浅析软土地基地段动态设计的理念和方法

简要介绍了秦沈客运专线软土和松软地基处理方案和路基工后沉降量控制标准，通过秦沈客运专线动态设计实践，强调在高速铁路建设过程中开展动态设计的意义，并从沉降断面布置、设备选择、观测频度、数据处理方法、数据分析的基本原理和应用等方面，系统介绍动态设计的方法和步骤。

　　秦沈客运专线西起秦皇岛，东至沈阳，是我国铁路第一条时速160 km/h以上的新建客运专线，是铁路建设史上的标志性工程。工程项目在建设过程中引人了动态设计理念，该理念很好地指导了工程的建设，从而使地基工后沉降量的控制达到了预期目的。本文就该项目的动态设计做一介绍。

　　1路基工后沉降量控制标准

鉴于路基标准及施工状况对列车高速、平稳、舒适和安全的重要意义，秦沈客运专线对路基工后沉降量提出了严格的要求，一般地段要求不得大于15 cm(年沉降量不得大于4 cm )，路桥过渡段要求不得大于8 cm(年沉降量不得大于3 cm )。

　　2软土松软地基处理方案设计

秦沈客运专线东段，属辽河西部凌河冲积平原和辽河下游冲积平原，分布着总长度近120 km的软土和松软地基，这些软土和松软地基具有强度低、压缩性大、渗透系数小的特点，在路基本体达到一定密实度标准后，地基的沉降变形控制成为保证秦沈客运专线路基高标准的关键和重点。针对松软、软土地基的不同物理力学指标情况，设计分别采用排水固结法和复合地基法进行地基加固处理，部分地段还结合采用土工格栅(室)加筋垫层。当采取这些措施后，路基工后沉降量仍不能满足要求时，再结合采用堆载预压进行处理。

　　3开展动态设计的必要性

秦沈客运专线建设成败的主要标志是铁路运营后能否实现既定的速度目标值，能否实现速度目标值的关键在于路基的工后沉降量能否满足要求。作为我国铁路第一条时速160 km/h以上的新建客运专线，如何控制大范围软土和松软地基地段路基的沉降量，此前没有成功的经验可供借鉴，因此引人动态设计理念很有必要。引人动态设计可以达到2个目的:一是检校设计理论，由于自然条件的千差万别，计算理论的假定边界条件与实际情况往往存在差异，这将导致理想与现实的差异;二是指导施工，根据施工组织变化的需求，通过沉降分析调整预压土高度和预压期，调整设计路基抬高值。不论是哪个目的，其最终目的都是为了保证工程的高质量。

　　4开展动态设计的方法

　　4.1数据的采集

　　4.1.1观降断面的布设

在软土及松软地基地段设置观测沉降设备，设置的原则是每隔100-200 m设置一个观测断面，每个路基桥涵过渡段设置2个观测断面。

　　4. 1. 2观降设备的选择

可以选择的观降设备有沉降板、沉降水杯和沉降管等。采用沉降板观测沉降，操作简单，水准测量线路短，但容易受到施工车辆的干扰，尤其是在施工繁忙阶段，沉降板容易遭到破坏。如果将沉降水杯的进水、溢水和排气等三管置于路基非施工便道的一侧，进行水准测量时可不必上下路基，水准测量比较容易，但灌水和找稳定水面的时间较长，且在寒冷的冬季进行观测时三管容易上冻。采用沉降管观测的数据比较准确，还可以得到整个断面上各点的变形值，但仍需要配合进行水准测量，且水准路径长，管的造价很高。在工程实践中，应根据现场的实际情况和不同的施工组织要求，进行不同的选择。
　4. 1. 3测量仪器及精度的选择

由于最终的数据处理结果要控制在毫米级，所以现场观测水准应精确到0. 1 mm。根据不同等级水准测量精度及相应闭合差大小的对比，水准测量采用二等为宜。

　　4.1.4观测周期

施工期间一般每填筑一层，进行一次观测，如果2次填筑间隔时间较长，每3d至少观测一次。路堤经分层填筑达到预压高程后，在预压期前2一3个月-内，每Sd观测一次，3个月后7一15d观测一次，半年后一个月观测一次，一直观测到预压期末。

　　4. 2数据的处理

采用Excel软件，可以很方便地对现场采集的数据进行处理。根据时间，填土高度和沉降量，以时间为横坐标，纵轴上正方向以填土高度为坐标，负方向以沉降量为坐标，可以很方便地绘制实测“填土一时间一沉降量”关系曲线。在这个过程中，要注意将一些明显异常点剔除。

　　4. 3数据的分析

根据实测“填土一时间一沉降量”关系曲线，将其拟合成某个函数曲线，进而预测未来的发展趋势和最终沉降量。常用的拟合曲线有双曲线和指数曲线。

　　4. 3. 1双曲线法基本原理

如图1所示，将实测沉降曲线上拐点B以后的部分按照双曲线拟合延伸。

　　由公式(3)可见t’和t' /s’关于和a线性变化，这样，如果有一组足够多的数据，就可以通过线性回归的方法得到和a的值。
 

各时刻的拟合沉降值:;=so +s'

　　最终沉降量:一so+

　　4.3.2指数法基本原理

如图2所示，将实测沉降曲线上拐点B以后的部分按照指数曲线拟合延伸。

　公式(6)中In ( ds/dt)和t是变量，如果有一组足够多的数据，就可以通过线性回归的方法得到、二值，即为最终沉降量。各时刻的拟合沉降值由公式(5)给出。

　　4.3.3分析

前面介绍的是数据分析的基本原理，所考虑的上部荷载假定为一次加载。但高速铁路对路基本体的密实度要求很高，在填筑过程中严格限制了每层的层厚，所以地基的上部荷载是分级加载的。基于地基的沉降是各级荷载共同作用的结果，可以通过编制程序，将复杂的逐级加载问题交由计算机完成，进而拟合出较为理想的沉降曲线。
 

利用沉降曲线可以得到推算的总沉降量和工后沉降量，将其与计算结果进行对比，可以对未来沉降的发展趋势进行预测，进而达到指导施工的目的。

　　5工程示例

　　5.1工程概况

该段地基采用袋装砂井处理，袋装沙井深8m，间距1.2 m，直径7 cm，地表设砂垫层，厚0. 5 m，中间铺设一层土工隔栅。地基各层各项指标见表1。

　　5.2沉降估算

按照0. 2标准确定压缩层，即压缩层计算到附加应力与自重应力比不超过0. 2，由此确定压缩区为表1中前4层，按照分层总和法计算地基的总沉降量为53. 8 cm，工后沉降量为2. 5 cm .

　　5. 3动态设计

2001年下半年，部分单位对施工组织计划进行了调整，有个别地段将提前铺轨，根据这一变化，应有关方面的需求，设计对未来沉降的发展趋势进行了预测。当前实测沉降量为27. 9 mm，根据现场资料，采用修正指数法和修正双曲线法对观测数据进行拟合，推算出未来沉降值和工后沉降量。根据这一推算结果，工后沉降量可以满足提前铺轨的要求。

　　6结束语

秦沈客运专线软土地基地段动态设计实践，在高速铁路建设过程中，引人动态设计的理念，可以有效地检校设计理论，并对施工组织能进行有益的指导。