高速铁路路基沉降分析与控制技术

1.1高速铁路路基沉降分析与控制技术概述

1.1.1我国高速铁路建设运营情况

2008年，我国第一条真正意义上时速350km的高速铁路京津城际开通运营，标志着我国铁路建设运营正式进入了高速铁路时代，并在随后的十多年间得到迅猛发展。根据国家中长期、“十二五”、“十三五”铁路路网规划，我国高速铁路网规划已由初始的“四纵四横”快速客运铁路网拓展为“八纵八横”高速铁路网主骨架。截至2022年底，我国高速铁路已建成运营通车里程4.2万km，是当前世界运营里程最长、在建规模最大、运营场景最丰富、商业运行速度最高的高速铁路网。

高速铁路运营速度的提高，除车辆、机车、供电、信号、轨道等面临全新的技术革新外，对铁路路基本体与下卧地基的工程设计及建造也提出了全新要求。高速铁路建设运营应以高安全性和高可靠性为设计目标，为实现列车高速运营下的这一控制标准，必须全方位地保障轨道结构的高平顺性和高稳定性。高速铁路路基结构作为轨道支撑基础，路基结构的强度、刚度、稳定性以及对上部支撑轨道的状态保持能力，是确保高速列车高速、安全、舒适、平顺运营的首要条件。但与此同时，我国幅员辽阔，不同地域的气候、环境以及地质条件差异极大，深厚淤泥质软土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土、盐渍土、高液限黏土等呈区域性分布，这也必然导致我国高速铁路路基工程建设面临着复杂应用场景下的全新考验。

1.1.2 我国高速铁路路基工程设计面临的问题

随着我国国民经济的快速发展，铁路工程建设的规模不断扩大，建设的标准也在不断提高，高速铁路路基沉降控制已经达到毫米级水平，新建高速铁路路基工后沉降控制一般不超过15mm，这为高速铁路路基工程建设带来了新的挑战。中国高速铁路历经原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新，经近二十年的发展，已经成为世界上高速铁路规模最大的国家。但是，高速铁路路基工程设计与建设中也暴露了部分路基沉降分析与控制方面的问题，由于设计手段、勘察技术、分析模型、工程措施等多方面的限制，高速铁路路基沉降表现为“算不准、控不住”，工后沉降严重超标，影响高速铁路线路的平顺性，导致高速铁路高速运行安全性失控。归结起来，高速铁路路基沉降分析与控制主要暴露出以下几个方面的问题：

（1）路基本体沉降分析与控制

高速铁路路基本体沉降是引起高速铁路路基沉降的原因之一，主要表现为列车动荷载以及路基填土自重下的压缩变形。一般情形下，高速铁路路基对路基填料类型、压实度以及K30系数等均严格限制，路基本体沉降变形很小。但是，高速铁路在动荷载作用下，路基本体长期服役性能可能出现劣化，导致路基本体由于强度、稳定性不足而出现局部沉降失稳。现阶段，高速铁路路基本体设计主要依赖于填料类型和压实标准，面临的设计分析与控制问题主要有如下几点：高速列车动载引起的路基本体动应力分布及衰减规律缺少深入研究；列车动载引起的路基本体动应力分布及深度方向上的衰减规律尚缺少行之有效的理论分析方法；考虑动载效应的路基填料填筑质量控制标准也缺少与之匹配的理论分析和试验数据支撑，也未形成路基本体长期服役性能分析评价模型；对于已经产生沉降病害的路基本体结构缺少针对性的病害整治方法；新型路基结构研发仍处于原型设计和试验段论证阶段，工程化应用和推广任重道远。

（2）地基沉降分析与控制

高速铁路路基本体以及上部列车荷载作用下，地基承载结构的压缩变形是引起新建高速铁路路基沉降的最主要来源。为控制软弱地基压缩变形，通常采用搅拌桩、灰土桩、CFG桩、管桩、灌注桩等加固措施进行地基处理，需要对高速铁路路基工程地基加固方案进行专项设计。地基加固方案设计中，通常采用总沉降量指标确定地基加固方案，应用分层总和法进行地基加固区和下卧层沉降变形分析。《高速铁路设计规范》（TB10621一2014）、《铁路路基设计规范》（TB10001一2016）、《铁路工程地基处理技术规程》（TB10106一2010）等现行规范中，引入地基沉降经验修正系数以综合考虑地基条件、荷载强度、加荷速率等因素。但是，新建高速铁路地基沉降分析中一般将桩体加固区作为均质体，不能有效考虑桩土协同工作效应，也不能反映加固区、下卧层土体附加应力转移传递过程的差异。另外，我国高速铁路工程建设中出现了越来越多的新建铁路同既有高速铁路的交叉、并行情形，但当前针对既有高速铁路路基附加沉降的分析评估仍沿用新建铁路相关规定，既有高速铁路附加沉降分析与控制过程中存在一定的盲目性。

本书为“高速铁路基础研究与技术创新丛书”之分册。本书将聚焦高速铁路地基和路基本体沉降分析与控制技术的创新和应用。通过建立桩土协同工作的高速铁路路基沉降分析模型，深入研究了地基附加应力、附加沉降、影响范围、群桩效应等研究对象的分布规律；系统分析了高速铁路路基沉降仿真分析技术和现场监测评估技术，以及悬臂U型路基、箱型路基、架空式桩板路基等新型路基结构基于极限状态理论的设计分析方法；对高速铁路新型路基结构研发、时速350 km/h以上的高速铁路路基结构设计、基于5G+物联网技术的高速铁路路基状态自感知及测评技术三个方面的研究发展进行了展望。