客运专线路基技术有关问题讨论.ppt
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,客运专线,路基工程有关技术问题讨论,二00四年十一月,铁四院:
顾湘生,一、路基工程变形控制二、路基结构及要求三、路基填料分类与填筑四、地基条件与地基处理五、客运专线需深入研究的问题,提纲,0、引言,客运专线是指时速超过200km的高速旅客列车专用铁路,它具有速度快、污染小、安全舒适等优点。
路基作为轨道的基础,其强度高、刚度大且纵向变化均匀、长期动力稳定性和耐久性,是确保列车高速、安全、舒适、平顺运行的前提条件。
因此,高速铁路对路基的设计、施工、质量控制等都提出了非常严格的要求,路基工程必须按结构物进行设计与施工。
1.1工后沉降,目前我国相关规范定义为路基竣工开始铺轨后产生的沉降,即:
示意图中S1,由路基本体及地基沉降引起的沉降(主要由地基沉降引起)。
有的国家以铺轨完成,交付运营后计列工后沉降,即示意图中S2。
一、路基工程变形控制,我国高速客运专线工后沉降标准:
路基5cm,路桥过渡段3cm。
1.2沉降估算与推算,在勘察设计阶段,设计人员根据地质条件、土层物理力学参数、填土高度、地基加固措施、工期等计算总沉降量及工后沉降量(估算),或者说根据相关条件选择能满足工后沉降要求的措施。
但由于地层的不均匀性、参数选取的精度、估算方法的局限性,以及施工过程的影响等因素,设计阶段的沉降估算精度是难于满足客运专线高标准要求的,必须根据施工期间沉降观测资料推算工后沉降量、确定铺轨时机,以及预测运营期间可能的维修工作量和周期(推算)。
利用实测沉降数据推算工后沉降方法很多,常用的有双曲线法、三点法(对数曲线法)、指数曲线法、星野法等。
不同的地基加固方法、计算时间的长短以及初始时间的选择等都会对推算精度产生影响。
一、路基工程变形控制,1.2沉降估算与推算,某路堤实测沉降过程曲线与理论沉降过程对比图。
一、路基工程变形控制,1.2沉降估算与推算,昆山试验段复合地基实测p-t-s曲线,采用双曲线法推算其2004年9月以后沉降值为2.7cm,加上轨道荷载引起的沉降(计算值为2.5cm),可满足工后沉降要求。
一、路基工程变形控制,1.2沉降估算与推算,昆山试验段塑料排水板联合超载预压实测p-t-s曲线,一、路基工程变形控制,采用双曲线法推算目前荷载水平下工后沉降值为3cm。
卸载后再加载沉降推算过程较为复杂,从理论上讲,只要工作荷载不大于超载,其工后沉降值就不会大于超载条件下的推算值,可满足工后沉降标准。
但也有例外,主要是由于超载高度、超载时间不够,以及推算精度引起的。
1.3路基面动变形,路基面动变形是由列车动荷载引起的基床变形。
包括弹性变形和累积塑性变形,它对乘车舒适度、轨道平顺性的日常养护维护等影响极大。
弹性变形:
路基面的弹性变形直接反映了路基的综合刚度,与路基结构类型、基床表层厚度、基床底层刚度有关。
我国路基面弹性变形控制建议值为3.5mm,秦沈实测值:
0.47-0.94mm。
日本弹性变形控制标准2.5mm。
动变形与列车轴重、行车速度、轨道状态、以及基床结构、材料,压实度等关系密切。
一、路基工程变形控制,1.3路基面动变形,动应力与轴重和行速度关系(铁科院秦沈客运专线实测及分析资料):
=2.4P(1+8.310-5V),一、路基工程变形控制,1.3路基面动变形,基床表面动应力与车速的关系:
一、路基工程变形控制,1.3路基面动变形,基床动应力与基床动变形的关系,一、路基工程变形控制,1.3路基面动变形,不同基床表层厚度、不同底层填料、不同压实度对动力响应值的影响。
一、路基工程变形控制,A基床表层厚度的影响室内模型试验(西南交大)数据表明,当基床厚度从0.7m减少至0.3m时,在相同动应力水平下,基床表层动变形增加34%,基床底层顶面动变形增加103%、动应力增加67%。
1.3路基面动变形,不同基床表层厚度、不同底层填料、不同压实度对动力响应值的影响。
一、路基工程变形控制,B不同应力水平对塑性变形的影响(临界应力),不同应力水平下花岗岩风化物填料累计塑性变形与重复加载关系曲线,1.3路基面动变形,不同基床表层厚度、不同底层填料、不同压实度对动力响应值的影响。
一、路基工程变形控制,C不同不同含水量对塑性变形的影响(最大动应力为50Kpa),1.3路基面动变形,不同基床表层厚度、不同底层填料、不同压实度对动力响应值的影响。
一、路基工程变形控制,D不同底层填土的影响大量试验研究数据表明,当底层填料及压实满足暂规要求时,其基床表层动力响应值无明显差别。
但当底层填料刚度较小时,路基综合刚度降低,使得路基面产生较大的塑性变形。
1.3路基面动变形,不同基床表层厚度、不同底层填料、不同压实度对动力响应值的影响。
一、路基工程变形控制,(本图摘自宁启线高速铁路不同基床结构适用性试验研究报告),1、各国路基标准横断面A、法国TGV,二、路基结构及要求,基床由覆盖层2035cm,封堵层3550cm,上层土方100cm组成,覆盖层及封堵层均有各自严格的级配要求,R=LA+MDE40%(80%),Kh1,EV2120Mpa(80Mpa),上层土方要求Kh0.95,EV2=4560Mpa。
1、各国路基标准横断面B、德国高速铁路(300km),二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面B、德国高速铁路(300km),二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面B、德国高速铁路(300km),基床由保护层20cm,防冻层(约40cm)组成,各层之间颗粒粒径及组成均满足隔离和过滤准则。
保护层要求渗水系数K110-6m/s,不均匀系数15。
保护层加防冻层总厚度0.7m。
德国基床保护层厚度确定:
二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面C、日本新干线,基床表层:
沥青混凝土厚5cm,级配碎石厚30cm(基床底层K3011kgf/cm3)或厚65cm,(基床底层7kgf/cm3K3011kgf/cm3);2基床底层:
厚230265cm。
二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面D、京沪高速铁路,二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面D、京沪高速铁路,二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面E、各国路基面结构尺寸,二、路基结构及要求,二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面F、主要检测方法及标准,二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面F、主要检测方法及标准,专用钻探取芯(少量)特殊检测,二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面G、主要检测设备,Ev2检测设备(主要控制指标),二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面G、主要检测设备,K30检测设备,二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面G、主要检测设备,Evd检测设备,二、路基结构及要求,1、各国路基标准横断面G、主要检测设备,2、低矮路堤、特殊地质路基,二、路基结构及要求,低矮路堤系指高度小于3.0m的路堤。
基床范围内的地基夹有Ps1.5MPa或0.18MPa的土层时,必须进行处理。
由于低矮路堤的地基土承受较大的动荷载,自身的复杂性和不均匀性,当产生沉降特别是产生不均匀沉降时,对路基面、轨道的影响程度要远大于高路堤的影响,因此必须从地基条件与动力响应两方面考虑。
设计与施工都要引起高度重视。
常用处理措施:
换填、碎石桩、(刚性)桩-网结构或桩-板结构。
2、低矮路堤、特殊地质路基A、换填处理,二、路基结构及要求,路堤换填示意图,路堑换填示意图,2、低矮路堤、特殊地质路基A、换填处理,二、路基结构及要求,改良土(强度600kpa)换填厚度确定示意图,2、低矮路堤、特殊地质路基B、碎石桩加固,二、路基结构及要求,碎石桩加固(厚度5.0m)示意图,2、低矮路堤、特殊地质路基C、刚性桩网结构加固,二、路基结构及要求,2、低矮路堤、特殊地质路基D、桩板结构加固,二、路基结构及要求,2、低矮路堤、特殊地质路基E、膨胀土路基要考虑膨胀土胀缩对路基,尤其是对低矮路基、路堑的影响。
(设计时应综合考虑上覆荷载、地基土膨胀力、有荷膨胀率、胀缩影响深度、地下水变化等因素,确定换填深度,设计施工时应对防排水措施引起足够重视,它是主体措施的一部分),二、路基结构及要求,1、各国路基填料分类,三、路堤填料分类与填筑施工,目前世界各国及我国工程界各部门对于土质分类法尚无统一完整的体系。
土质分类主要根据土颗粒组成及特征(以土的级配指标:
不均匀系数Cu和曲率系数Cc表示)、土的塑性指标(液限、塑限、塑性指数)、土中有机质含量等。
岩石主要根据强度、抗风化能力等。
1、各国路基填料分类A、法国填料分类,共分五级:
A级:
细粒土,B:
级细砂砾土,C级:
含细粒及粗粒土(粗细粒混合土),D级:
水稳性好的土,R级岩块(包括易分化和不易风化)。
三、路堤填料分类与填筑施工,1、各国路基填料分类B、日本填料分类,日本填料分类。
根据颗粒粒径、含量,分别按大、中、小、细四等级进行分类。
细粒土采用塑性图分类。
三、路堤填料分类与填筑施工,1、各国路基填料分类B、日本填料分类,日本细粒填料采用的塑性图,三、路堤填料分类与填筑施工,1、各国路基填料分类C、我国填料分类现行标准,三、路堤填料分类与填筑施工,1、各国路基填料分类C、我国填料分类现行标准,软块石、碎石类土和砂类土填料分组,三、路堤填料分类与填筑施工,1、各国路基填料分类C、我国填料分类修改报批标准,三、路堤填料分类与填筑施工,1、各国路基填料分类C、我国填料分类修改报批标准,三、路堤填料分类与填筑施工,2、我国高速客运专线路基填料要求,三、路堤填料分类与填筑施工,3、路堤填料改良,填料改良是指在原土中添加某种材料,使之与土发生一定的物理化学反应,以改变原土的物理力学性质,达到符合高速铁路填料的标准。
软岩填料改良主要内容1.矿物成分分析,是否存在不利于长期稳定的矿物成分;2.水稳性、抗崩解风化能力分析,以及崩解后的颗粒组成、物理力学特性;3.动力特性分析;4.现场压实特性、压实工艺试验等。
三、路堤填料分类与填筑施工,3、路堤填料改良,细粒填料改良(化学改良)1添加剂:
石灰、水泥、粉煤灰、沥青、合成固化剂、合成树脂等。
添加剂的选用:
一般情况下,塑性指数较高的粘性土采用石灰;砂类土采用水泥。
2改良步骤及要求:
原土各类物理、力学、水稳性试验。
各类添加剂改良土相关试验,确定添加剂及配方(经济、技术、控制性指标改善情况)。
现场工况试验,确定现场添加剂用量及工艺。
添加剂用量控制:
综合考虑各类物理力学性质的改善。
控制性指标:
无侧限抗压强度qu(Mpa),CBR值可作为参考指标。
现场强度与室内强度关系:
qu(现场)=0.6-0.7qu(室内)如基床底层K30=110Mpa相应要求qu=600-700Mpa,则室内强度qu=1000Mpa左右。
三、路堤填料分类与填筑施工,4、改良填料施工工艺与工法,法国TGV路基工程施工现场,改良填料施工可分为:
厂拌法,路拌法和集中场拌法。
三、路堤填料分类与填筑施工,4、改良填料施工工艺与工法,法国TGV路基本体路拌法施工,法国TGV上部土方路拌法施工,三、路堤填料分类与填筑施工,4、改良填料施工工艺与工法,法国TGV路拌法施工含灰量控制方法,三、路堤填料分类与填筑施工,4、改良填料施工工艺与工法,日本新干线厂拌法施工,三、路堤填料分类与填筑施工,4、改良填料施工工艺与工法,京沪高速试验工点路拌法施工,三、路堤填料分类与填筑施工,4、改良填料施工工艺与工法,京沪高速试验工点厂拌法施工,三、路堤填料分类与填筑施工,1、地基条件,四、地基条件与地基处理,高速铁路对路堤的沉降变形提出了严格要求,尤其软土及松软土路堤的工后沉降控制。
对天然地基土地基条件提出了新的评判标准,对于不满足要求的工点需进行沉降分析。
路堤地基条件评判一览表,2、地基处理,四、地基条件与地基处理,地基处理的目的是为了提高地基承载力,减少地基沉降,有时也为了减少地基的渗透性。
当天然地基不能满足构筑物稳定或变形控制要求时,就要对天然地基进行处理形成人工地基。
由各种地基处理方法获得的人工地基可以分为两类:
一类是对天然地基土体全部进行土质改良,如排水固结法、强夯法、原位压实法、换填法等。
另一类是形成复合地基,它可以由复合土与天然地基土体形成,如水泥土复合地基;也可以由插入的材料与天然地基土体形成,如低强度桩复合地基法、树根桩复合地基;也可以由插入的材料与得到的改良的天然土体形成,如振冲挤密碎石桩复合地基,还可设置水平向增强体形成复合地基。
近年来,国内外学者在进一步研究竖向增强体和水平向增强体的特点的基础上,为充分发挥桩间土的承载能力,提出了桩网复合结构或桩网复合地基结构,建立相应的理论并应用于工程实践,取得了较好的效果。
2、地基处理复合地基,四、地基条件与地基处理,复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体和增强体两部分组成的人工地基。
根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。
竖向增强体复合地基通常通常称为桩体复合地基,可分为三类:
散体材料复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。
散体材料复合地基如碎石桩复合地基、砂桩复合地基等。
柔性桩复合地基如深层搅拌桩复合地基、旋喷桩复合地基等。
刚性桩复合地基如CFG复合地基、管桩复合地基、钢筋混凝土复合地基等。
复合地基有以下两个基本特点:
加固区是由基体和增强体两部分组成的,是非均质的、各向异性的;在荷载作用下,基体和增强体共同承担荷载的作用。
2、地基处理排水固结法,四、地基条件与地基处理,根据排水固结原理发展起来的一类处理方法可有效地解决软土地层的沉降和稳定问题。
它是指利用排水固结原理,在软土地基内设置(有时不设置)竖向排水体,铺设水平排水垫层,并对地基施加固结压力或减小孔隙水压力对地基进行加固的一类方法。
排水固结法由加压系统和排水系统两个主要部分组成。
加压系统是为地基提供必要的固结压力而设置的,它使地基土层因产生附加压力而发生排水固结。
设置排水系统是为了改善地基原有的天然排水系统的边界条件,增加孔隙水排出路径,缩短排水距离,从而加速地基土的排水固结进程。
加压系统与排水系统是相互配合、相互影响的。
除了少数天然排水系统能满足要求的情况,排水固结加固地基一般均应设置这两个系统。
根据加压和排水两个系统的不同,派生多种排水固结方法。
2、地基处理几种地基处理新技术(真空预压),四、地基条件与地基处理,真空联合堆载预压是从简单堆载预压传统地基处理方法发展起来的。
具有加速固结、缩短工期、不控制填土速率、不需要预压土方等优点。
已广泛应用于高速公路建设,昆山试验效果较好。
真空管路,真空计,2、地基处理几种地基处理新技术(桩网结构),四、地基条件与地基处理,桩网复合结构是在地基处理过程中,下部土体得到竖向增强体“桩”的加强形成复合地基加固区,在桩顶得到水平向增强体“网”的加强形成复合地基加固区,使网桩土三者协同作用,整体共同承担上部荷载。
具有沉降变形小而且完成快、工后沉降较易控制、稳定性高、施工方便等优点,2、地基处理几种地基处理新技术(桩板技术方案刚架),四、地基条件与地基处理,桩板技术方案:
英国海底隧道连接线(CTRL)是一条连接伦敦和英法海底隧道的线路。
线路要穿越一个沼泽地区,地下土层性质很差。
几乎无法建设一条典型的回填轨道道床,所预计的沉降量非常大。
因此,铁路线路只能建立在一系列的板桩结构上。
1.软岩填料改良及工艺研究2.特殊过渡段形式及效果的研究3.低矮路堤结构动力特性研究4.无碴轨道路基技术条件、标准研究5.黄土路基结构形式、效果、黄土填料改良及相关工艺,五、客运专线路基工程需深入研究的问题,谢谢大家!
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