湿陷性黄土路基施工技术的研究究试制报告 36页

湿陷性黄土路基施工技术研究报告中铁十九局集团第一工程有限公司2011年5月n湿陷性黄土路基施工技术研究报告一、前言：以大西客运专线10标路基工程为研究对象，选择里程DK663+209.07～DK665+839.75段，共选取四个标志性断面，其中包括一般路基填筑断面、桥涵过渡段和特殊地基处理断面。在四个断面分别埋设沉降磁环、剖面沉降管；根据沉降监测频率规范制定适合的沉降观测方案，对不同施工阶段进行沉降监测，分析路基在不同施工阶段的沉降变化，同时了解地基的处理方法，特别是在过渡段和软土层较厚的路段。通过对湿陷性黄土路基的地基处理、填筑压实技术、施工监测和过渡段施工技术的研究和总结，积累工程施工经验。利用大型有限元分析软件MIDAS/GTS，根据路基设计图应用软件对路基进行建模，分析路基在相关施工方法下的沉降及受力。二、工程概况及项目立项情况大西客运专线10标路基工程，里程DK663+209.07～DK665+839.75，沿线出露地层主要有第四系全新统、上更新统为主，上部以第四系全新统冲积、上更新统冲湖积砂质黄土和黏质黄土为主，下部为第四系冲湖积粉质黏土、粉土、粉、细砂层。该标段大的构造单元为中朝准地台次级构造单元，隶属汾渭断陷带。该断陷带处于中朝准地台内的鄂尔多斯地块与秦岭褶皱带的过渡地段，发育有多处断裂构造。本标段区发现YD002地裂缝距线路约1.1km，YD003地裂缝距线路约4.2km，施工时应考虑对线路工程建筑的影响。沿线所经地区水文地质条件相对简单，主要分为地表水和地下水，地下水主要有第四系孔隙潜水、承压水二种类型。涑水河一级阶地区：地下水位主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于全新统冲积砂类土和黄土层中，地下水位埋深2～10m。黄河三级阶地区：地下水位主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于上更新统冲积砂类土中，地下水位埋深一般大于10m。沿线各河流地表水水质较好，对混凝土无侵蚀性。地下水对混凝土具硫酸盐侵蚀H1～H2；对钢筋具氯盐腐蚀性L1～L2。三、选择课题理由n通过对湿陷性黄土路基的地基处理、填筑压实技术施工监测和过渡段施工技术的研究和总结，获得并积累第一手的施工资料，探索客运专线湿陷性黄土路基施工技术，加深对高速铁路路基的理解，为我国客运专线铁路路基施工技术进行技术储备，同时也可为从事客运专线铁路路基设计、施工、维护的技术人员和专业研究人员提供一套较为完整的施工参考资料，为黄土路基高等级铁路的建设提供科学依据，而且也是当前实际工程中迫切需要的。四、国内外现状黄土是我国西北地区广泛分布的一种特殊土，在中西部地区的公路铁路建设中，黄土常常被用于路基填料和地基土。由于黄土特殊的工程性质，使黄土地区的公路铁路在修建和运营过程中，经常出现各种各样的地质灾害。造成黄土地区路基病害的原因是多方面的，如施工控制不当、填土压实不足、地基处理不合理等，因此，需要采取合理的措施改善黄土地区的公路铁路的修筑水平，预防和减少病害的发生。五、项目依据、目的和意义1、编制依据1.1邓学钧.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社.2008，266-2761.2李立寒，张南鹭.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社.2003，235-2561.3铁路路基施工规范[M].中国铁道出版社.20031.4王晓谋.基础工程[M].北京：人民交通出版社.2003，202-2371.5张伟.客运专线湿陷性黄土路基工程施工技术分析[J]，科技创新导报，2009，NO.29,601.6KrystynaKazimierowicz-Frankowska,＂GeotextilesandGeomembranes,＂Volume25,Issue6,December20071.7张恒荣.铁路湿陷性黄土路基基底处理措施[J]，科技信息，2601.8TheAsphaltInstitute,"AsphaltPavingOperation,"ManualSeriesNo.8,ThirdEdition1.9贾亮，徐国双.路基沉降监测中几种监测方法的应用[J]，北京测绘，2010年第3期，31-351.10孙燕明.湿陷性黄土路基处理方法及施工处理措施探讨[J]，公路运输文摘，2004年第2/3期北京，56-57n2项目研究的目的和意义大西客运专线10标路基工程施工过程中，合理施工方案，及有效的现场组织，有效解决了湿陷性黄土路基施工中的难题，既保证了在合同工期内顺利完成施工任务，同时为今后类似工程的施工积累了较为成熟的经验，具有较好的经济效益和社会效益。六、工程特点和难点大西客运专线10标路基，填筑形式基本分为四种，分别为路基填筑断面、桥涵过渡段、特殊地基处理断面及厚软土层断面，对不同的地段要采取不同的监测方法，在四个断面分别埋设沉降磁环、剖面沉降管；根据沉降监测频率规范制定适合的沉降观测方案，对不同施工阶段进行沉降监测，分析路基在不同施工阶段的沉降变化，同时了解地基的处理方法。七、研究过程1、研究内容选择大西客运专线DK663+209.07～DK665+839.75段作为研究对象，对不同里程的路基段进行相应的路基处理，包括施工工序及方法，对路基进行沉降检测，并利用Midas/GTS软件进行沉降预测分析。2、关键技术2.1.详细阐述研究路段的黄土路基处理的施工工序，并对其施工工艺也进行详细的描述；设计出黄土路基的处理方法，包括桥涵过渡带等特殊地段进行的特殊处理。2.2.选择几个沉降观测点，对其进行沉降观测，严格按照路基的沉降观测规范观测在路基填筑过程中的路基沉降。2.3.利用大型有限元软件MIDAS/GTS建立模型进行沉降的仿真模拟，得出路基段的沉降情况。3、技术路线参考以往湿陷性黄土路基施工的一些方法，借鉴以往的成功经验，结合本工程的实际特点，针对性的制定施工方案。经过后期技术人员整理总结分析，形成一份综合的技术研究报告。n4、项目的创新点大型有限元分析软件MIDAS/GTS在工程中的应用，对路基的具体结构创建模型，分析路基的沉降状况，从而更加合理的制定施工方案，这是本项目的最大亮点，也是一项新的尝试。八、项目研究计划及进展情况2010年度进行理论准备和各项资料的搜集工作，了解国内外湿陷性黄土路基施工的情况及施工工艺的特点；2011年进入实质研究阶段对各种可行性方案进行比选，对各种材料进行试验研究进而总结出成熟的施工技术和工艺。九、湿陷性黄土路基施工技术的研究1、路基施工段的施工方法1.1路基填筑1.1.1施工方法本段路基土石方填筑按四区段，八流程，采用分层填筑机械化循环流水作业。根据桥涵构造物位置和机械的生产能力及具体的地形情况划分施工作业区，长度一般为20～50m。1.1.2施工工艺1.1.2.1基底处理1）地基表层应按规定并结合施工情况，对全幅范围内的原地面松土、有机土、树根、草皮杂物等应全部清除。2）地面横坡大于1：5时，应开挖台阶，台阶宽度不小于1m，对基岩面上较薄的覆盖层，先清除覆盖层再挖台阶路基土。3）当地面横坡缓于1：5时，可清除表土碾压，达到基底允许承载力标准后，直接进行路堤填筑。基岩面上的路堤可直接填筑在天然坡面上。4）路堤高度小于2.5m的地段，测试基床底层厚度范围内天然地基土的静力触探比贯入阻力Ps值，其测试值Ps≥1.5Mpa时，可直接清理后平整填筑，小于时，采取换填0.5m厚渗水土或礁压至基床土压实标准，再填筑路基底层。当松软土地基厚度大于2m时按松软土路基处理。n5）对于路堤高度大于2.5m时，先慢后快，先静压后振动压的操作程序进行碾压，各区段交接处应互相重叠，压实纵向搭接长度大于2米，沿线路方面行与行之间压实重叠应大于0.4米。6）对路堤基底有松土或耕植土的原地面，松土厚度小于0.3米时采用碾压密实，若松土厚度大于0.3米时采用翻挖松土并分层回填压实，其承载力应大于0.15MPa。1.1.2.2分层填筑路基填筑采取横断面全宽，纵向水平分层填筑方式，填上时，根据填土高度及由试验段确定的分层厚度及压实参数，具体确定计划分层数、压路机走行速度、碾压遍数。当原地面高低不平时，先从最低处开始分层填筑，大致找平后，再按上述要求施工。为保证路肩部位压实效果，路基两侧边坡各超填0.5m，路基压实合格后刷坡整平。路基填筑AB料1.1.2.3摊铺平整路基填筑区段完成一层卸土后，先用推土机进行粗平，再用平地机进行精平，并按照规定做成人字坡，使摊铺面在纵向和横向上平顺均匀，并能有效防止积存雨水浸泡路基。在摊铺的同时，对路基进行初步压实，以保证压路机压到路肩时不致发生滑坡。1.1.2.4机械碾压路基的压实在填土层的松铺厚度、含水量及平整度符合要求后进行。粗粒土采用重型压路机，细粒土采用振动压路机进行。碾压时遵循先两侧后中间，先慢后快，先轻后重的原则。每层压实厚度一般不宜大于30cm。1.2基床表层级配碎石施工n1.2.1施工工艺基床表层级配碎石厚40cm，分2层填筑。级配碎石采用厂拌，自卸汽车运至施工现场，摊铺机摊铺，重型压路机进行压实。级配碎石表层按“四区段”、“六流程”的施工工艺进行施工。“四区段”即验收基床底层区段、搅拌运输区段、摊铺碾压区段和检测修整区段；“六流程”即拌合、运输、摊铺、碾压、检测试验、修整养护。基表层级配碎石施工工艺框图见图3-7：验收底层区段拌合运输区段摊铺碾压区段检测修整区段测量放样检验检测试验拌合运输摊铺碾压修整养护修整基床底层图3-7基表层级配碎石施工工艺框图1.2.2施工方法1.2.2.1拌合在正式拌制混合料之前，先调试设备，分两步进行混合料试拌。不加水进行混合料试拌，对拌合的混合料进行筛分检测，调整拌合设备，使其混合料颗粒符合规定要求，当原材料发生变化时，重新调试拌合设备。混合料级配符合规定后，加水进行试拌，测定含水量，拌合后的混合料含水量，视天气情况而定，如果气温较高应比最佳含水量高1%-2%，以补充混合料在运输和摊铺过程中的水分散失。1.2.2.2混合料运输混合料运输采用自卸汽车，自卸汽车尽量用同一种型号。混合料装车时，控制每车料的数量基本相等。由于级配碎石材料的特殊性，容易在装料、运输和卸料过程中产生粗细料离析，因此，在装料时，拌合机出料口距车箱保持尽可能小的高度。n1.2.2.3摊铺整形底层摊铺采用平地机进行，顶层采用摊铺机进行摊铺。采用平地机摊铺时，必须在路基上采用方格网控制填料量，方格网纵向桩距不宜大于10m，横向应分别在路基两侧及路基中心设方格网桩。摊铺时，经常检查控高钢丝和调整传感器，防止标示桩移位；保持整平板前的混合料高度不变，螺旋分料器80%的时间在工作状态，防止粒料离析。减少停机、开机次数，避免运料车碰撞摊铺机，设专人指挥卸料，在摊铺机料仓还余半仓料时，运输车及时缓缓接上仓，慢速将料卸入料仓，卸完后立即开走。1.2.2.4碾压整形后，当表面尚处于湿润状态时立即进行碾压。如表面水分蒸发较多，明显干燥失水，应在其表面喷洒适量水分，再进行碾压。用平地机摊铺时，应用轮胎压路机快速碾压一遍，暴露的潜在不平整再用平地机整平和整形。碾压时严格按试验段确定的碾压工艺、速度、遍数进行碾压。先静压、后弱振、再强振，最后静压收工。直线地段由两侧路肩向中心碾压，曲线地段由内侧路肩向外侧路肩碾压。沿线路纵向行与行间重叠压实不小于40cm，各区段交接处，纵向搭接长度不小于2m，上下两层填筑接头应错开不小于3m。1.2.2.5接缝处理1）混合料全断面摊铺不留纵向接缝。2）同日施工的两个工作段的衔接，从整形到碾压都进行搭接施工，搭接长度控制在一个桩位长度。3）每天施工最后一段时，在整形结束后，人工将末端修齐，放置与施工层压实厚度相同的方木，第二天施工时，去除方木将下层清扫干净。4）用摊铺机摊铺混合料时，当天未压实的混合料，可与第二天摊铺的混合料一起碾压，但应注意此部分混合料的含水量，必要时，可人工补洒水，使其含水量达到规定要求。1.2.2.6检测试验级配碎石的压实标准采用孔隙率n、地基系数K30、动态变形模量Evdn三项指标控制。碾压完的路基，按规定的频次测定各项指标，符合要求后进行第二层施工。1.2.2.7修整养护当基床表层施工完后，进行表面整修，测定路基的中线、边线、标高，人工修整路拱，挂线整平。养护期间禁止任何车辆、机械行驶，防止扰动级配碎石。1.3过渡段施工根据设计要求，各种过渡段填筑需与路基填筑同步进行。1.3.1施工工艺流程基坑清理基坑浇筑素混凝土施工测量填筑基床级配碎石台背后基坑修整下一道工序台背基坑浇注混凝土图3-8路与桥台过渡段施工工艺流程图1.3.2施工方法1.3.2.1桥路过渡段基坑清理：对基坑进行清理，做到基坑底部平整、密实、无先期施工中所产生的垃圾及松土（杂土）等。浇筑素混凝土：进行一次连续浇筑素混凝土，混凝土浇筑严格遵照混凝土施工操作规程。混凝土施工完成后做好养护工作。施工测量：根据设计台背后基坑在路基侧的坡度以及基坑高度，测设需要留置的基坑上顶宽度。基床范围内级配碎石施工：根据测量放线，对台背预留基坑以外的5m长的基床范围（底层和表层）内填筑级配碎石。填筑完成后按台背基坑坡比进行刷坡。台背基坑休整：根据设计台背基坑尺寸，对台背基坑进行休整。台背基坑浇注混凝土：在修整好的基坑内分层浇注混凝土，其强度按设计施工。1）工艺试验n室内试验：对选择使用的级配碎石（颗粒级配、洛杉矶磨耗率、硫酸钠浸泡损失率、粒径小于0.5mm的细集料的液塑限）等进行室内试验。现场试验：根据现场情况选定一个桥台进行现场试验，并进行现场检测，从而确定合适的施工机械、松铺厚度、碾压遍数、最佳含水量等。2）现场施工工序及质量控制基底处理：对地基进行夯实，清除表面浮土后，采用重型动力触探进行现场检测，直到符合设计为止。级配碎石的拌合及质量控制：各级料严格按室内配比进行掺入，含水量通过计算加以控制，以每天填筑用料为一验收批进行级配和含水量检测（拌合料含水量控制在Wop-1～Wop＋2之间，并根据施工时的天气进行调整，确保碾压前含水量接近最佳含水量），直到满足要求为止。3）级配碎石运输：级配碎石运输采用自卸汽车运输，为了在运输中防止水分散发，在汽车上部用彩条布进行覆盖。4）级配碎石摊铺和整平：摊铺前在结构物墙身的左、中、右用红漆标出分层松铺厚度和填层序号（厚度由现场试验确定），并注意横坡的要求，底部前两层因宽度较小，填料量少，可用人工进行铺开，以后采用推土机粗平，人工配合平地机进行精平，确保层厚和拌合料的均匀性（注意局部因卸料及平整过程中造成的拌合料离析）。5）碾压：每层均采用压路机、小型冲击夯组合进行压实，压实遍数由现场试验确定。碾压时横向进行，对于靠近墙身部位机械不能到位的地方用小型冲击夯分二层进行碾压，其松铺厚度控制在10～15ｃｍ内，并在其它部位碾压前先填一层，然后与其它部位一起填筑第二层。6）填筑注意事项：填筑过程中要密切注意桥台的稳定性。7）检测方式与要求检测方式：过渡段级配碎石均采用地基系数K30、动态变形模量Evd、孔隙率n三指标控制。检测频率：孔隙率检测在填层中部取一个点，距级配碎石两侧边缘１ｍ各取一个点，在压实层下2/3处取样，每个检测点做2次平行测定，两次相差不大于0.02g/cm3n时，取其平均值，每层设１个断面；强度检测在中部一个点，距路基两侧填筑边缘2ｍ各一个点，按左、中、右均匀分布，每层设一个断面。1.3.2.2路基与横向结构物过渡段图3-9路基与横向构筑物过渡段示意图基坑清理：对基坑进行清理，做到基坑底部无先期施工中所产生的垃圾及松土（杂土）。浇筑素砼：进行一次连续浇筑素砼（素砼强度以施工图设计为准），砼浇筑严格遵照砼施工操作规程。砼施工完成后做好养护工作。施工测量：首先对其路基中线进行定位，对其标高进行精确测量并计算出过渡段所要填筑的实际高度，以此为依据并同时参照设计图上的相关数据，对其同一水平填筑层的不同填料所填筑范围进行详细计算，并进行实际测量放样。分层填筑：拌和好的级配碎石或级配砂砾石要尽快运到铺筑现场，由横向向路基方向、由中心线向路基两侧按顺序依次进行填料的填筑工作。每层填料的松铺厚度以预先试验所得数据为准。平整碾压：对摊铺的级配碎石遵循“先两侧后中央，先静压后振压，时速2km/h，作业面不调头不转弯”的原则进行全断面碾压，人工处理坑洼和集料窝。填筑的级配碎石在碾压作业时，如表面水分已蒸发干燥，必须在静压后适量洒水湿润表面，再振动碾压。碾压时，压路机轮迹重叠1/3，并保证边缘及加宽部分压实到位，压路机不易到达的部位，采用冲击夯进行局部处理。1.3.2.3复合土工膜n施工方法如下：铺设前，应先测定基底情况，铺设底面进行整平，确保无突起和尖锐物，然后在平整的底层上铺设，铺设宽度应符合设计要求，铺设时应将复合土工膜拉直，表面应平顺，无凹凸现象，且搭接宽度符合设计要求，然后采用防水胶进行粘接，符合要求后进行下道工序施工，复合土工膜铺设后、未填筑填料覆盖前，严禁闲杂人员和各类机械直接在顶面行走，待覆盖后采用轻型碾压机械压实，覆盖层厚度大于0.6m后，方能用重型机械压实。1.3.2.4土工格栅施工土工格栅施工工艺流程：施工准备→地表处理或路基压实→检验合格→铺设土工格栅→填筑A、B组填料并压实→检验验收。土工格栅采用双向拉伸型，抗拉强度不小于25KN/m（碎石垫层中要求抗拉强度不小于50KN/m，软土地基要求抗拉强度不小于80KN/m）。使用前按一定比例送样进行纵向抗拉强度和延伸率试验。材料进场后，应存放在遮阳通风处，避免因过强紫外线照射导致材料老化，强度损失。清理好的地基或路基经检验合格后，方可铺设土工格栅，土工格栅铺设时要求平整拉直，强度大的方向垂直线路方向，沿线路纵向土工格栅搭接长度≥0.3，并每隔1.5～2.0m用扎丝捆牢，且上下层错缝0.5m。沿线路横向采用整幅，不宜有接口，当需要接长土工格栅时接口不得超过两处，搭接宽度≥0.5m，采用塑料棒或防锈处理后的钢筋穿别两道进行连接，保证连接强度不小于材料强度。1.4路基排水系统施工水是形成路基病害的主要因素之一，路基强度和稳定性同水的关系十分密切。本段路基排水设计主要分两部分：一是无碴轨道间排水设施，二是路基面排水设施。两者在施工时必须衔接好。路基无碴轨道间排水设施主要采用集水井，通过横向排水管排水；路基面排水为侧沟、天沟、坡面排水渗沟等，本段路基设计天沟为预制砼构件砌筑，侧沟采用C20钢筋混凝土现浇。1.4.1路基临时排水系统n路基施工前应在全区段内完成临时排水系统施工，纵横向排水沟应有足够的过水能力，并且互相衔接良好，考虑到临时排水系统的临时性，其结构为在设计的永久性排水设施处，开挖沟槽，此沟槽断面尺寸要稍小于设计尺寸，临时排水沟纵向要留一定的坡度，保证雨水能够顺利汇入排水口处，并排入河中，路基填筑时亦应做好横向临时排水，每层填筑面要保持2～4%的人字坡。1.4.2无碴轨道间排水根据图纸设计要求，附属工程施工应不扰动路基本体，结合施工现场实际情况，路基主体施工至排水井底面时，采用填砂方法按设计要求的结构尺寸予留。填料整平后测量放样确定排水井位置结构尺寸，人工掏槽并填入中粗砂，人工整平砂槽保证线形、结构尺寸满足设计要求后进行碾压施工，人工随时修整沟槽线形，碾压结束后精确修整沟槽，下层施工与填料同步填筑，每填筑三层测量检测一次，保证位置、结构尺寸满足设计要求。路基基床底层填至排水井底标高时，在横向PVC排水管设置位置处埋入PVC管。基床表层施工结束后进行集水井浇筑施工。1.4.3路基面排水设施路基面排水设施主要分为横向排水设施及纵向排水设施，横向排水设施为坡面排水槽，纵向排水设施为路堤排水沟、路堑边沟及天沟。路堤排水沟应在路堤填筑一定高度后同步进行，纵向分段施工。路堤横向坡面排水应同路基防护施工同步进行，且与防护工程衔接好，路堑天沟应在路堑开挖前先行施工，边沟在路堑开挖结束后施工。n2.路基的沉降监测方案客运专线无碴轨道对路基、桥涵、隧道等线下工程的工后沉降要求严格、标准高，设计中对土质路基、桥涵墩台基础等均进行了沉降变形计算，采取了相应的设计措施。而影响沉降计算的因素较多，沉降计算的精度不足以控制无碴轨道工后沉降。施工期必须按设计要求进行系统的沉降变形动态观测。通过对沉降观测数据系统综合分析评估，验证或调整设计措施，使路基、桥涵、隧道工程达到规定的变形控制要求。分析、推算出最终沉降量和工后沉降，合理确定无碴轨道开始铺设时间，确保客运专线无碴轨道结构铺设质量。2.1主要仪器设备及观测内容2.1.1仪器设备根据工程需要，除特定的电子元件外，应配备的用于沉降变形观测的主要仪器设备见表4-1：表4-1沉降观测主要仪器设备序号名称单位数量备注1光学水准仪套12钢尺沉降仪台1测沉降磁环3滑动式测斜仪套1测剖面沉降管4笔记本电脑台2数据整理2.1.2观测内容2.1.2.1路基：根据不同的路基高度和地基条件，路基沉降观测的主要内容有：路基面的沉降变形观测；路基基底沉降观测；路基本体的沉降观测。2.1.2.2过渡段：根据过渡段的设计形式，沉降观测的主要内容有：路桥过渡段沉降观测；路堤与涵洞过渡段沉降观测；路堤与路堑过渡段沉降观测。2.2沉降变形观测网的建立2.2.1沉降变形观网的基本要求n沉降变形观测测量按《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》、《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》的要求执行。水平位移观测网采用独立坐标系统按观测精度要求建立；垂直位移观测网采用二等水准测量精度要求建立。建立沉降变形观测网，布设水准基点和工作基点。高程应用施工高程控制网系统并与施工高程控制网联测。全线二等水准测量贯通后，将垂直位移观测网与二等水准点联测，统一归化为二等水准基点上。水平位移观测网与CPⅠ或CPⅡ控制点联测，引入客运专线无碴轨道铁路工程测量平面坐标系统，实现与施工平面控制网坐标的相互转换。每次观测前，对所使用的仪器和设备进行检查并作出详细记录。每次测量应采用同一仪器，固定观测人员，采用相同的观测路线和观测方法，在基本相同的环境和观测条件下工作。2.2.2观测水准基点、工作基点的布设2.2.2.1观测水准基点的布设在沿线已有水准基点的基础上，设置观测水准点。每个独立观测网应设置不少于3个基准点。2.2.2.2工作基点的布设为满足沉降变形观测精度要求，在两水准基点之间沿线路方向按间距不大于100m、距路基中心距离小于100m布设工作基点。工作基点布设在不受施工干扰的稳定土层内，以便长期保存和使用的地点，对观测条件较好或观测项目较少的工程，不设立工作基点，在基准点上直接测量变形观测点。工作基点采用混凝土预制桩（预制时插入Ф28mm长60cm顶端圆滑的钢筋），桩周上部30cm用混凝土浇注固定并编号，埋深不得小于2.0m（本管段冻土层厚度1.6m），并应采取防护措施加以保护。2.2.2.3工作基点的校核观测网中，工作基点应定期与水准基点进行校核。当对沉降观测成果发生怀疑时，应随时进行复测校核。2.3沉降变形观测方案2.3.1路基沉降变形观测2.3.1.1观测断面及观测点的设置原则n1）路基沉降观测应以路基面沉降和地基沉降观测为主。沉降变形观测断面应根据不同的地基条件，不同的结构部位等具体情况设置；测点的设置位置应满足设计要求，同时还应针对施工掌握的地质地形等情况调整或增设。2）观测点应设在同一横断面上，这样有利于观测点的看护，便于集中观测，统一观测频率，更重要的是便于各观测数据的综合分析。3）路基面观测断面沿线路方向的间距一般不大于50m；地势平坦、地基条件均匀良好的路堑、高度小5m的路堤可放宽到100m；地形条件变化较大地段应适当加密观测断面。4）一般路基填筑至路基基床表层顶面，加堆载预压的路堤填筑至基床底层表面后，在路基面设观测桩，进行路基面沉降观测，观测时间不少于6个月。根据观测结果，分析评价地基的最终沉降量完成时间，及时调整设计措施使地基处理达到预定的控制要求。5）测点及观测元器件的埋设位置应符合设计要求，且标设准确、埋设稳定。观测期间应对观测点采取有效的保护措施，防止施工机械的碰撞，人为因素的破坏，务必使观测工作能善始善终，取得满意成果。2.3.1.2观测断面及点的设置、元件布设观测断面的设置及观测断面的观测内容、元件的布设应根据地形、地质条件、地基压缩层厚度、路堤高度、地基处理方法、堆载预压等具体情况，结合沉降观测方法和工期要求具体确定。2.3.1.3沉降观测元件的选取、埋设1）观测元件的选取观测元件应满足工后沉降的评估需要及精度要求。路基面采用观测桩观测，地基面采用沉降板相结合进行观测。2）观测元件的埋设观测元件除沉降观测桩外，均应在地基加固完成后，路基填筑施工前埋设。a、沉降观测桩采用100mm×100mm×n1100mm规格的C15混凝土预制桩，埋入钢筋原长不小于40cm，直径不小于20mm，底部做成带弯钩状，露出混凝土面5mm打磨成半球状表面作好防锈处理。一般路基填筑至基床表层顶面，加载预压路堤填筑到基床底层顶面后，挖坑埋置于设计位置，采用砂浆浇筑固定。路基面观测桩一般设在距左右线路中心5.2m基床底层顶面；路堤地段位移桩埋设于堤脚外1m处（按设计图施做）。采用水准仪按国家二等水准测量方法测量沉降监测桩标高变化。b、沉降板由底钢板（50cm×50cm，厚1cm）、金属测杆（φ40mm厚壁镀锌铁管）及保护套管（直径不小于φ75mm、壁厚不小于4mm的硬PVC管）组成。沉降板埋设位置应按设计测量确定，沉降板埋在褥垫层顶部并嵌入其内10cm，采用中粗砂回填密实，再套上保护套管，保护套管略低于沉降板测杆，上口加盖封住管口，并在其周围填筑相应填料稳定保护套管，完成沉降板的埋设工作。样图见图5-1。图4-1沉降板大样图采用水准仪按国家二等水准测量方法测量埋设就位的沉降板测量杆顶标高作为初始读数，随着路基填筑施工逐渐接高沉降板测杆和保护套管，每次接长高度为1m，接长前后测量杆顶标高变化量确定接高量。金属测杆用内接头连接，保护套管用PVC管外接头连接。nc、沉降磁环沉降磁环的埋设主要是需要磁环和PVC分层沉降管，埋设时需要钻孔，孔径大小不大于20cm，钻孔即将完成时组织人员及时进行分层沉降管及磁环的组装，磁环须根据地质情况进行定位，一般安设在地质大层分层位置。底盖必须盖牢，且在必要时应加以保护，以免下管过程中受到破坏，并防止在观测后期管底得土进入管中，影响观测。图4-3分层沉降管的保护图4-2埋设沉降磁环在钻孔钻至预定埋设深度后检查孔内地质情况：如孔底较为干燥时即可将已组装好的分层沉降管及磁环迅速下至孔底，下至孔底后应在分层沉降管顶做垂直承压，以防分层沉降管松动或反弹；如孔底地下水活跃，涌砂等情况时，钻孔深度应大于预埋深度30cm～50cm，且在下管前须将孔内地下水抽空，抽空地下水后立即将分层沉降管及磁环下至预埋深度。工程应用中分层沉降管的保护也很重要，路面施工复杂，难免会发生刮蹭。一旦发生破坏，首先要将断口封好，以免杂物掉入分层沉降管内，致使探头无法下放。处理时只需将上下断口锯平，用专用的接头对接即可。d、剖面沉降剖面沉降的观测需要埋设剖面沉降管（PVC管），在路基填筑到一定高度时，需要在路基横向挖出一个水平沟槽，将剖面管连接，在接管时要注意管内的十字槽，要确保十字槽一直保持竖向和水平，这样可以减少测量误差，同时在接管时必须要在管内传入一根钢丝线，用于拉动测量探头。管线埋设完成后，要在管线两头分别设立一个沉降基准点，浇筑一个混凝土保护台。n图4-4剖面沉降管4、监测方法及要求1）观测频度要求a、所有元件埋设后，必须测试初始读数，在路堤正式填筑前，必须对所有元件进行复测，作为正式初始读数。b、路基施工各阶段沉降观测频次应满足表5-2要求：表4-2各阶段沉降观测频次观测阶段观测频次填筑或堆载一般1次/天沉降量突变2～3次/天两次填筑间隔时间较长1次/3天堆载预压或路基施工完毕第1个月1次/周第2、3个月1次/10天3个月以后1次/2周6个月以后1次/月冬季：冻结期与冻融期观测频次比平常期增加一倍无碴轨道铺设后第1个月1次/2周第2、3个月1次/月3～12个月1次/3月c、测试过程中发现异常情况时，必须及时查明原因，尽快妥善处理。n2）观测方法及测量精度要求所有标高水准测量应满足二等变形等级测量技术要求，按国家一等精密水准测量方法施测，前后视距不大于30m。测量精度：±1mm，读数取位至0.1mm。3）元件保护要求a、元件埋设前应根据现场情况以及元件自身编号作好记录。b、所有监测元件埋设时或监测过程中损坏应及时补埋。c、沉降板埋设后，制作相应的标示旗或保护架插在上方，凡沉降板和沉降磁环附近一米范围内土方应采用人工摊平及小型机具碾压，不得采用大型机械推土及碾压，并配备专人负责指导，以确保沉降板不受损坏。2.3.2桥涵沉降变形观测2.3.2.1一般要求1）桥梁变形观测应以墩台基础的沉降和预应力混凝土连续梁的徐变上拱变形为主，涵洞除应进行自身的沉降观测外，尚应进行洞顶填土的沉降观测。2）桥梁变形观测应逐跨、逐墩（台）布置测点，涵洞应逐个布置。岩石地基、嵌岩桩基础的桥涵可选择典型墩（台）、涵进行观测。对原材料变化不大，预制工艺稳定、大批量生产的预应力混凝土预制梁，徐变的变形观测可每30孔选择1孔进行；现浇桥梁变形观测应逐跨、逐墩（台）布置测点，涵洞应逐个布置。3）桥涵主体工程完工后，沉降观测期一般不应少于6个月；岩石地基等良好地质区段的桥梁，沉降观测期不应少于60天，观测数据不足或工后沉降评估不能满足设计要求时，应适当延长观测期。2.3.2.2观测点的布置1）墩台沉降观测点可在墩顶、墩身或承台上布置，每个墩台的观测点总数不应少于4个，一般在墩、台、或承台四个角处。2）预应力混凝土梁徐变上拱变形观测点设置在箱梁四个支点和跨中截面两侧腹板梁顶处，每孔梁的测点数应不少于6个。3）涵洞沉降观测点设在涵洞边墙两侧帽石上，每个涵洞测点数4个。4）桥涵变形观测点埋设按照设计图施做，观测点钢筋头为半球形，高出埋设表面n5mm，表面做好防锈处理。2.3.2.3观测精度桥涵基础沉降和梁体徐变变形观测精度为±1mm，读数取位至0.1mm。2.3.2.4观测频次：见表4-3、表4-4。表4-3墩台沉降观测频次注：观测墩台沉降时，应同时记录结构荷载状态、环境温度及天气日照情况。表4-4涵洞沉降观测频次n注：测试涵洞沉降时，应同时记录结构荷载状态、环境温度及天气日照情况。2.3.3过渡段沉降观测2.3.3.1过渡段沉降观测应以路基面沉降和不均匀沉降观测为主，沉降观测期与路基相同，不少于6个月。2.3.3.2分别在路桥、路涵、路隧过渡段的结构物起点、距结构物起点5～10m处、20～30m处、50m处各设一个观测断面。剖面沉降沿线路斜向对角线连续布置沉降管，并在沉降管口设置沉降观测桩。2.3.3.3路堤和路堑过渡段在分界处设路基面观测断面，每观测断面设3个观测桩。2.3.3.4沉降观测水准的测量精度不低于1mm，读数取位至0.1mm。2.3.3.5沉降观测的频次按路基沉降观测频次进行。当环境条件发生变化或数据异常时应及时观测。2.4观测资料的整理2.4.1资料整理要求2.4.1.1所有测试数据应真实、可靠，并有可追溯性；记录必须清晰，不得擦改；测试、记录人员必须签名。2.4.1.2人工测试数据应当天及时输入电脑，核对无误后在计算机内保存，自动采集测试数据应及时在计算机内备份。2.4.1.n3按照资料提交要求及时对测试数据进行整理、分析、汇总，绘制有关分析曲线及完成有关报告。2.4.1.4路基填筑过程中应及时整理中心沉降监测点的沉降量，当路堤中心地基处沉降观测点沉降量大于10mm/天时，应及时上报，并停止填筑施工，待沉降稳定后再恢复填筑。2.4.2提交资料沉降观测资料的内容：工点沉降观测断面、点布置表；沉降板观测资料汇总表；路基面沉降观测资料汇总；剖面沉降管测试资料汇总表；路堤施工过程和完成后填土高h—时间t—沉降s曲线格式；路基面沉降时间t—沉降s曲线格式；桥梁墩台沉降观测汇总表；涵洞沉降观测汇总表。2.5沉降数据分析路基沉降需要经过一个较长的过程，在施加荷载的初期，沉降速率由小到大，随着时间增长，沉降的速度由大变小，沉降过程趋于稳定。填土高度不同的路基，沉降曲线的斜率不同。沉降速率越大，沉降稳定需要的时间越长。但当路堤达到设计高度后，其沉降可以某种曲线方程描述。路基沉降在荷载保持稳定条件下的地基沉降可用下列两种曲线来拟合：双曲线S（t）=S∞(1-e-a.t)指数曲线：S(t)=－S0=a[1-e]利用这些曲线方程可以计算任一时刻t(t≥t0)沉降量St，沉降速率St以及沉降速率变化率S〃t，当t→∞时，利用极限方程可以推算出最终地基沉降量S∞。其中t0为荷载稳定之后的某一时刻。2.5.1绘制沉降曲线路基施工至设计预压标高后，持续监测不少于6个月，将监测数据分剖面绘制成“时间—填土高—沉降量”曲线，如图5-5所示。再按实际沉降推算法推算总沉降量、工后沉降值及后期的沉降速率，根据分析结果并结合工期要求，验证设计、调整措施使沉降满足施工控制要求。n图4-5时间—填土高—沉降量曲线剖面沉降的沉降曲线直接将测得的数据输入电脑，应用相关软件对沉降曲线进行描绘。图4-6就是将7天观测的沉降数据全部绘制，进行比较，分析沉降变化。图4-6剖面沉降累计偏移趋势图由图4-6可看出存在沉降变化较明显的阶段，在此观测沉降期间有一次路基填筑过程，使得沉降曲线有明显变化。2.5.2沉降推算方法利用实测数据推算最终沉降量的，常用方法有，双曲线法、三点法（对数曲线法）、沉降速率法、星野法（指数曲线法）及修正有双曲线法等。根据现有的研究成果，推算方法与实际沉降对比，积累经验较多的推算方法主要有双曲线法和沉降速率法。2.5.3沉降推算n1、推算总沉降量和不同时期的沉降，宜采用双曲线法和指数曲线法。1）指数曲线法a、推算最终沉降量的公式为：S∞=St3（St2-St1）-St2（St3-St2）/（St2-St1）-（St3-St2）b、推算任意时刻沉降量的公式为：St=S∞[1-Ae-Bt]+SdAe-Bt，式中：B=1/(t2-t1)×ln(St2-St1)/(St3-St2)，Sd=St1-S∞[1-Aexp(-Bt1)]/Aexp(-Bt1)，A=8/π22）双曲线法a、推算最终沉降量的公式为：S∞=(t2-t1)/[(t2/St2)-(t1/St1)]×xb、推算任意时刻沉降量的公式为：St=t/(a+t)×S∞，a=t2/St1×S∞-t11、沉降速率法根据实际的监测数据计算，确定地基沉降速率，公式为：v==通过沉降速率的推算，便可计算出满足工后沉降所需的预压时间t时刻对应的沉降速率，以此作为控制路基沉降稳定与否的依据。2.5.4沉降分析评估的内容与要求根据监测数据推算沉降，推算的准确性必须经过评估。系统的分析评估目前主要有以下三部分内容：2.5.4.1监测数据和趋势确定的检验检验监测数据与拟合的沉降双曲线之间趋势的符合性。当两者之间的相关关系r，满足相关系数r2≥0.85时为“优”。2.5.4.2预测稳定性检验根据监测数据和拟合的沉降曲线，推算一定时期（一般为6个月）后的沉降。推算前先进行预测分析。方法是，以预压期前2个月监测数据为基础，以后逐步预测下个月的沉降，预测期限为预压期第6个月的沉降，通过对预测沉降与实际监测结果比较时间，当偏差≤8mm时，认为预测的稳定性达到了“优”，并以此作为工后沉降及总沉降量推算的初步依据。2.5.4.3预测准确性的要求当预测的时间满足条件S（t）/S（t=∞）≥75%时，预测才是准确的。n2.5.5沉降分析评估结果的意义对路基沉降监测的评估，既是对监测数据与拟合沉降曲线趋势的符合性及沉降预测稳定性的检验，也是对沉降预测准确性的要求。分析评估的三部分内容都来自于实际的监测数据，只是分析评估的角度有所不同，三者之间有着紧密的内在联系。只有当分析评估结果都能满足上述要求时，才达到变形监测的目的，进而可以对路基沉降的稳定性得出准确的结论，路基的沉降变形是可控的。否则，视变形发展的情况，采取必要的措施进行处理，同时持续进行监测，直至工后沉降达到设计的控制要求。3.利用Midas/GTS进行沉降模拟分析3.1路基模型建模3.1.1属性及参数设置根据大西客运专线路基段的设计图建立相应尺寸的路基三维模型图。并且根据现场试验和实验室试验确定路基填筑材料的各类属性参数，赋予材料属性，路基建模需要的材料的各类属性值见表6-1。表5-1材料属性值网格组软岩1#水泥改良土2#水泥改良土类型MCMCMC弹性模量12000025002500泊松比0.280.280.30容重（Y）2.222.2容重（饱和）2.222.2粘聚力（C）1021.8摩擦角373028抗拉强度2002002003.1.2生成三维几何模型及网格划分建立三维模型如图5-1。n图5-1三维网格模型这个模型有自重和回填土体上部的均匀分布的受压荷载。而后施加边界条件，根据施工方案定义施工阶段，然后根据施工阶段对模型进行了分析。3.2查看分析结果为了清晰的显示图形结果建议在建模的过程中不显示使用的信息，为此将边界、荷载、几何以及基准轴和工作面都隐藏起来。3.2.1位移云图3.2.1.1X方向的位移DX方向位移在各个施工阶段的变化趋势见图5-2～图5-6。图5-2阶段#1未填筑回填土的X方向位移云图n在“阶段#1”里，设定的有三层岩土，最底层的软岩，其上的3%水泥改良土，其土层厚度为2m，最上面是5%水泥改良土，土层厚度是1m。图5-5是在这阶段的位移云图，可以看出在此阶段模型没有X方向的位移改变。图5-3阶段#2填筑上第一层回填土的X方向位移云图图5-6是在水泥改良土层上填筑第一层回填土后X方向的位移云图，由图可知，在路基回填土两侧发生了相对较大的位移变化，右侧的位移方向是向右，左侧的位移方向是向左。最大位移值为0.38mm。图5-4阶段#3填筑第二层回填土第二层回填土填筑之后，位移最大值的发生部位基本没变，且路基中心线所在的竖直平面上的位移值很小，最大位移值变化为1.32mm。n图5-5阶段#4填筑第三层回填土图6-18是第三层回填土填筑之后X方向的位移云图，从三层回填土填筑的过程中可以对比发现，位移变化值一直在坡脚附近向四周扩展，但扩展的范围不大。图5-6阶段#5顶层加上均部荷载从图中可以得到：路基横断面填土底部靠近坡脚的两侧会产生最大的水平位移，左侧水平位移为2.41mm，沿X轴负方向，右侧为2.40mm，沿X轴正方向，位移最大值在左侧坡脚内部；最小水平位移在路基中心线所在的竖直平面上以及填土较远的岩土处，最小值为4.14×10-4mm。3.1.2Z方向的位移Z方向的位移随施工阶段的变化过程如图5-7～图5-11。n图5-7阶段#1未填筑回填土的Z方向位移云图在定义施工阶段时，把软岩、3%水泥改良土和5%水泥改良土设在了第一阶段，在分析时，软件将其作为初始阶段，因此，未填筑回填土时基础模型在Z方向的位移为0。图5-8阶段#2填筑第一层回填土后Z方向位移云图如图5-8所示，第一层回填土填筑后显示了路基模型各部位在Z方向的位移变化，位移值在回填土周围都相对明显，位移最大值发生在回填土顶层，为2.11mm，方向是向下。图5-9阶段#3填筑第二层回填土n在第二层回填土填筑之后，明显看出发生位移最大值的部位不是在路基顶部，而是在第一层回填土顶部，最大位移值为6.62mm；模型整体的位移较第一层回填土填筑之后都有所变大，但位移在填土周围的扩散范围基本没有变化。图5-10阶段#4填筑第三层回填土与第二层回填土填筑之后不同的是，第三层回填土填筑之后，最大位移发生在第一层和第二层填土的顶部，仍然不是路基的顶部，位移最大值为11.73mm，位移扩散范围同样没有明显变化。图5-11阶段#5顶部施加均部荷载后Z方向位移云图n从图中可以得到：Z方向位移的最大值发生第一层填土和第二层填土的顶部靠近路基中心面附近，最大位移为11.73mm，方向沿着Z轴的负方向，即向下移动；路基顶面的位移为4.99mm，方向沿Z轴负方向，竖直向下；最小位移在路基最底部以及远离填土部分的岩土，最小位移为0.25mm。3.2.2应力云图3.2.2.1查看x方向应力图5-12阶段#5SXX应力云图等轴测视图图5-13阶段#5SXX应力云图前视图从图中可以得到：由于路基顶面均布荷载和覆盖岩土层的自重压力的影响，在所选区域SXX的平面应变单元应力值随着地层深度的增加而逐渐变大，最大值在坡脚下方最低地层处，最大应力值为170.93kN/m2，最小值在路基填土第二层处，最小应力值为5.79kN/m2，在路基顶面的应力值为20.00kN/m2，在路基坡脚处的应力值为36.75KN/m2。n3.2.2.2查看Z方向应力图5-14阶段#5SZZ应力云图等轴测视图图5-15阶段#5SZZ应力云图前视图从图中可以得到：SZZ的平面应变单元应力也是随着递地层深度的增加而逐渐增大，最大值在路基中心线正下方的路基最底层，最大应力值为221.15kN/m2，最小值应力值在两侧的边坡上，最小应力值为5.37kN/m2，路基顶面的应力值为20.00KN/m2。十、项目完成情况和综合技术应用施工效果1、项目完成情况由于关键工序施工技术科研攻关提前到位、科研成果准确有效、施工准备充分，目前施工进展顺利，可以按业主预定工期完成。2、综合技术应用施工效果湿陷性黄土路基施工技术的应用，既节约了大量设备成本投入，又加快了施工进度，有力地保证了衬砌施工安全，确保了混凝土的内在质量和外观效果。n十一、完成单位和主要完成人员姓名年龄职称职务从事专业工作单位研究任务与分工全时率（%）唐海丰38工程师桥梁工程中铁十九局集团一公司参与方案设计、现场指导实施100苏国旭27助工桥梁工程中铁十九局集团一公司组织制定方案、现场指导实施100刘彩慧34助工交通工程中铁十九局集团一公司参与方案设计、现场指导实施100王秋春31助工电工中铁十九局集团一公司组织制定方案、现场指导实施100吴上明35助工材料试验中铁十九局集团一公司组织制定方案、现场指导实施100牛宇29助工土木工程中铁十九局集团一公司组织制定方案、现场指导与实施100韩熠24助工软件开发中铁十九局集团一公司参与方案设计、现场指导实施100霍君健25助工铁道工程中铁十九局集团一公司参与方案设计、现场指导实施100蔡丽萍35助工生产安全中铁十九局集团一公司参与方案设计、现场指导实施75张汉邦28助工金属材料工程中铁十九局集团一公司参与方案设计、现场指导实施100（全时率取值范围：25、50、75、100）十二、推广应用前景及综合效益高速铁路不仅作为人们日常出行的工具，同时对国家也具有重要的战略意义，因此，高速铁路的修建质量直接关系到国计民生。本次课题研究就是主要对国家大型重点工程（大西客运专线）进行施工监测和沉降预测分析，探究工程在施工过程中出现问题的原因所在，其中最主要的就是地基的处理和路基的沉降问题，根据工程项目部提供的路基工程段路基横断面设计图纸以及路基填筑的各种材料，应用大型有限元分析软件MIDAS/GTS对路基的具体结构创建模型，分析路基的沉降状况。在今后的工程还在进行之中，逐步完善监测结果，并且加强理论分析部分，对试验资料的分析尤为重要，需要在后期的研究过程中对其他计划研究的内容及在研的内容加强研究，以能更好的达到通过研究来指导施工，控制沉降的目的。..n第1章附录§17.1清单表3-5材料清单综合布线系统设备配置清单及报价n§17.2平面布置图