高速鐵路已經(jīng)成為一種大家常見的主流的交通工具，它具有高速、便捷、舒適的特點，同時，高鐵對于環(huán)境造成的污染很小，是一種綠色的交通工具。因為高鐵的這些優(yōu)點以及中國地域廣闊的特點，我國在近十年內(nèi)大力建設(shè)高速鐵路。經(jīng)過一定程度的技術(shù)經(jīng)驗積累，我國已經(jīng)成為世界超級高鐵大國：不僅建設(shè)了全球66%總里程數(shù)的高鐵線路，更是對中亞和東南亞多個國家實施了高鐵修建的技術(shù)資金援助，建立起了“高鐵外交”。
對于高鐵，人們更多關(guān)注的是車廂本身的相關(guān)技術(shù)，但其實對于高鐵運(yùn)行的安全性和舒適性來說，用于承載高鐵的下臥軌道-路基-地基系統(tǒng)同樣重要，而高鐵路基和天然地基設(shè)計最關(guān)鍵的技術(shù)之一便是沉降控制技術(shù)。在高鐵使用歷史上，發(fā)生了很多路基及天然地基沉降導(dǎo)致的安全事故，例如2000年6月，一列從巴黎駛往倫敦的歐洲之星列車在法國北部脫軌，直接造成14人受傷，通過事后的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鐵軌路基和地基沉降產(chǎn)生的不平順是導(dǎo)致列車脫軌的直接原因。
那么，高鐵路基和天然地基為什么會發(fā)生沉降呢?首先，高鐵路基大都是使用碎石及土混合材料進(jìn)行填筑的，由于材料存在較大顆粒，因此顆粒間難免存在一些孔隙，同時，路基填土和下臥地基天然地基土都是典型的彈塑性體。在列車行駛過程中，路基填料中的孔隙會由于列車的自重以及動應(yīng)力產(chǎn)生的壓力壓縮，同時，土體也會發(fā)生塑性即不可恢復(fù)的變形，從而導(dǎo)致軌道-路基-地基系統(tǒng)的沉降，軌道表面出現(xiàn)不平整現(xiàn)象。當(dāng)列車以很高的速度，例如300 km/h，行駛在不平整的軌道上時，是相當(dāng)危險的，會對安全性造成很大的威脅。
因此，我們針對高鐵路基在列車移動荷載作用下的沉降問題展開了系統(tǒng)的研究。研究包括兩大部分：第一部分是對路基地基材料基本特性的研究，為后續(xù)具體問題的開展提供基礎(chǔ);第二部分是對高鐵沉降問題的研究。
(一)高鐵路基及地基材料基本特性研究
由于路基的組成材料是路基填料，因此我們首先需要對路基材料的基本性質(zhì)進(jìn)行研究。我們分別從浙江寧杭高鐵德清站和衢寧鐵路松溪站選取高鐵路基填料，對路堤填料分別進(jìn)行3組比重瓶試驗，獲取其重度分別為重度γ=25.49，23.97，25.00kN/m³。對兩組填料進(jìn)行篩分試驗，以確定填料的各種顆粒成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)路基填料主要由巖塊和粗粒土組成，其中巖塊又分為塊石類和碎石類，粗粒土分為砂類和礫石類;塊石類的硬塊石和漂石土，碎石類的卵石類和碎石土;礫石類的圓礫土和角礫土，砂類的礫砂、粗砂和中砂。在確定了路基填料的性質(zhì)之后，還需要進(jìn)行地基土的力學(xué)性質(zhì)試驗。同樣是在高鐵場地使用PVC管進(jìn)行取樣，之后進(jìn)行試驗試樣的制作，制作完成后我們對土樣進(jìn)行了空心圓柱試驗和動三軸試驗，以確定土體在靜力荷載和動力循環(huán)荷載條件下的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。以上對于高鐵路基和地基幾何物理性質(zhì)的研究能夠為后續(xù)高鐵沉降的研究提供基礎(chǔ)。
(二)高鐵沉降問題研究
這部分研究也包含兩個部分，第一部分是確定性研究，即對某一種參數(shù)確定的路基地基系統(tǒng)沉降問題進(jìn)行研究;而實際工程中，路基和地基材料的性質(zhì)都是極其不均勻的，很有可能在相隔一公里的不同兩個路段上，路基地基的性質(zhì)存在較大差別，這種差別也稱為空間變異性，因此，可以根據(jù)可靠度理論，采用隨機(jī)變量的方法對高鐵線路沉降問題進(jìn)行研究，這也就是研究的第二部分。
(1)高鐵沉降確定性研究
對于確定性研究部分，由于現(xiàn)有的鐵路系統(tǒng)都是采用樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)地基降低沉降，因此我們分別采用了模型試驗和數(shù)值建模的方法，研究了樁承式路基-地基系統(tǒng)的沉降機(jī)理，對群樁的設(shè)計方法提出了優(yōu)化，同時也提出了沉降的預(yù)測公式。
在模型試驗過程中，我們采用了如圖1所示的模型裝置，該裝置以京滬高速鐵路徐滬段某試驗段樁網(wǎng)加筋軟土路基為背景，模擬的路基填高4.4m，邊坡率為1：1.5，樁長為25m，樁身直徑為0.5m，樁間距為2.5m，正方形布樁。樁帽直徑1m，厚40cm。樁帽頂端設(shè)置了30cm厚的碎石墊層，夾鋪兩層設(shè)計抗拉強(qiáng)度大于120kN/m的土工格柵。地基土層為第四系覆蓋層，系江河湖泊海相沉積深厚淤泥質(zhì)軟土。通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，與天然地基相比，采用樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的地基處理后，地基部分的沉降變形已經(jīng)由占總沉降的65.7%減小到了29.6%;而復(fù)合結(jié)構(gòu)路基的沉降變形大部分是由路基部分的壓縮變形引起，總沉降也由5.65mm減小到了2.84mm，復(fù)合結(jié)構(gòu)路基減沉效果明顯。
圖1. 高鐵沉降模擬試驗裝置設(shè)計圖
由于模型試驗中，試驗對象相關(guān)參數(shù)的改變需要較大的試驗成本，例如樁長的改變等需要對樁身進(jìn)行進(jìn)一步加工。因此我們可以采用數(shù)值模擬的方法，對更加豐富的工況進(jìn)行深入的探索。圖2是我們使用有限元數(shù)值模擬軟件建立的有限元模型。我們研究了路基堆填高度、樁間距等參數(shù)變化時對路基沉降面高度的影響;同時，我們也使用數(shù)值模型對高鐵長期沉降進(jìn)行了預(yù)測計算，并編寫了我們自己的沉降預(yù)測軟件。通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著樁凈間距的增大，路基內(nèi)的等沉降面的高度呈線性增大，說明在實際工程中，可以通過減小樁凈間距來使等沉降面的高度小于路基高度，從而避免在路基頂面出現(xiàn)差異沉降。
圖2. 高鐵沉降模擬有限元模型
(2)基于可靠度理論的高鐵路基沉降研究
為什么要基于可靠度理論研究高鐵沉降呢?因為對于不同的路段，高鐵路基和地基的性質(zhì)存在著較大的不確定性，例如在堆填路基時，不同路段使用的材料性質(zhì)不可能完全相同，不同路段天然地基土體性質(zhì)不可能完全一樣，樁網(wǎng)在施工攪拌時精度不可能完全相同等。這些不確定性都會導(dǎo)致高鐵線路的沉降產(chǎn)生較大的差異。所以我們引入了可靠度理論，對高鐵路基沉降的控制設(shè)計方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。
在這一部分，我們主要建立了考慮路基地基性質(zhì)空間變異性的數(shù)值模型，分析了空間變異性對于路基沉降的影響。圖3所示的就是根據(jù)可靠度模型計算的沉降預(yù)測結(jié)果，圖形的橫軸代表了時間，單位是年，縱軸則代表了路基的沉降。在這里，沉降的計算結(jié)果不再是一個確定數(shù)值，而是在可能的范圍之內(nèi)，同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的增長，沉降可能的范圍在逐漸增大，也就是說隨著時間增長，沉降的不確定性在逐漸增大�；跀�(shù)值模型研究，我們也提出了基于可靠度理論的高鐵沉降預(yù)測公式，能夠為高鐵路基工程設(shè)計提供一定的指導(dǎo)。
圖3. 基于可靠度的高鐵沉降預(yù)測結(jié)果
總的來說，對于高鐵線路的沉降問題，可以使用試驗和數(shù)值模擬的方法，對沉降的機(jī)理進(jìn)行研究，對樁網(wǎng)復(fù)合地基相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時提出沉降預(yù)測的公式，為高鐵建設(shè)提出參考與建議，從而為高鐵的安全運(yùn)行保駕護(hù)航，也為我們祖國建設(shè)稱為高鐵強(qiáng)國貢獻(xiàn)自己的一份力量。
致謝
本文以國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)青年科學(xué)家專題項目“高速鐵路軟土路基長期運(yùn)營沉降與環(huán)境振動控制”(項目編號：2014CB049100)的研究工作為契機(jī)，撰寫此科普文章，為普及高鐵運(yùn)營沉降的相關(guān)知識盡綿薄之力。
責(zé)編：微科普