工后沉降的数值分析.docx
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工后沉降的数值分析
郑西高速客运专线填料改良及地基处理
工程试验研究
报告3
路基工后沉降的数值分析
兰州交通大学
铁道第二勘察设计院
二OO五年元月
1计算模型……………………………………………………………………………………1
2计算参数…………………………………………………………………………………2
3计算荷载……………………………………………………………………………………2
4工后沉降计算标准…………………………………………………………………………3
5计算内容……………………………………………………………………………………3
6计算结果……………………………………………………………………………………3
6.1路基本体沉降量……………………………………………………………………3
6.2天然黄土地基总沉降量及工后沉降量……………………………………………4
7强夯地基沉降量计算………………………………………………………………………10
8灰土挤密桩和CFG桩地基沉降量计算……………………………………………………16
9按工后沉降3cm控制的情况………………………………………………………………23
10结论………………………………………………………………………………………26
湿陷性黄土属于非饱和的欠压密土,具有较大的孔隙率和偏低的干密度,是其产生湿陷性的根本原因,湿陷性黄土的最大特点是:
在土的自重压力和土的附加压力与自重压力共同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,沿线大部分地段通过黄土堆积地貌单元。
黄土地区占线路总长约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。
根据日本和法国及德国的经验,满足高速铁路的轨道平顺性除要严格控制路基的均匀沉降外,不均匀沉降控制更为关键。
因此,本报告采用分层总和法和平面有限元方法对黄土地段的几种地基处理措施进行了分析研究,得出了一些有益的结论,为工程设计和施工提供参考。
1计算模型
采用平面有限元方法对其进行分析,并采用弹塑性本构模型(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,根据不同情况分别选取8m、12m、15m,横向分析长度取为路堤宽度以外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。
采用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、铁路路基规范以及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
0.333
80
30
1.95
2
基床底层
50
0.333
70
28
1.90
3
路基本体
25
0.35
60
25
1.85
4
灰土垫层
40
0.27
200
38
1.8
5
复合地基
5、7.5、10、15、20、25
0.3
100
30
1.8
6
天然黄土层
2、3、5、8
0.3
30
28
1.65
7
黄土层以下
15
0.3
-
-
1.65
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。
根据《京沪高速铁路设计暂行规定》,取换算土柱宽为3.4m,高分别为2.7m和3.0m(当容重为20kN/m3)。
沉降计算按单线有车进行考虑。
当采用分层总和法计算沉降时,黄土层较厚时,取压缩层深度满足条件:
,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》定义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,我们把此定义简称为标准一;
根据经验,黄土地基因填土自重所产生的压缩下沉量,大部分已在施工期间完成,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分,约为10%~20%。
所以,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。
后两种标准可以作为标准一的参考。
5计算内容
(1)根据郑西线实际湿陷性黄土的分布情况,选取黄土层厚度分别为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,分别为H=4m、6m、8m。
(3)天然黄土的压缩模量选取了4种情况,分别为Es=2MPa、3MPa、5MPa、8MPa。
当采用强夯、灰土桩或CFG桩处理时,此模量为未加固部分的模量。
(4)强夯地基的处理厚度按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。
计算时桩长根据不同路堤高度进行选取,分别为L=8m、10m、12m、14m。
复合地基模量分别取为:
Esp=5MPa、7.5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa。
(6)工后沉降量控制标准为3cm时的地基处理措施及范围。
6计算结果
6.1路基本体沉降量
表2、图3为路堤沉降量与路堤高度之间的关系,从表中可以看出,路堤的沉降量约为路堤高度的0.14~0.25%,两种活载差别不大。
根据国内外高速铁路的经验和实测资料,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0.1~0.3%;当以细粒土填筑时,约为路堤高度的0.3~0.5%。
该部分沉降量一般在路堤竣工之后一年左右完成,因此控制路堤沉降主要是控制地基的工后沉降。
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
沉降量(cm)
沉降量占路堤
高度百分数
4
0.55
0.138
0.58
0.145
5
0.84
0.168
0.88
0.176
6
1.17
0.195
1.21
0.202
7
1.54
0.220
1.59
0.227
8
1.97
0.246
2.02
0.253
图3路堤沉降量随路堤高度的变化曲线
6.2天然黄土地基总沉降量及工后沉降量
6.2.1分层总和法计算结果
采用分层总和法计算地基变形时,地基内的应力分布,可采用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:
计算中选取了CK257+280处的试坑资料进行计算,计算深度为13.2m,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)
1.2
2.2
3.2
4.2
5.2
6.2
7.2
8.2
9.2
10.2
11.2
12.2
13.2
压缩模量(Mpa)
2.3
2.3
1.9
1.6
1.8
2.6
2.6
6.6
2.4
4.6
2.8
5.2
8.1
计算结果如表4所示。
可以看出:
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,并且在两种活载作用下都满足工后沉降小于5cm的要求。
标准二也全满足要求。
标准三全部不满足要求。
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1.4%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
ZK活载
4
13.2
25.30
28.42
3.12
2.84
5.68
6
35.80
38.74
2.94
3.87
7.75
8
46.31
49.12
2.81
4.91
9.82
中活载
4
13.2
25.30
28.76
3.46
2.88
5.75
6
35.80
39.06
3.26
3.91
7.81
8
46.31
49.43
3.12
4.94
9.89
6.2.2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以及按三种标准计算的工后沉降量。
从表中可以看出:
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,但是按标准一的要求,只有在天然黄土地基的模量为8MPa时,才能满足5cm的要求,其余情况皆满足要求,即只要天然黄土地基的模量不大于8MPa,黄土地基必须处理;在两种不同活载的作用下,中活载比ZK活载计算得到的沉降大一些。
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
(m)
活载
类型
铺轨前
总沉降
(cm)
铺轨后
总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
8
ZK活载
23.42
34.63
11.21
3.46
6.92
中活载
35.87
12.45
3.59
7.18
12
ZK活载
49.05
62.27
13.22
6.23
12.46
中活载
63.73
14.68
6.37
12.74
15
ZK活载
74.57
88.91
14.34
8.89
17.78
中活载
90.50
15.93
9.05
18.10
3
8
ZK活载
17.02
24.61
7.59
2.46
4.92
中活载
25.45
8.43
2.55
5.09
12
ZK活载
34.63
43.53
8.90
4.35
8.70
中活载
44.52
9.89
4.45
8.90
15
ZK活载
52.05
61.68
9.63
6.17
12.34
中活载
62.75
10.70
6.28
12.56
5
8
ZK活载
11.89
16.59
4.70
1.66
3.32
中活载
17.11
5.22
1.71
3.42
12
ZK活载
23.10
28.54
5.44
5.70
11.40
中活载
29.14
6.04
5.82
11.64
15
ZK活载
34.03
39.89
5.86
3.99
7.98
中活载
40.54
6.51
4.05
8.10
8
8
ZK活载
9.00
12.07
3.07
1.21
2.42
中活载
12.41
3.41
1.24
2.48
12
ZK活载
16.62
20.11
3.49
2.01
4.02
中活载
20.50
3.88
2.05
4.10
15
ZK活载
23.90
27.64
3.74
2.76
5.52
中活载
28.05
4.15
2.81
5.62
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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降(cm)
铺轨后总沉降(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
45.51
49.39
3.88
4.94
9.88
中活载
49.86
4.35
4.99
9.92
3
ZK活载
32.75
35.60
2.85
3.56
7.12
中活载
35.94
3.19
3.59
7.18
5
ZK活载
22.31
24.33
2.02
2.43
4.86
中活载
24.56
2.25
2.46
4.92
8
ZK活载
16.31
17.81
1.50
1.78
3.56
中活载
17.98
1.67
1.80
3.60
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,并且两者都随地基的模量增加而减小,并且只要天然黄土地基模量大于2MPa,标准一和标准二都能满足工后沉降量小于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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降
(cm)
铺轨后总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
55.47
58.75
3.28
5.88
11.75
中活载
59.14
3.67
5.91
11.83
3
ZK活载
40.04
42.50
2.46
4.25
8.50
中活载
42.79
2.75
4.28
8.56
5
ZK活载
27.36
29.16
1.80
2.92
5.83
中活载
29.37
2.01
2.94
5.87
8
ZK活载
20.02
21.42
1.40
2.14
4.28
中活载
21.58
1.56
2.16
4.32
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,并且两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,标准一能满足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于3MPa,标准二也能满足要求。
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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降
(cm)
铺轨后总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
65.46
68.46
3.00
6.85
13.69
中活载
68.81
3.35
6.88
13.76
3
ZK活载
47.37
49.59
2.22
4.96
9.92
中活载
49.85
2.48
4.99
9.97
5
ZK活载
32.49
34.16
1.67
3.42
6.83
中活载
34.36
1.87
3.44
6.87
8
ZK活载
23.86
25.19
1.33
2.52
5.04
中活载
25.34
1.48
2.53
5.07
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,并且两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,标准一能满足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于3MPa,标准二也能满足要求。
表6、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,两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,且在同种情况下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大,并且只要天然黄土地基模量大于2MPa,标准一能满足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于3MPa,标准二也能满足要求。
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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降
(cm)
铺轨后总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
79.02
84.05
5.03
8.41
16.81
中活载
84.66
5.64
8.47
16.93
3
ZK活载
55.69
59.27
3.58
5.93
11.85
中活载
59.69
4.00
5.97
11.94
5
ZK活载
36.73
39.17
2.44
3.92
7.83
中活载
39.45
2.72
3.95
7.89
8
ZK活载
25.88
27.64
1.76
2.76
5.53
中活载
27.84
1.96
2.78
5.57
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,并且两者都随地基土的模量增加而减小,在同种情况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,标准一能满足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于5MPa,标准二也能满足要求。
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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降
(cm)
铺轨后总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
92.76
97.08
4.32
9.71
19.42
中活载
97.59
4.83
9.76
19.52
3
ZK活载
65.56
68.64
3.08
6.86
13.73
中活载
69.00
3.44
6.90
13.80
5
ZK活载
43.37
45.54
2.17
4.55
9.11
中活载
45.79
2.42
4.58
9.16
8
ZK活载
30.60
32.22
1.62
3.22
6.44
中活载
32.41
1.81
3.24
6.48
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,并且两者都随地基土的模量增加而减小,在同种情况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,标准一能满足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于5MPa,标准二也能满足要求。
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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降
(cm)
铺轨后总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
106.70
110.90
4.20
11.09
22.18
中活载
111.40
4.70
11.14
22.28
3
ZK活载
75.51
78.31
2.80
7.83
15.66
中活载
78.63
3.12
7.86
15.73
5
ZK活载
50.13
52.11
1.98
5.21
10.42
中活载
52.35
2.22
5.24
10.47
8
ZK活载
35.47
37.00
1.53
3.70
7.40
中活载
37.18
1.71
3.72
7.44
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,并且两者都随地基土的模量增加而减小,在同种情况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,标准一能满足工后沉降量小于5cm的要求。
天然黄土地基模量大于8MPa,标准二也能满足要求。
表9、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,两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,且在同种情况下中活载作用下的工后沉降量比ZK活载大,根据标准一的要求,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,只要地基土模量大于2MPa时,工后沉降量都小于5cm,满足要求。
根据标准二的要求,当路堤高度分别为4m、6m、8m,只要地基土模量分别大于5MPa、5MPa、8MPa时,工后沉降量都小于5cm,满足要求。
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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降
(cm)
铺轨后总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
109.70
115.4
5.70
11.54
23.08
中活载
116.10
6.40
11.61
23.22
3
ZK活载
76.54
80.56
4.02
8.06
16.11
中活载
81.02
4.48
8.10
16.20
5
ZK活载
49.71
52.41
2.70
5.24
10.48
中活载
52.73
3.02
5.27
10.55
8
ZK活载
34.41
36.33
1.92
3.63
7.27
中活载
36.56
2.15
3.66
7.31
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,并且两者都随地基土的模量增加而减小,在同种情况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,只有当地基土的模量大于3MPa,工后沉降量小于5cm,按标准二的要求,只有当地基土的模量大于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)
天然黄土地基模量(MPa)
活载
类型
铺轨前总沉降
(cm)
铺轨后总沉降
(cm)
工后沉降量(cm)
标准一
标准二
标准三
2
ZK活载
126.10
131.10
5.00
13.11
26.22
中活载
131.70
5.60
13.17
26.34
3
ZK活载
88.19
91.66
3.47
9.17
18.33
中活载
92.07
3.88
9.21
18.41
5
ZK活载
57.44
59.84
2.40
5.98
11.97
中活载
60.12
2.68
6.01
12.02
8
ZK活载
39.82
41.58
1.76
4.16
8.32
中活载
41.79
1.97
4.18
8.36
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,并且两者都随地基土的模量增加而减小,在同种情况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,只有当地基土的模量大于3MPa,工后沉降量小于5cm
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