浅谈铁路软基堆载预压设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 路基工程　２００２年第５期（总第１０４期）　浅谈铁路软基堆载预压设计　崔维孝　（铁道第三勘察设计院地路处）　摘　要　对于预压设计的关键技术问题进行了探讨，重点介绍了预压设计中卸载的考虑方　法，供同行参考。　关键词　堆载预压等载预压等效固结时间　变化而引起的沉降称为次固茜沉降，主要决定于土　１　１前言　类，持续时间很长，可达数十年，一般不予考虑。　但当次固结沉降较大时应列入考虑之列。沉降控制　主要是指主固结沉降及次固结沉降的控制。　常用的深厚层软基地区路基沉降控制的方法有　复合地基法、排水固结法等，设计时应根据地层物　随着国民经济的快速发展，铁路建设也朝着准　高速、高速的方向发展，提速后的广深准高速铁　路、建设中的秦沈客运专线及即将建设的京沪高速　铁路等就是这种发展趋势的具体体现。随着列车速　度的提高，对路基的不均匀沉降提出了更高的要　求。减少工后沉降是消除或减小不均匀沉降最根本　的方法，因此《时速２００公里新建铁路线桥隧站设　理力学指标、沉降控制目标值、材料来源、工期等　因素综合确定。由于诸如施工机具能力处理深度有　所限制，到达一定深度成桩质量较差、排水效果不　佳，施工工期紧张等因素的限制，单一的地基处理　计暂行规定》５．３．２条规定：在松软地基上修建路　堤时，应进行工后沉降分析。要求路堤和基床建成　验收后，路基的工后沉降量一般地段不应大于１５　方法往往难以满足要求。预压作为一种有效的手段　在配合深层地基处理措施或替代深层地基加固措施　控制工后沉降方面得到较为广泛的应用。　ｃｍ，沉降速率应小于４　ｃｍ／ａ；桥台台尾过渡段路　基工后沉降不应大于８　ｃｍ。《京沪高速铁路线桥隧　站设计暂行规定》４．３．３条有相似的规定，不过要　预压作用的原理主要通过施加荷载的方法使沉　降预先完成，从而满足使用荷载条件下的剩余沉降　及沉降速率要求，实现通过增加工程来争取时间的　求更高，一般地段工后沉降量不应大于１０　ｃｍ，沉　降速率应小于３ｃｍ／ａ；桥台台尾过渡段路基工后沉　目的。该方法不但可以加速主固结沉降，还可以实　现通过超载的主固结沉降来达到消减使用荷载条件　下次固结沉降的目的，对于次固结沉降量比较大的　情况，该方法具有不可比拟的优越性。　预压施加的方法主要有真空预压与堆载预压。　由于真空预压法一般只能达到８０　ｋＰａ左右的真空　降不应大于５　ｃｍ。软基地段准高速、高速铁路设　计的观念较之一般铁路已经发生根本变化。在一般　铁路软基的设计中，首先要满足稳定性要求，软基　处理措施也是针对提高路基稳定着手，而对于沉降　则较少考虑。随着设计时速的提高，对路基变形的　要求就越高，软基处理已经由稳定控制转变为沉降　控制。因此如何有效的控制工后沉降已经成为软基　地区路基设计的关键技术问题。　地基变形通常包括地基土在垂直方向的压缩和　压力，因此更适合于路堤高度较小地段的预压，或　者联合堆载预压，并应考虑该方法对地基条件的适　应性。堆载预压由于施工工艺较为简单，效果较　好，因此得到了更为广泛的应用。　水平方向的位移。我们把垂直方向的压缩称为主固　结沉降，主固结沉降构成沉降的主体。在填土过程　中由于受剪应力的作用，地基发生剪切变形，水平　２软基地区铁路堆载预压设计　２．１　沉降计算荷载选定　位移引起的沉降称瞬时沉降。它持续时问短，变化　大，并随着路堤的填高而增大。由于土内部结构的　《时速２００公里新建铁路线桥隧站设计暂行规　定》５．３．４之３规定：双线路堤地基沉降计算时，　维普资讯 http://www.cqvip.com 崔维孝：浅谈铁路软基堆载预压设计　列车荷载只计算单线。单线路堤按有载考虑虽未见　地面以下０～２５　ｍ为淤泥质黏土，灰黑色，流　动状态，７＝１７．３　ｋＮ／ｍ３；其下为灰岩。地下水埋　深１．０　ｍ。压缩曲线见图１。　正式列入有关规定条文，也是不争定论。根据《铁　路路基设计规范》（ＴＢ１０００１—９９）１．０．４条：轨道　和列车荷载用换算土柱来代替。“附录Ａ”给出了　普速条件下不同等级铁路轨道和列车荷载的换算土　柱，准高速及高速铁路轨道和列车荷载的换算土柱　在不同时速条件下的《暂行规定》中也有明确规　定。　２．２　预压分类　ｌ　３　１．２　软基地区铁路堆载预压根据荷载的大小分为等　载预压、超载预压及欠载预压等。所谓等载预压就　是在一定时间内预压荷载引起的固结沉降等于列车　荷载征相同时间的作用效果。超载预压荷载某一时　１．１　１．０　刻引起的固结沉降要大于列车荷载作用，欠载预压　引起的固结沉降则小于列车荷载作用。等载或超、　欠载其实是一个相对的概念，由于预压荷载的施加　０　９　形式不可能完全等同于铁路轨道和列车荷载，对于　路基平面上的某一点为超载预压的荷载对另外一点　图１　淤泥质黏土压缩曲线图　２．３．２　线路标准　可能是欠载预压，即使路基平面同一点在地基的不　同深度其等载预压荷载也不相同。在实际的路基设　计中我们往往取路基平面上的某一点作为参考点，　根据预压荷载能够引起该点的沉降固结过程判断是　等载还是超、欠载。　客运专线，边坡坡度１：１．５，路堤填料压实后　重度采用１９　ｋＮ／ｍ　。双线路基面宽度１２．５　ｍ，线　间距４。６　ｍ，按单线有载计算；单线路基面宽度采　用７．５　ｍ。列车荷载按３　ｍ高、３．３　ｍ宽土柱（重　度１８ｋＮ／ｍ３）考虑，预压荷载按重度１８　ｋＮ／ｍ３计　算。　２．３　参考点的选取　为了直观的说明参考点的选取，按以下假设进　行计算说明。　２．３．１　地基条件　２．３．３　计算结果及参考点的选取　预压荷载通过于路基面按一定坡度填土施加．　分别采用１：１与１：０．５两种坡度进行比较计算。计　算结果见表１。　表ｌ　不同路堤高度、不同路基面位置的计算等载预压荷载　ｌ：ｌ　ｌ：０．５　线别　路堤　高度　／ｍ　６　６　６　６　４　计算点距离　路基面中心　之距／ｍ　０　２．３０　５．２５　６．２５　０　计算点　位置　描述　路基面中心　有载线中心　碴脚　路肩　路基面中心　计算主固　结沉降值　等载预压　／ｍ　高度　／ｍ　顶宽　／ｍ　１０．７８　９．４４　ｌ０．５２　ｌ０．４４　ｌ０．８２　预压土方　等载预压　／ｍ　ｌ０．０ｌ　１６．７８　ｌ１．３９　ｌ１．８ｌ　９．７９　高度／ｍ　０－８５　１．４７　０．９３　０．９５　０＿８２　预压土方　顶宽／ｍ　ｌ１．６５　ｌ１．０３　ｌ１．５７　ｌ１．５５　ｌ１．６８　／ｍ　１０．２６　ｌ７．２９　ｌ１．１９　ｌ１．４２　９．９ｌ　双线　双线　双线　双线　双线　１．Ｏ６６　１．１Ｏ９　０．９９５　０．９５ｌ　０．７７ｌ　０．８６　１．５３　０．９９　１．０３　０．８４　双线　双线　双线　单线　单线　线　单线　单线　４　４　４　６　６　６　４　４　２．３０　５．２５　６．２５　０　２．７５　３．７５　０　２．７５　有载线中心　碴脚　路肩　线路中心　碴脚　路府　线路中心　碴脚　０．８ｌ９　０．７ｏ７　０．６６５　１．０３９　０．９５ｌ　０．９ｌｌ　０．７５６　０．６６９　１．５０　０．９４　１．０ｌ　２．２３　１．４０　１．５０　２．２Ｏ　１．３３　９．５０　ｌ０．６２　１０．４８　３．０４　４．７０　４．５０　３．１０　４．８４　ｌ６．５０　１０．８７　ｌ１．６０　ｌ１．７５　８．５４　９．ｏｏ　ｌ１．６６　８．２ｌ　１．４４　０－８９　０．９２　１．９３　１．２ｌ　１．２６　１．９ｌ　１．１６　ｌ１．ｏ６　ｌ１．６ｌ　ｌ１．５８　５．５７　６．２９　６．２４　５．５９　６．３４　１６．９６　ｌ０．７３　ｌ１．Ｏ８　１２．６ｌ　８．３４　８．６６　ｌ２．５Ｏ　８　Ｏ３　单线　４　３．７５　路肩　０．６３ｌ　１．４８　４．５４　８．９ｌ　１．２３　６．２７　８．４７　维普资讯 http://www.cqvip.com ・５Ｏ・　路基工程　２００２年第５期（总第１０４期）　通过表ｌ我们可以看出：　为了预测某一时刻分级加荷条件下的沉降量，　必须首先计算该时刻的固结度。逐级加荷条件下固　（１）有载线路中心的等载预压荷载为控制荷　载，当该点预压荷载为等载预压，碴肩及路肩等位　置为超载预压，因此以有载线路中心作为预压设计　的控制点是偏于安全的，建议采用。　结度的计算有修正太沙基法等。笔者曾撰文《浅议　逐级加荷条件下分时沉降计算》提出对该方法改进　如下：　Ｃ　（２）堆载坡度越陡预压高度相应变低，但预压　土方却略微增加。这说明从荷载的施加效果来说，　相同大小的荷载堆载越高预压效果越明显，但是尤　＝　）　（１）　式中：　，——多级等速加荷ｔ时间修正后的平均　固结度；　其对于路基面宽度较小的情况，堆载越高施工难度　就越大，因此具体预压设计时应根据实际情况计算　比较确定。　ｔ　ｔ，卜ｌ——分别为ｎ级加荷起点和终点时　间，Ｓ；　（３）路堤高度越小，等载预压荷载就越小，由　此可以印证低矮路堤采用预压效果更好。　２．４　预压设计　ｓ　——第ｎ级等速加荷的荷载增量引起的　压缩层最终沉降量的增加，当ｔ在某一级等　速加荷的过程中时，用该点的荷载增量引起　在实际设计中，对于沉降量相对较大的情况往　往会出现单采用竖向排水体或复合地基难于解决的　问题，比如采用竖向排水体即使地基充分固结，沉　降量或沉降速率依然超标；复合地基加固时，下卧　未加固区剩余沉降超标等。都需要结合预压才能达　到理想效果。　预压设计的一个关键技术问题是卸载后，铺设　的该压缩层最终沉降量的增加；　∑ｓ——压缩层最终沉降量。　笔者认为改进后该方法更具理论上的合理性。　但是对于有卸载过程或卸载一段时间又加载的过　程，怎样运用该方法才能得到合理的结论呢？为了　解决这个问题，我们引入等效固结时间的概念。所　谓等效固结时间，是指地基在各级荷载作用下达到　相同固结沉降需要的时间。为了更直观的表达这一　概念及其引入该概念的意义，现采用图示法予以说　明（图２）。　轨道等上部建筑物及列车开始运营后沉降量的计　算。只有解决了这个问题，我们才能预测年沉降速　率是否超标。　付被Ｐ　沉降　图２两级瞬时加载情况下的ｚ—Ｓ曲线　维普资讯 http://www.cqvip.com 崔维孝：浅谈铁路软基堆载预压设计　图２选取了两级瞬时加载情况，荷载Ｐ　瞬时　同的过程。对于多级加载情况道理是一致的。但是　加载后ｔ　时刻瞬时加载Ｐ　。图中沉降曲线０一　Ａ—Ｂ为Ｐ　单独作用下的时间一沉降曲线，０一　Ｃ—Ｄ为Ｐ，与Ｐ２同时施加共同作用下的时间一沉　降曲线。ｔ　时刻地基仅在Ｐ，作用下发生了如图２　所示沉降值ｓ　。而在Ｐ　与Ｐ２共同作用下发生相　同的沉降，换言之达到相同的固结度，需要的时间　为ｔＤ２。我们称　２为实际加载过程第２级荷载施加　既然实际的填土过程不可能瞬时施加，填土即每级　荷载的施加是按一定速率的。这就需要对图２所　示的０一Ａ—Ｂ和０一Ｃ—Ｄ进行修正。　对于第１级荷载等速而非瞬时施加的情况，　如图３所示，０一Ａ—Ｂ为Ｐ。瞬时施加时的时间一　沉降曲线。等速加载条件下０～ｔ　时刻第１级荷载　施加完毕。为了求得实际加载过程的时间一沉降曲　线，我们首先要计算出１级等效固结时间ｔ。　。　完毕时刻ｔ　所对应的前２级荷载同时瞬时施加时　的等效固结时间，简称２级等效固结时间。对于　第ｎ级荷载来说，第ｎ级荷载施加完毕时刻ｔ　一　所对应的前ｎ级荷载同时瞬时施加时的等效固结　时间，为ｎ级等效固结时间。　０～ｔ　时刻沉降计算我们借鉴修正太沙基法：　Ｓ，＝　（｛）×Ｓ“　（２）　式中ｓ“为ｔ时刻填土荷载可以引起的最终主　固结沉降。在本文中我们定义Ｓ，。为第ｎ级荷载引　对于如图２所示的加载过程，实际发生的沉　起的最终固结沉降，∑ｓ　为前ｎ级荷载引起的最　终固结沉降，ｓ“　为第ｎ级荷载施加过程中ｔ时刻完　成的所有填土荷载可以引起的最终主固结沉降。　降过程将沿着０一Ａ（Ｃ　）一Ｄ　发生，其中ｃ—　Ｄ与ｃ　一Ｄ　是有着固定时间差ｔ　一ｔＤ２的完全相　荷载Ｐ　Ｏ　图３第１级等速加载情况下的ｔ—Ｓ曲线　ｌ时刻沉降量为：　Ｓｌｌ＝　（　）×ｓｌ　（３）　Ｓｒ＝　（，一　一　＋ｆＤ　１））　∑Ｓｎ—ｌ＋　（Ｓ　一∑Ｓ　）　ｔ２　一ｌ以后段：　Ｓｔ＝　（　：　（４）　对于ｔ　时刻之后的沉降，在Ｐ，瞬时加载沉降　曲线上截取沉降量为ｓｆ１所对应时刻ｔＤｌ，ｔＤｔ即为１　级等效固结时间。图示等速加载过程ｔ。以后的沉　降发展将沿着瞬时加载ｔ。　之后的轨迹。即时间一　沉降曲线应为图３所示０一Ａ　一Ｂ　。　＋ｆＤ　）×∑Ｓ　（５）　图示加载过程的时间一沉降曲线为０～０　一　Ａ　一Ｂ　。　最后，卸载过程的考虑，如图５，ｔ２—２时刻之　对于第２级及其以后的等速加载过程，如图　４，ｔ　２—２时刻之前的沉降０～０　已经求得，０一　Ａ一曰为Ａ＼－］ａ　Ｐ　瞬时施加时的时间一沉降曲线。对　于非瞬时加载的第ｎ级荷载，其沉降过程曲线应　分两个时段进行修正：　ｔ　前的沉降０～０　已经求得，０一Ａ—Ｂ为∑Ｐ．　瞬　时施加时的时间一沉降曲线。对于卸载后的一级荷　载，其沉降过程曲线应分两个时段进行修正：　ｔ２　２～ｔ２　１段：　ｓＩ＝　（ｆ－ｆ：　）×∑５　。）一　２～ｔ　—ｌ段：　（Ｓ“　一∑Ｓ川）　（６）　维普资讯 http://www.cqvip.com ・５２・　路基工程　２００２年第５期（总第１０４期）　图４第２级及其以后的等速加载过程的，一Ｓ曲线　ｌ　饵ｊ载　编傲　ｆ　卸载　ｌ饵威后荷载　／　Ｏ　厂一　厂　＿＼ｌ２４—２　　＋　ｌ２　ｌ　一　　Ｌ，　　，，　时间ｔ　＼ｅ降　　＼＼　Ａ　～（７）　一图５卸载过程的ｔ—Ｓ曲线　　ｔ２一ｌ以后段：　认为排水固结过程是不可逆的，而地基回弹的原因　在于地基尚未损失的弹性形变，其回弹与再压缩将　是一个相对瞬时的过程，而非漫长的固结过程。　Ｓ，＝　（…　＋　）×∑Ｓ　图示加载过程的时间一沉降曲线为０～０　一　＾４　一　。　这种方法借鉴了改进太沙基法关于等速加载的　思路，与改进太沙基法相比，相同的地基及荷载条　但是根据超固结理论，卸载应该伴随着回弹，　本公式并没有考虑回弹因素。那么回弹在这里究竟　应该不应该考虑，如果考虑的话如何考虑？笔者认　为理想状态下对于卸载后荷载当地基固结度小于或　等于１Ｏ０％时，卸载将不产生回弹，而是继续其　件计算出的沉降略有区别，但由于该方法未借鉴改　进太沙基法部分基于以下思路——固结过程的连续　性，因而更趋合理。而且该方法成功的解决了预压　土卸载问题的沉降计算，更具有应用上的广泛性。　固结沉降过程。只有对于卸载后荷载地基固结度大　于１００％时，回弹才有可能发生。而此时的回弹　已不能作为工后沉降的组成部分，因为我们一般的　采用该方法，将压缩层分层考虑将更准确的反映各　层的固结沉降过程。　２．Ｓ　预压设计需注意的问题　维普资讯 http://www.cqvip.com 崔维孝：浅谈铁路软基堆载预压设计　实际的软基沉降发生情况同理论计算往往有一　定出入，预压设计也不例外。为了保证预压设计能　效果及确定卸载时间。我们强调高等级铁路沉降控　制的重要性，也绝对不能忽视稳定检算，填土过程　中的稳定、预压荷载施加时的稳定以及列车运营时　的稳定等都应给予足够重视。只有保证了稳定和安　全，沉降控制才有意义。　够获得预期的效果，除了按设计要求施加足够的预　压荷载，保证预压时间外，还应该加强沉降观测，　通过实测沉降过程推算沉降发展趋势，以检验预压　（上接第２６页）　土，或在软黏土层中存在砂层的情况。填土预压法　要取土、弃土，路堤顶部作业场地狭窄，施工不　便，由于路堤的间隔和扩散，路堤顶部预压土的预　穿插于施工之中。　（３）试验段施工应由试验单位组织。试验段的　提前实施可以避免埋设试验设备给大面积施工带来　的干扰，试验段的施工是试验的实施过程，应由试　压作用，对地基尤其是对深层地基固结作用的影响　会大打折扣，而且，填土预压法必须占用大量可贵　的施工时间，而降低地下水位可以和填土等作业同　时进行，抽出的地下水可以用来灌溉，这种环保的　工程措施对于主要分布在农田中的平原地区铁路、　公路工程尤其适宜；由于地基沉降主要是塑性变　验单位统一组织，既有利于控制施工、试验的质　量，又可以根据试验需要，调整施工的方法和进　度，尤其是填土速率和预压期的长短。设计单位的　工作贯穿铁路重大工程的前期研究、规划、勘察、　设计、指导施工以及经验总结的全过程，由设计单　位完成这种研究工作有明显的优势。　形，地下水位的回升不会引起地基沉降的反弹，多　次降水仍然会加速地基的固结作用，所以，降低地　下水位法可根据排水条件断续、反复地进行。对于　（４）试验段落集中布置，便于监测和维护。试　验段落不宜过长，便于实施有效的管理　便于埋设　观测基点，便于保护和维护监测设备。　８　结束语　平原地区，这种加速软土地基沉降的方法值得和填　土预压法进行比较研究和试验应用的。　７　监测试验工作的看法　尽管Ｔｅｒｚａｇｈｉ在上世纪２Ｏ年代发表固结理论　（１）试验一定要超前。由于软土、松软地基的　沉降、预压的过程要较长的时间，试验工作不提前　至今已有８Ｏ多年，沉降计算的方法已发展了不少，　但沉降的问题一直是困扰岩土工程界的一个难题，　尤其是公路、铁路、机场等大型工程，地基跨越范　围广，地质条件变化多，许多工程措施还是依靠抽　２～３年，就不能得到有价值的经验和结论来应用　于整个工程；加之软土、松软地基土层的物理力学　性质的差异性，一条线甚至一个地区的试验经验与　样计算与经验相结合的方法来确定，电子技术的发　展为软土沉降问题的研究提供了新的研究手段，探　结论，都很难照搬到另一条线或另一个地区去。　（２）对于试验段，勘察在先，试验在后，设计　在本段和本阶段应为试验提供方便，试验成果为下　阶段设计服务。对于整个工程之前的试验段，应组　索全新的勘察、计算、设计、监测和检验手段成为　摆在岩土工程师面前的一个重要课题，相信通过大　量的研究与工程实践，软土沉降问题的研究会有新　的进展。　织专门的勘察和试验，勘察要仔细、迅速，试验力　求做细、做准，在这一阶段，进行钻探取样试验与　孔压静力触探试验的详细对比分析。在此基础上，　进行试验设计，地基处理措施的选择与布置为试验　工作的一部分，为试验服务，而不是反过来，试验　参考文献　１　岂福民编译．计算饲结沉降的微层法．路基工程．２００１年笫４　期　２张诚厚．孔压静力触探应用．１９９９年１１月