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摘要：本文首先简要探讨了铁路软土地基的处理方法以及铁路路基动力响应的计算方法，之后结合工程实例，以四川铁路中的某一省段作为试验段，分析了该地区软土地基的特征与变形规律，并分析评价了真空预压以及超载预压法。以作参考
关键词：软土地基；处理效果评价；路基结构动力；路基沉降
想避免铁路施工中发生大沉降，提高软土地基处理的质量是关键，通过工程实践中的观测资料与理论计算结果是评价软土地基处理效果的有力手段。且随着现在兴建的部分铁路最大时速已达到或是接近360~540km/h，因此，对铁路路基结构动力的应力与变形计算也是非常有必要的。
1.铁路软土地基处理方法
通过加固地基可以增强地基的承载力，减低地基沉降值，目前，比较常用的软土地基处理方法有两种，即，排水固结法和复合地基法（1）。
1.1 排水固结法
该种处理方法又被称为预压法，首先在地基里设置上砂井，或是塑料排水板等竖向排水井，之后再用经过预压，排出软土地基里的孔隙水，孔隙体积逐渐变小，土体发生固结，且强度也随之提高，以便降低路基在施工后得沉降，以及提升地基承载力的作用。排水固结法主要由两部分组成，分别是排水和加压系统。排水系统主要是用来改变地基得排水边界条件，从而将排水的距离缩至更短。加压系统的作用则是让土中的孔隙水产生一定压差而渗透进去，使土变得更为固结。
1.2 复合地基法
复合地基法是在天然地基中设定出一定比例的增强体，且路基上部结构传来的荷载由原土与增强体共同承担。复合地基法通常分为三种，即：①散体桩复合地基。比如碎石桩、砂桩；②低粘结强度桩。比如水泥土桩；③高粘结强度桩。比如CFG桩。
2.铁路路基动力响应的计算方法
随着时间的变化，结构或者结构体系的动载荷会与仅受到不随时间变化的静载荷所产生的力学现象是不一样的。因此，无论是哪个结构，不管是在设计或是使用过程中，经常会需要准确而快速的分析或是预测出它们的动力特性。结构动力学的主要任务，便是分析在动荷载作用下的结构所反映出的动态特征，自由振动和受迫振动是结构的动力特征里最基本的两个特征。自由振动取决于系统的自身条件，受迫振动则依赖于外部对结构的作用。
建立动力体系的运动方程，是整个动力分析过程中非常重要的一项环节，一般来说，运动方程可用这三种方法建立出来，即，直接平衡法、虚位移原理、哈密顿原理。本文主要运用的是哈密顿变分原理，算出单元的运动方程，再将单元的运动方程进行组合与叠加，最终便可得出结构体系的整体运动方程，也就是：
[M]｛ü｝+[C]｛ù｝+[K]｛u｝=｛F（t）｝
在式中：[M]—结构体系的质量矩阵
[C]—结构体系的阻尼矩阵
[K]—结构体系的总刚度矩阵
｛u｝—位移向量
｛ù｝—速度向量
｛ü｝加速度向量
｛F（t）｝—随时间变化的节点力向量
从上式可以看出，用有限的单元法计算出路基结构动力响应时，需要解决的问题有两个：①建立结构的质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]、以及刚度矩阵[K]；②运动方程是二阶微分方程，中间出现了位移对时间的二次微分，这就必须找到能解出这种大型二阶微分方程组的有效方法（2）。此种情形下，只有对方程进行积分，方可算出结构里每个节点的应力与位移值。因此，可选用Newmark隐式积分法来做出计算，它可在离散的时间点上算出上述运动方程。
3.铁路软土地基处理方法效果评价
3.1工程地质概况
该铁路专线线路全长501.219千米，其中该省段全长是357.052千米。该试验地段属于堆积平原区，其分布长度约为80km，为冲积、海积或是混合型成因，具有高压缩性、欠固结性以及低承载力等特点。土层工程地质条件差，路基地基需加固处理，深厚层软土宜以桥通过，桥涵工程最好选用桩基础。在设计好试验段方案后，其地基处理选用了塑料排水板联合真空预压，或是塑料排水板联合超载预压等加固方案，可选取典型断分析评价其加固效果，具体的地基处理方案可参见下表。
3.2 软土地基监测方案
针对铁路软土地基的特点，因此，监测方案主要包括，地基表层沉降观测和孔隙水压力观测。
（1）沉降板
应将真空预压区沉降板布置在密封膜上，正式加载前，测读出每个观测板的高程值，以作为预压期间的沉降观测初始值。超载预压区沉降板布设在无纺布之上，以及堆载之下，其中板底面积为1x1m，板上沉降杆可接长，每一节长度在1.0~1.2m之间，一直到连接到堆载预压顶面以上的1m为止。沉降标竖管的垂直偏位应小于2%，沉降观测为二等水准观测精度。
（2）孔隙水压力计
土体内的孔隙水压力能将土体固结程度的指标如实反映出来，因此，地基土中孔隙水压力的变化过程可用埋设在不同深度出的孔隙水压力测头监测出来，进而计算土层的固结程度，并分析出地基强度的增长概况。孔隙压力导线埋设好以后，为了使其不受到破坏，应将其绑扎在铅丝上。电缆线从地面引向设置在场地外的测点观测站，电缆线不宜拉得过紧。并在孔隙水压力计上街上一根长度比测点埋深更大的18#铅丝，用来提拉孔隙水压力计用 （4）。下图1为孔隙水压力计埋设示意图。
图1 孔隙水压力计埋设示意图
软土地基工程监测频率应为前半月1天一次，后半月是2~3天监测一次，一个月后则变成1周监测一次的频率，再往后的观测频率可结合现场的实际情况作出对应的调整。在确定好监测频率，并落实地基表层的沉降监测以及孔隙压力监测的具体方案后，随之得出地基表层沉降规律以及不同深度孔隙水压力变化规律。
3.3 塑料排水板联合真空预压加固软土地基的效果分析
（1）地基表层沉降规律
从正式开始抽取真空，一直到两个月后的正式路堤填筑期间，都是属于真空预压阶段。这期间，DK229+670、DK229+790这两个断面的地基表层沉降曲线基本一致，总体来说都是呈现线形往上升的趋势，只是沉降最大值略有区别。沉降变化大致可分为三段，每阶段的沉降速率都对应着其膜下的真空度。最初几天的沉降速率最大，之后随着膜下真空度的下降，沉降速率也也明显变小。而在膜下真空度又达到设计要求时，沉降速率又再次变大。直到真空预压两个月后，这两个断面的沉降速率又稍微有所回降。这说明了真空预压阶段土体的固结沉降是渐变收敛的一个过程。
（2）孔隙水压力变化规律
DK229+670、DK229+790这两个断面的孔隙水压力变化可分为两阶段来进行分析，即地基土体的自然固结阶段与真空预压阶段。在没有采取任何措施时，土体内的孔隙水压力基本没有变化，相应的地基表层的沉降速率也比较小。且真空预压阶段土体内孔隙水压的变化同样是渐变收敛的一个过程，在长达两个月观测后，孔隙水压力逐渐趋于稳定。但是因真空度在真空预压过程里的传递具有一定的衰减性，因此，可分别通过观测的3m、6m、9m处的孔隙水压力变化而得之，三个深度处孔隙水压力的减小速率在依次递减，各个沉降速率也在依次递减，真空预压的加固存在一个临界值。
3.4 塑料排水板联合超载预压加固软土地基的效果分析
（1）地基表层沉降规律
在超载土体高度达到2.5m以后，DK229+871、DK229+928两个断面的沉降速率也明显增大，两端面沉降速率最大值分别是57mm/d、43mm/d，沉降随着时间呈现线形在增加。当完成预压土的填筑，并进入荷载恒定的预压期后，两端面的沉降速率分别减至17mm/d、15mm/d。卸载后，土体仍有部分回弹。
（2）孔隙水压力变化规律
超载预压状态下的孔隙水压力的变化不同于真空预压般剧烈，变化十分缓慢，在深度上的变化，也基本等同于3m、6m、9m处的孔隙水压力。因此，超载预压的有效影响深度较大。同时，在加固预压工程中，在提高土体强度时，还应提升剪应力，且必须控制加载速率，这是为了避免在软土提升强度前，其土体就已发生破坏。
4.结束语
综上所述，本文对铁路路基结构动力响应进行了相应的计算和分析，浅要阐述了路基结构动力响应的分析方法与原理。并分别对塑料排水板联合真空预压、以及塑料排水板联合超载预压的加固效果进行了监测与分析，由此得出这样一个结论：在真空预压工程中，真空度向下传递具有一定的衰减性，因此，其加固深度存在一个临界值。
参考文献：
[1]曾二贤.交通动荷载引起的软土地基长期沉降[D].浙江大学，2008.
[2]许俊超.高速铁路软土地基沉降控制及路基结构动力分析[D].东南大学，2006.
[3]陈震.高速铁路路基动力响应研究[D].中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2006.
[4]吕爱欣.交通荷载作用下滨海地区加固软土路基变形稳定性分析[D].青岛理工大学，2014.
[5]陈鼎.高速铁路路基动力响应及影响因素研究[D].中南大学，2010.
论文作者:门桓
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/26
标签：预压论文; 孔隙论文; 地基论文; 水压论文; 路基论文; 结构论文; 土地论文; 《基层建设》2016年9期论文;