工后沉降的数值分析Word格式文档下载.docx
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在土的自重压力和土的附加压力与自重压力一起作用下受水浸湿时将发生急剧而大量的附加下沉现象。
新建铁路郑州至西安客运专线三门峡市辖区段处于低山丘陵区，沿线大部份地段通过黄土堆积地貌单元。
黄土地域占线路总长约85%。
该线为时速200km/h以上的一次双线客运专线铁路。
对路基填
料（含基床底层）的压实度和工后沉降要求将会十分严格。
依照日本和法国及德国的体会，知足高速铁路的轨道平顺性除要严格操纵路基的均匀沉降外，不均匀沉降操纵更为关键。
因此，本报告采纳分层总和法和平面有限元方式对黄土地段的几种地基处置方法进行了分析研究，得出了一些有利的结论，为工程设计和施工提供参考。
1计算模型
采纳平面有限元方式对其进行分析，并采纳弹塑性本构模型（Drucker－Prager）。
选取的计算区域为：
黄土地基竖向尺寸取为黄土层的厚度，依照不同情形别离选取8m、12m、15m，横向分析长度取为路堤宽度之外20m。
其边界条件如下：
顶面为自由表面，两边为横向约束，底面为固定约束。
采纳ANSYS有限元分析软件，计算路基总沉降量。
图1为双线路堤标准横断面；
图2为有限元分析模型。
图1双线路堤标准横断面
图2计算模型（H≤8m）
2计算参数
计算分析中有关土层及路基材料参数，参照工程地质手册、铁路路基标准和现场试坑和钻孔资料。
具体数值见表1。
表1计算参数
序号
部位
弹性模量
（MPa）
泊松比
粘聚力（kPa）
内摩擦角（°
）
密度（t/m3）
1
基床表层
190
80
30
2
基床底层
50
70
28
3
路基本体
25
60
4
灰土垫层
40
200
38
5
复合地基
5、、10、15、20、25
100
6
天然黄土层
2、3、5、8
7
黄土层以下
15
－
3计算荷载
按土体在自重作用下的应力计算（自重应力场）。
同时考虑列车活载的作用。
列车荷载为ZK活载和中活载。
依照《京沪高速铁路设计暂行规定》，取换算土柱宽为，高别离为和（当容重为20kN/m3）。
沉降计算按单线有车进行考虑。
当采纳分层总和法计算沉降时，黄土层较厚时，取紧缩层深度知足条件：
，当黄土层较薄时（本报告取黄土层厚度为8m、12m、15m）就取此黄土层厚度。
有限元法计算沉降时，不论土层有多厚，均计入。
4工后沉降计算标准
郑西客运专线要求工后沉降量不大于5cm。
《京沪高速铁路设计暂行规定》概念工后沉降量为基础设施铺轨时的沉降量与最终形成的沉降量之差，咱们把此概念简称为标准一；
依照体会，黄土地基因填土自重所产生的紧缩下沉量，大部份已在施工期间完成，约占地基总沉降量的80％～90％。
另外，地基的工后沉降也仅占路基沉降的小部份，约为10％～20％。
因此，计算时把地基的工后沉降占地基总沉降的10％考虑，简称标准二；
把地基的工后沉降占地基总沉降的20％考虑，简称标准三。
后两种标准能够作为标准一的参考。
5计算内容
（1）依照郑西线实际湿陷性黄土的散布情形，选取黄土层厚度别离为D＝8m、12m和15m进行计算。
（2）路堤高度选取了3种有代表性的高度，别离为H=4m、6m、8m。
（3）天然黄土的紧缩模量选取了4种情形，别离为Es＝2MPa、3MPa、5MPa、8MPa。
当采纳强夯、灰土桩或CFG桩处置时，此模量为未加固部份的模量。
（4）强夯地基的处置厚度按Dh＝4m和Dh＝6m进行计算。
（5）灰土挤密桩和CFG桩复合地基，按复合模量法进行计算。
计算时桩长依照不同路堤高度进行选取，别离为L=8m、10m、12m、14m。
复合地基模量别离取为：
Esp＝5MPa、、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa。
（6）工后沉降量操纵标准为3cm时的地基处置方法及范围。
6计算结果
路大体体沉降量
表二、图3为路堤沉降量与路堤高度之间的关系，从表中能够看出，路堤的沉降量约为路堤高度的～％,两种活载不同不大。
依照国内外高速铁路的体会和实测资料，路堤填土压实沉降量当路堤以粗粒土、碎石类土填筑时，约为路堤高度的～％；
当以细粒土填筑时，约为路堤高度的～％。
该部份沉降量一样在路堤完工以后一年左右完成，因此操纵路堤沉降主若是操纵地基的工后沉降。
表2路堤沉降量与路堤高度之间的关系
路堤高度（m）
ZK活载
中活载
沉降量（cm）
沉降量占路堤
高度百分数
8
图3路堤沉降量随路堤高度的转变曲线
天然黄土地基总沉降量及工后沉降量
分层总和法计算结果
采纳分层总和法计算地基变形时，地基内的应力散布，可采纳各向同性均质线性变形体理论。
其最终变形量可按下式计算：
计算当选取了CK257+280处的试坑资料进行计算，计算深度为,计算参数见表3所示。
表3分层总和法计算参数
取土里程
CK257+280
取样中点深度（m）
压缩模量（Mpa）
计算结果如表4所示。
能够看出：
按标准一计算的铺轨前后总沉降量随路堤高度的增加而增大，而工后沉降量随路堤高度的增加而减小，而且在两种活载作用下都知足工后沉降小于5cm的要求。
标准二也全知足要求。
标准三全数不知足要求。
按标准一计算，中活载比ZK活载的工后沉降量大11％左右，按标准二和三计算，中活载比ZK活载的工后沉降量大％左右。
表4天然黄土地基在不同路堤高度下的总沉降量及工后沉降量
活载
类型
路堤高度
（m）
土层厚度（m）
铺轨前总沉降量（cm）
铺轨后总沉降量（cm）
工后沉降量（cm）
标准一
标准二
标准三
数值计算结果
表5为不同厚度的天然黄土地基在在不同地基模量下铺轨前和铺轨后的总沉降量和按三种标准计算的工后沉降量。
从表中能够看出：
同一模量下，随地基土层厚度的增加，总沉降量和工后沉降量都在不断增加，可是按标准一的要求，只有在天然黄土地基的模量为8MPa时，才能知足5cm的要求，其余情形皆知足要求，即只要天然黄土地基的模量不大于8MPa，黄土地基必需处置；
在两种不同活载的作用下，中活载比ZK活载计算取得的沉降大一些。
表5天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（路堑）
天然黄土地基模量（MPa）
黄土层
厚度
铺轨前
总沉降
（cm）
铺轨后
12
表6天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝4m，D=8m）
铺轨前总沉降（cm）
铺轨后总沉降（cm）
表6为路基高度为4m，黄土层厚度为8m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基的模量增加而减小，而且只要天然黄土地基模量大于2MPa，标准一和标准二都能知足工后沉降量小于5cm的要求。
表7天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝6m，D=8m）
铺轨前总沉降
铺轨后总沉降
表7为路基高度为6m，黄土层厚度为8m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基的模量增加而减小，只要天然黄土地基模量大于2MPa，标准一能知足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于3MPa，标准二也能知足要求。
表8天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝8m，D=8m）
表8为路基高度为8m，黄土层厚度为8m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基的模量增加而减小，只要天然黄土地基模量大于2MPa，标准一能知足工后沉降量小于5cm的要求。
表六、7、8为黄土层厚度为8m时，不同高度的路堤荷载作用下的总沉降量和工后沉降量，二者都随地基土模量的增大而减小，总沉降量随路堤高度的增大而增大，但工后沉降量却随路堤高度的增大而减小，且在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，而且只要天然黄土地基模量大于2MPa，标准一能知足工后沉降量小于5cm的要求。
表9天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝4m，D=12m）
表9为路基高度为4m，黄土层厚度为12m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基土的模量增加而减小，在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，只要天然黄土地基模量大于3MPa，标准一能知足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于5MPa，标准二也能知足要求。
表10天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝6m，D=12m）
表10为路基高度为6m，黄土层厚度为12m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基土的模量增加而减小，在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，只要天然黄土地基模量大于2MPa，标准一能知足工后沉降量小于5cm的要求。
表11天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝8m，D=12m）
表11为路基高度为8m，黄土层厚度为12m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基土的模量增加而减小，在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，只要天然黄土地基模量大于2MPa，标准一能知足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于8MPa，标准二也能知足要求。
表九、10、11为黄土层厚度为12m时，不同高度的路堤荷载作用下的总沉降量和工后沉降量，二者都随地基土模量的增大而减小，总沉降量随路堤高度的增大而增大，但工后沉降量却随路堤高度的增大而减小，且在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，依照标准一的要求，但当路堤高度小于4m且地基土模量大于3MPa时，工后沉降量小于5cm，当路堤高度大于4m时，只腹地基土模量大于2MPa时，工后沉降量都小于5cm，知足要求。
依照标准二的要求，当路堤高度别离为4m、6m、8m，只腹地基土模量别离大于5MPa、5MPa、8MPa时，工后沉降量都小于5cm，知足要求。
表12天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝4m，D=15m）
表12为路基高度为4m，黄土层厚度为15m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基土的模量增加而减小，在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，按标准一的要求，只有本地基土的模量大于3MPa，工后沉降量小于5cm，按标准二的要求，只有本地基土的模量大于8MPa，工后沉降量小于5cm。
表13天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝6m，D=15m）
表13为路基高度为6m，黄土层厚度为15m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基土的模量增加而减小，在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，按标准一的要求，只有本地基土的模量大于3MPa，工后沉降量小于5cm，按标准二的要求，只有本地基土的模量大于8MPa，工后沉降量小于5cm。
表14天然黄土地基条件下的总沉降量及工后沉降量（H＝8m，D=15m）
表14为路基高度为8m，黄土层厚度为15m时的总沉降量及工后沉降量,而且二者都随地基土的模量增加而减小，在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，按标准一的要求，只有本地基土的模量大于3MPa，工后沉降量小于5cm，按标准二的要求，只有本地基土的模量大于8MPa，工后沉降量小于5cm。
表1二、13、14为黄土层厚度为15m时，不同高度的路堤荷载作用下的总沉降量和工后沉降量，二者都随地基土模量的增大而减小，总沉降量随路堤高度的增大而增大，但工后沉降量却随路堤高度的增大而减小，且在同种情形下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大，但当路堤高度为4m、6m、8m时，按标准一的要求，只有本地基土的模量大于3MPa，工后沉降量小于5cm，按标准二的要求，只有本地基土的模量大于8MPa，工后沉降量小于5cm，知足要求。
通过以上对不同厚度的天然黄土层总沉降量和工后沉降量的计算，不难看出，假设考虑必然的平安系数，只有本地基土的模量小于5MPa，路堤的工后沉降量就有可能大于5cm，即地基需要加固；
以下为不同加固方法的工后沉降量的计算。
7强夯地基沉降量计算
强夯法适用于处置碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土地基。
依据体会，强夯法的有效加固深度如表15所示。
表15强夯法的有效加固深度
单击夯击能（）
碎石土、砂土
等粗颗粒土
粉土、粘性土、湿陷性黄土等细颗粒土
1000
2000
3000
4000
5000
6000
～
天然黄土地基在必然夯击参数下的夯击能夯打后，加固区地基承载力、紧缩模量等与天然黄土地基的模量、含水量、孔隙比等因素有关，而且在加固深度范围内，其值也是在转变的，因此说其值很难凭体会确信，只能通过现场载荷实验确信。
因此在沉降量计算时，依据天然黄土的模量取值范围，可能取几种可能的模量值进行了计算。
表16～19为强夯加固天然黄土地基工后沉降量随天然黄土地基模量、加固区模量和加固深度的转变关系（黄土层厚度为8m），能够看出，采纳标准一和标准二，经强夯加固后，地基工后沉降量都知足要求。
当天然黄土地基的模量较低时，标准三不知足要求。
表16强夯加固天然黄土地基（Es=2MPa）的总沉降量及工后沉降量（D=8m）
路堤高
复合地基模量
Dh=4m
Dh=6m
路堑
10
20
表17强夯加固天然黄土地基（Es=3MPa）的总沉降量及工后沉降量（D=8m）
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