高速铁路路基沉降影响因素分析及模型预测方法研究

吕绿洲 程远水

（1.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

高速铁路对路基的沉降要求较高，尤其是无砟轨道，由于受到轨道结构本身调高能力的限制，对路基的工后沉降要求更加严格。路基沉降的主要影响因素有地基处理方式、路堤填筑高度、路基面宽度、路基填料及压实标准、沉降时间、轨道结构、列车荷载等［1-6］。路基沉降变形的预测方法主要有双曲线法，固结度对数配合法，抛物线、指数曲线法，沉降速率法，星野法，灰色理论、人工神经网络法等［7-10］。本文主要通过对路基填筑高度、路基面宽度等沉降影响因素的分析，根据路基土体特性及受力特征，提出路基沉降的模型分析方法，用以预测最终沉降。

1 路基沉降影响因素分析

1.1 路基填筑高度

当地基处理方式相同时，路基填筑高度不同，其沉降也不相同。日本关西本线板式轨道路堤实测结果，路堤高3 m，通车后一年大致稳定，最大下沉1.0～1.5 cm，约为路堤高度的0.3%～0.5%。日本的经验认为路堤的工后压缩下沉约为填土高度的0.1%～0.3%（砂性土），0.5%～2.0%（黏性土）。

对于工后沉降，德国和日本还采用了一个经验公式进行估算，即S=h2/3000，其中S为路堤工后沉降，h为路堤高度。

国内一无砟轨道铁路现场实测不同填筑高度路堤所测路基面沉降见图1，强夯地基处理地段路堤填筑高度4.0～6.5 m 时路基面沉降1.55～3.50 mm，水泥粉煤灰碎石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）桩地基处理地段路堤填筑高度7.5～8.5 m 时路基面沉降3.31～3.90 mm。随着路堤高度的增加，路基面沉降有增大的趋势。

图1 路堤高度对沉降的影响

路堤填筑高度对路基沉降的影响主要体现在两方面：①对于地基来说，填筑高度增加导致地基所受压力增大，使地基沉降增大；②填筑体本身的压密沉降也会随着路堤填筑高度的增大而增加。为分析土体在压力增大时沉降的变化规律，在室内进行压缩试验，测试土体不同高度处沉降。在不同荷载下土体沉降曲线见图2，每次加载过程沉降增加，然后趋于收敛。

沉降与压力关系见图3，沉降随着压力增大而线性增加。因此对于高填方路基区段，应加强地基处理措施，减少路基沉降。对于软土、松软土区段或是存在软弱下卧层区段，尽量避免高填方。

图2 加载过程中土体沉降曲线

图3 沉降与压力关系

1.2 路基面宽度

国内某段无砟轨道路基全长2982.14 m。填筑高度为4.5～6.2 m，预压土高度3 m。其中DK81+848—DK82+298 为站台区，路基面宽度为38.5 m，DK81+633—DK81+848 与DK82+298—DK82+555 为路基面宽度从13.6 m 到38.5 m 的过渡段，其余路基面宽度为13.6 m。地基处理方式为CFG 桩，桩径0.4 m，间距1.5 m，桩长28.0 m。地质勘查资料显示此处地基土体物理力学性质相似，地基土压缩模量相差不大。

由于路基填筑高度与地基压缩模量相差不大，而路基面宽度相差较大，考虑路基面宽度对地基应力的影响，对站台区同一时间所测沉降进行分析，对不同路基面宽度的观测沉降最大值进行对比，见图4。

图4 不同里程处路基面宽度及所测沉降

由图4 可知，一般路基段（路基面宽度13.6 m）沉降在20～30 mm，站台区（路基面宽度38.5 m）沉降则在60 mm 左右，过渡区段沉降在20～60 mm 间呈过渡趋势。这一区域路基填筑高度相同，由于路基面宽度不同，路基沉降大小不同。

对不同路基面宽度处所测沉降进行分析，可得沉降随路基面宽度的变化规律，见图5。路基面宽度与沉降大致成线性关系，随着路基面宽度的增大沉降随之增大，路基面宽度每增加1 m沉降增大1.79 mm。

图5 沉降随路基面宽度变化规律

对其他里程路基沉降进行分析，所测各沉降板沉降见图6。可知，DK83+200—DK84+500 段各沉降板沉降绝大部分为10～20 mm。

图6 DK83+200—DK84+500处段各沉降板沉降

假定地基为弹性体，利用有限元模型分析荷载宽度对地基应力分布的影响。在均布荷载作用下地基应力典型分布如图7所示。在100 kPa的应力作用下，随着作用力作用宽度的变化，地基中应力为20 kPa 的区域最深处深度的变化规律如图8 所示，随着路基面的加宽，地基中同一应力等级的深度加大，与路基面宽度成线性关系。

图7 均布力作用下地基应力典型分布（单位：kPa）

当路基填筑高度不变，路基面宽度增加时，地基中应力值随路基面宽度呈线性增大趋势，建议在站台区加强地基处理，使得站台区沉降与区间路基保持一致。

图8 路基面宽度对地基应力深度的影响

2 模型分析方法

现场实测路基面沉降随时间变化如图9 所示，结合室内试验结果，在加载过程中，沉降呈快速增加趋势，加载完毕沉降随时间的增长而缓慢增长，增长速率越来越低，最终收敛。

图9 实测路基沉降随时间及填土高度变化

由于高速铁路路基填料质量及压实标准高，路基本身的压密沉降比地基沉降小，路基面的沉降主要由地基沉降引起，所以将地基作为研究对象，路基填筑高度作为附加荷载，建立模型来研究路基沉降规律。

根据沉降数据的收敛性，用弹性元件和黏性元件组成一个收敛模型。其弹性系数为k0，k1，黏性系数为η1，如图10所示。

图10 黏弹性模型

地基中任意一点的应力应变关系为

地基中表面最大应力σmax为γh，γ为填土重度，h为填土高度。将沉降影响计算深度设为0.2σmax处，记为H，该处应力记为σ0.2，并假设附加应力沿地基深度线性分布。可得沉降计算公式为

对实测数据进行回归分析，反算地基弹性系数及黏性系数，可得地基的本构模型，进而对路基不同时刻不同状况的沉降情况进行分析。

路基填筑高度为8 m 路基面宽度从13.6 m 变化至38.5 m时，计算应力与计算深度见表1。

表1 各沉降板处路基沉降计算结果

将各沉降板观测数据及表1数据代入式（1），通过拟合来求得模型中的弹性参数及黏性参数。各沉降板处拟合的模型参数见表2。可知：弹性系数k0数值较大，由此引起的沉降量很小，在沉降中不是主要因素。弹性系数k1主要影响地基最终沉降，对弹性系数k1进行统计，k1沿里程的分布如图11所示。可知，站台区及站台区附近弹性系数变化幅度不大，大里程的变化较大，其均值也较高，除去观测的系统误差及人为测量误差，取站台区及一般路基段各自弹性系数的平均值进行比较，一般区段均值大于站台区。主要由于站台区应力影响范围较大，而其影响范围内上部用CFG 桩进行了处理，下部还是软弱土，综合刚度比一般路基小。

不同路基处k1概率分布见图12。可知：整段路基、站台路基、一般路基弹性系数k1均值分别为49.66，44.18，67.33。

表2 各沉降板处拟合得出的模型参数

图11 弹性系数沿里程分布

图12 不同路基处k1概率分布

本文提出的模型分析方法与规范中的指数曲线法预测结果一致，并且给予指数曲线的参数以特定的物理意义，使得模型方法具有广泛的应用性。

3 结语

本文通过对高速铁路路基沉降影响因素进行分析，提出了路基沉降的模型预测方法。主要结论如下：

1）在地基处理方法一致时，路基面沉降随路堤填筑高度增加而增大，随路基面宽度增加而增大，主要由于路基高度与宽度的增加使地基内应力增大，地基刚度不变，导致沉降增大。

2）黏弹性模型分析方法根据路基沉降特点，能够反映路基填筑高度与宽度对沉降的影响，通过拟合得到弹性系数与黏性系数，进而预测路基最终沉降。