智能型分層沉降計(jì)監(jiān)測(cè)，除埋設(shè)高精度智能型單點(diǎn)沉降計(jì)監(jiān)測(cè)外，每個(gè)剖面設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)。4.4.5軟土地基水平位移監(jiān)測(cè) 軟土

10、、松軟土路基地段，沿線(xiàn)路縱向每隔3050m在距坡腳外2m處設(shè)置邊樁進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)，每個(gè)剖面設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)。4.4.6加筋（土工格柵）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè) 高填方或陡坡填土地段邊坡土工格柵加筋補(bǔ)強(qiáng)，分別于路堤兩側(cè)邊坡（邊坡中部、地面以上23 m處）的土工格柵設(shè)置智能數(shù)碼柔性位移計(jì)，對(duì)土工格柵的拉伸和壓縮變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)剖面設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。 路堤基底鋪土工格柵加筋（特別是低路堤地基采用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固）時(shí)，于路堤基底地面的線(xiàn)路中心、左右線(xiàn)中心至坡腳中間點(diǎn)附近的樁間土或樁頂處分別設(shè)置智能數(shù)碼柔性位移計(jì)，對(duì)土工格柵的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)剖面測(cè)3個(gè)點(diǎn)。4. 5路基工點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)剖面位置 對(duì)武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基沉降監(jiān)測(cè)，按路

11、基工點(diǎn)設(shè)計(jì)圖給出的具體位置和監(jiān)測(cè)內(nèi)容實(shí)施。5沉降監(jiān)測(cè)元器件及精度5.1對(duì)監(jiān)測(cè)元器件的要求 武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)變形監(jiān)測(cè)元器件，采用對(duì)填土施工干擾小、無(wú)測(cè)桿的智能數(shù)碼型監(jiān)測(cè)元器件，重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用傳統(tǒng)的、數(shù)字直觀的沉降板作輔助元件；對(duì)路基面觀測(cè)樁的測(cè)量，精度按二等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)控制，觀測(cè)精度不低于±1mm。5.2主要監(jiān)測(cè)元件技術(shù)參數(shù)主要監(jiān)測(cè)元件技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表：名 稱(chēng)量 程靈敏度適用范圍主 要 特 點(diǎn)備 注沉降板測(cè)量土體垂直變形讀數(shù)直觀,對(duì)填土施工干擾大,精度一般。輔助監(jiān)測(cè)元 件智能數(shù)碼沉降計(jì)測(cè)量土體垂直變形不干擾填土施工,精度高,數(shù)據(jù)量大,能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集和無(wú)線(xiàn)傳輸.主要監(jiān)測(cè)元 件智能數(shù)碼分層沉降計(jì)

12、土體分層沉降量測(cè)智能數(shù)碼柔性位移計(jì)100mm0.01mm土工材料的變形量測(cè)智能數(shù)碼靜力水準(zhǔn)儀100mm0.01mm沉降差監(jiān)測(cè)智能數(shù)碼多點(diǎn)位儀計(jì)100mm0.01mm分層測(cè)量巖土不同層面的變形6沉降監(jiān)測(cè)的階段和頻度6.1監(jiān)測(cè)階段武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)工程進(jìn)展分成四個(gè)階段：第一階段：路基填筑施工期間的監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)路基填土施工期間地基土的沉降以及路堤坡腳邊樁位移。第二階段：路基填土施工完成后，自然沉落期及擺放期的變形監(jiān)測(cè)，主要對(duì)路基面沉降、路基填筑部分沉降以及路基基底沉降進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，直到工后沉降評(píng)估可滿(mǎn)足鋪設(shè)無(wú)碴軌道為止。第三階段：鋪設(shè)無(wú)碴軌道施工期間的監(jiān)測(cè)。第四階段：鋪軌完成后及試運(yùn)

13、營(yíng)期的監(jiān)測(cè)。6.2監(jiān)測(cè)頻度依據(jù)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)第14章的規(guī)定，路基填筑施工期間，監(jiān)測(cè)頻度一般每填筑層監(jiān)測(cè)一次；在沉降量突變的情況下，每天監(jiān)測(cè)23次。如果兩次填筑間隔時(shí)間較長(zhǎng)，每3天至少監(jiān)測(cè)一次。路堤經(jīng)過(guò)分層填筑達(dá)到預(yù)壓高程后，在預(yù)壓期的前23個(gè)月內(nèi)，每5天監(jiān)測(cè)一次，三個(gè)月后715天監(jiān)測(cè)一次，半年后一個(gè)月監(jiān)測(cè)一次，一直監(jiān)測(cè)到設(shè)計(jì)要求的時(shí)間。7路基工后沉降量的推算與評(píng)估路基沉降需要經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，在施加荷載的初期，沉降速率由小到大，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，沉降的速度由大變小，沉降過(guò)程趨于穩(wěn)定。填土高度不同的路基，沉降曲線(xiàn)的斜率不同。沉降速率越大，沉降穩(wěn)定需要的時(shí)間越長(zhǎng)。但當(dāng)路堤達(dá)

14、到設(shè)計(jì)高度后，其沉降可以某種曲線(xiàn)方程描述。路基沉降在荷載保持穩(wěn)定條件下的地基沉降可用下列三種曲線(xiàn)來(lái)擬合：對(duì)數(shù)曲線(xiàn)：StS0=alg(tt0)雙曲線(xiàn)St=So+指數(shù)曲線(xiàn)：StS0=a1-e利用這些曲線(xiàn)方程可以計(jì)算任一時(shí)刻t(tt0)沉降量St，沉降速率St以及沉降速率變化率St，當(dāng)t時(shí)，利用極限方程可以推算出最終地基沉降量S。其中t0為荷載穩(wěn)定之后的某一時(shí)刻。三種曲線(xiàn)在擬合沉降規(guī)律時(shí)計(jì)算結(jié)果是有有差別的，就推算最終沉降量而言，對(duì)數(shù)曲線(xiàn)推算的結(jié)果最大，指數(shù)曲線(xiàn)推算結(jié)果最小，受荷載大小、地基條件、地基處理方法等多種因素制約，需要用多種方法作出綜合判斷。其中雙曲線(xiàn)法和對(duì)數(shù)曲線(xiàn)法在不少工程中得到應(yīng)用，并

15、取得一定成果。7.1繪制沉降曲線(xiàn)路基施工至設(shè)計(jì)預(yù)壓標(biāo)高后，持續(xù)監(jiān)測(cè)不少于6個(gè)月，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分剖面繪制成“時(shí)間填土高沉降量“曲線(xiàn)，如下圖所示。再按實(shí)際沉降推算法推算總沉降量、工后沉降值及后期的沉降速率，根據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合工期要求，驗(yàn)證設(shè)計(jì)、調(diào)整措施使沉降滿(mǎn)足施工控制要求。7.2沉降推算方法利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算最終沉降量的，常用方法有，雙曲線(xiàn)法、三點(diǎn)法（對(duì)數(shù)曲線(xiàn)法）、沉降速率法、星野法（指數(shù)曲線(xiàn)法）及修正有雙曲線(xiàn)法等。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，推算方法與實(shí)際沉降對(duì)比，積累經(jīng)驗(yàn)較多的的推算方法主要有雙曲線(xiàn)法和沉降速率法。時(shí)間填土高沉降量曲線(xiàn)7.3沉降推算7.3.1雙曲線(xiàn)法根據(jù)有關(guān)資料，滬寧高速公路路基沉降的研

16、究成果認(rèn)為，假定沉降平均速度以雙曲線(xiàn)形式減少的推算方法比較合適，將實(shí)際的路基填筑施工情況與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成 “時(shí)間填土高沉降量“曲線(xiàn)后，圖形如下圖所示，路基填筑完成后，沉降變形曲線(xiàn)與雙曲線(xiàn)線(xiàn)型比較接近。采用雙曲線(xiàn)線(xiàn)型推算，自填土完成后的任意時(shí)刻，地基沉降量St可由下式計(jì)算求得：St=So+當(dāng)t時(shí)，總沉降量S為：S= So+若預(yù)壓時(shí)間為t，則工后沉降量S為：S= S- St式中，So為填土完成時(shí)的沉降量（t0）；t為預(yù)壓時(shí)間，以填土（含當(dāng)量上部結(jié)構(gòu)荷載在內(nèi)的全部荷載）施工結(jié)束日為起算日（t0,可取值為t0=0）；a、b為由實(shí)測(cè)值求得的推算系數(shù)，其求法見(jiàn)下圖。地基沉降的雙曲線(xiàn)推算法示意圖 沉降推

17、算系數(shù)a、b值計(jì)算圖沉降速率法根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，確定地基沉降速率，公式為：v=通過(guò)沉降速率的推算，便可計(jì)算出滿(mǎn)足工后沉降所需的預(yù)壓時(shí)間t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的沉降速率，以此作為控制路基沉降穩(wěn)定與否的依據(jù)。7.4沉降分析評(píng)估的內(nèi)容與要求根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推算沉降，推算的準(zhǔn)確性必須經(jīng)過(guò)評(píng)估。系統(tǒng)的分析評(píng)估目前主要有以下三部分內(nèi)容：7.4.1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和趨勢(shì)確定的檢驗(yàn)檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合的沉降雙曲線(xiàn)之間趨勢(shì)的符合性。當(dāng)兩者之間的相關(guān)關(guān)系r，滿(mǎn)足相關(guān)系數(shù)r20.85時(shí)為“優(yōu)”。預(yù)測(cè)穩(wěn)定性檢驗(yàn)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和擬合的沉降曲線(xiàn)，推算一定時(shí)期（一般為6個(gè)月）后的沉降。推算前先進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。方法是，以預(yù)壓期前2個(gè)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以后逐步預(yù)測(cè)下個(gè)月的沉降，預(yù)測(cè)期限為預(yù)壓期第6個(gè)月的沉降，通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)沉降與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果比較時(shí)間，當(dāng)偏差8mm時(shí)，認(rèn)為預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性達(dá)到了“優(yōu)”，并以此進(jìn)行工后沉降及總沉降量推算的初步依據(jù)。7.4.3預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性