高速鐵路工后沉降控制1.工后沉降控制的意義2沉降計算方法3.沉降觀測儀器比選4.沉降測試方法5.觀測數據處理及工后沉降預測6.沉降控制動態設計7.沉降觀測具體要求（案例）1.工后沉降控制的意義路基沉降變形按空間分包括四個方面：列車行駛中路基面產生的彈性變形；長期行車引起的基床累積下沉；路基本體填土壓縮量；地基的壓縮下沉。路基沉降變形按時間劃分包括三方面：瞬時沉降主固結沉降次固結沉降鐵路路基沉降變形按時間劃分方法：施工沉降：施工期間產生的沉降工后沉降：鋪軌工程開始時的沉降量與總沉降量之差路基沉降變形按空間分包括四個方面：列車行駛中路基面產生的彈性變形；長期行車引起的基床累積下沉；路基本體填土壓縮量；地基的壓縮下沉。路基變形路基面彈性變形路基面累積變形路基壓縮沉降變形填土壓縮變形地基沉降變形路基變形組成研究表明：粘性土地基在基底壓力作用下的沉降量S由三種不同的原因引起次固結沉降Ss主固結沉降完成以后，在有效應力不變條件下，由于土骨架的蠕變特性引起的變形。這種變形的速率與孔壓消散的速率無關，取決于土的蠕變性質，既包括剪應變，又包括體應變。初始沉降(瞬時沉降)

Sd有限范圍的外荷載作用下地基由于發生側向位移(即剪切變形)引起的。主固結沉降(滲流固結沉降)

Sc由于超孔隙水壓力逐漸向有效應力轉化而發生的土滲透固結變形引起的。

是地基變形的主要部分。tSSd：初始瞬時沉降Ss:次固結沉降Sc：主固結沉降1.工后沉降控制的意義客運專線基床表層采用級配碎石，壓實標準較高，表層彈性模量可達200MPa以上，路基面彈性變形在1.0mm之內；路堤填土壓密下沉量為路堤高度的0.2％～0.4％，而且在一年左右完成。由此可見，只要滿足基床及路基本體填筑材質、壓實標準，列車行駛中彈性變形、運營階段的塑性變形及路基填土壓縮量都是有限的，而且也可得到控制。因此，控制路基的變形特別是工后沉降的關鍵，在于控制支承路基的地基沉降。1.工后沉降控制的意義無碴軌道要求嚴格：對于調高量為30mm的扣件，如果允許在施工中調高＋6mm和－4mm，那么只剩20mm可以調整，再考慮軌道結構變形要留有5mm的余量，實際留給運營部門的可用于路基沉降調整的僅為15mm。這是局部調整的極限。對于20m范圍內的情況，德國的經驗和規范的規定可以到20mm。對于更大范圍的均勻沉降德國的經驗是，最大沉降為扣件的運營可調整范圍的3倍時是可以圓順的，規范要求為扣件可調整范圍的2倍，也就是30mm。高速鐵路最終控制15mm。各個規范工后沉降要求序號規范或標準一般路基工后沉降過渡段工后沉降年沉降速率0高速公路301561秦沈客運專線暫規15842時速200公里客貨共線15843時速200-250公里客運專線10534京滬高速鐵路暫規1.5縱向平順度每20m小于20mm5時速300-350公里客運專線1.52.沉降計算方法沉降計算的發展狀況分層總和法有限元方法離心模型試驗方法根據檢測數據推算方法建筑物立面高差過大修建新建筑物：引起原有建筑物開裂建筑物過長：長高比7.6:147m3915019419917587沉降曲線(mm)關西國際機場

世界最大人工島1986年：開工1990年：人工島完成1994年：機場運營面積：4370m×1250m填筑量：180×106m3平均厚度：33m設計時預測沉降：5.7-7.5m完成時實際沉降：8.1m，5cm/月(1990年)預測主固結完成：20年后比設計超填：

3m問題：沉降大且有不均勻沉降分層總和法最終沉降量S∞：t∞時地基最終沉降穩定以后的最大沉降量，不考慮沉降過程。不可壓縮層可壓縮層σz=pp主固結沉降側限壓縮試驗

固結容器：環刀、護環、導環、透水石、加壓上蓋和量表架等

加壓設備：杠桿比例1:10

變形測量設備1、側限壓縮儀（固結儀）支架加壓設備固結容器變形測量水槽內環環刀透水石試樣傳壓板百分表施加荷載，靜置至變形穩定逐級加大荷載測定：軸向應力軸向變形試驗結果：2、試驗方法P1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e3e-σ′曲線01002003004000.60.70.80.91.0eP1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e3e-σ′曲線01002003004000.60.70.80.91.0e壓縮系數，KPa-1，MPa-11e0側限壓縮模量,KPa,MPa側限變形模量固體顆粒孔隙體積壓縮系數，KPa-1，MPa-1e-σ′曲線01002003004000.60.70.80.91.0e壓縮系數a1-2常用作比較土的壓縮性大小土的類別a1-2(MPa-1)高壓縮性土0.5中壓縮性土0.1-0.5低壓縮性土<0.11、計算簡圖壓縮前壓縮后側限條件σz=ppHH/2H/2γ,e1單一土層一維壓縮問題ee1e2p1p2p2、計算公式單一土層一維壓縮問題（a）e-σ′曲線2、計算公式單一土層一維壓縮問題（b）e-lgσ′曲線優點:可使用推定的原狀土壓縮曲線；可以區分正常固結土和超固結土并分別進行計算。正常固結土：超固結土(并假定p2>p)：p1、基本假定和基本原理理論上不夠完備，缺乏統一理論；單向壓縮分層總和法是一個半經驗性方法。地基最終沉降量分層總和法（a）基底壓力為線性分布（b）附加應力用彈性理論計算（c）只發生單向沉降：側限應力狀態（d）只計算固結沉降，不計瞬時沉降和次固結沉降（e）將地基分成若干層，認為整個地基的最終沉降量為各層沉降量之和：d地面基底2、計算步驟地基最終沉降量分層總和法(a)計算原地基中自重應力分布(b)基底附加壓力p0pp0dp0=p-d(c)確定地基中附加應力z分布自重應力附加應力(d)確定計算深度zn①一般土層：σz=0.2σsz；②軟粘土層：σz=0.1σsz；③一般房屋基礎：Zn=B(2.5-0.4lnB)；④基巖或不可壓縮土層。沉降計算深度σsz從地面算起；σz從基底算起；σz是由基底附加應力p-γd引起的2、計算步驟地基最終沉降量分層總和法(a)計算原地基中自重應力分布(b)基底附加壓力p0(c)確定地基中附加應力z分布(d)確定計算深度znd地面基底pp0d自重應力附加應力沉降計算深度(e)地基分層Hi①不同土層界面；②地下水位線；③每層厚度不宜0.4B或4m；④z變化明顯的土層，適當取小。(g)各層沉降量疊加Si(f)計算每層沉降量SisziziHi要點小結：①準備資料②應力分布③沉降計算建筑基礎（形狀、大小、重量、埋深）地基各土層的壓縮曲線原狀土壓縮曲線計算斷面和計算點確定計算深度確定分層界面計算各土層的szi，zi計算各層沉降量地基總沉降量自重應力基底壓力基底附加應力附加應力④結果修正地基最終沉降量分層總和法有限元方法計算沉降計算沉降過程Biot固結理論固結單元接觸單元存在問題有限元方法計算沉降有限元方法計算沉降有限元方法計算沉降有限元法計算沉降地表及距地表10處沉降分布圖結構模型圖圖4網格劃分圖土工離心模型試驗土工離心模型試驗基本原理

土工離心模型試驗作為一種可再現原型特性的試驗方法，正愈來愈受到工程界的關注。其基本原理是，將土工模型置于高速旋轉的離心機中，讓模型承受大于重力加速度的離心加速度的作用，來補償因模型尺寸縮小而導致土工構筑物自重的損失。具體說就是把經過1/N

縮尺的原型結構物置于NG倍的離心力場中，使模型和原型相應點的應力應變達到相同、變形相似、破壞機理相同，從而再現原型特性，為理論和數值分析方法提供真實可靠的參考依據。

模型內任意一點所產生的應力與原模型對應點產生的應力相同。包括總應力、孔隙水壓力及有效應力。

當模型按幾何相似縮小到原型的時，要保持模型和原型的應力水平一致，必須使模型的重度為原型重度的倍。

固結比例尺推導太沙基固結方程：如果幾何條件邊界條件相同，β不變，要使固結狀態相同：即：物理量線尺度面積體積質量加速度能量力位移原型11111111模型物理量應力應變質量度度重度頻率剛度土壓力原型1111111模型111土工離心試驗的應用

土工離心模擬試驗可以直觀地研究土工建筑物的變形和破壞機理，它不僅可以定性地、而且可以定量地模擬土的性狀，將真實的工作狀態顯示出來。隨著應用現代化的實驗技術施加各種外荷載和量測各種物理參量，離心模擬實驗已應用于研究土石壩的邊坡穩定和變形、砂土液化、地基承載力、地基變形，以及各種類型的土與結構物的相互作用，乃至模擬爆炸、地震和大地構造等。它的應用范圍正在不斷擴大。土工離心試驗的誤差1、離心力場和重力場有差別2、模型的應力誤差3.沉降測試方法比選1.觀測樁2.沉降杯3.沉降板4.水壓式剖面沉降儀5.水平測斜儀6.新式沉降板7.靜力水準儀沉降觀測儀器比選觀測樁

用木樁和鋼釬釘入土中，用水準儀抄平，即可測量地表面的沉降量。此方法最簡便，但只能測定建筑物表面的沉降值，無法測試土體內部某位置的沉降，對填土施工有干擾。沉降觀測儀器比選沉降杯將盛水密閉容器置于土中，容器上接出進水管、排水管和排氣管至填土以外。進水管外部與觀測量杯相連。容器灌水以后，容器內部的水位與外部觀測水杯的水位一致，則可通過觀測量杯中的水位得到容器的沉降。其優點是構造簡單，造價低廉，缺點是三根管的埋設要求比較高，如果埋設不平順，容易形成氣泡阻塞水管，使測試無法進行。此方法比較少用。沉降觀測儀器比選沉降板

由底板和測桿、護套組成。底板為邊長約50cm厚度3cm的鋼筋混凝土板。測桿為直徑40mm左右的鋼管，第一段垂直固定于鋼筋混凝土板的中央，隨著填土高度的增加，分段以絲扣接長測桿。測桿外套接塑料管保護，以免測桿受外來擾動變形。沉降板是目前沉降觀測的最常用的手段。其優點是造價低廉，操作簡便，易于測試。但其弱點也很明顯，主要是影響填土壓實施工，壓實機械經過時必須繞道而行，極為不便，機械經常撞壞沉降桿，且形成壓實死角，降低壓實質量。其次是一個沉降板只能測量路堤中一點的沉降。一個斷面上多放幾個沉降板影響壓實施工的矛盾更突出。另外一個缺點是損壞后的補救非常困難。沉降板沉降觀測儀器比選水壓式剖面沉降儀

由沉降管和二次測試儀器組成。沉降管為一般的PVC管，二次測試儀器由探頭、注水管、注水架組成。其工作原理見圖2.圖2剖面沉降儀的工作示意圖沉降管記錄儀注水系統沉降觀測儀器比選水壓式剖面沉降儀探頭內的主要元件是靜水壓力傳感器。由于地基沉降的原因，探頭處于不同位置時，靜水壓力傳感器所受到的靜水壓力是不同的，記錄不同的靜水壓力，據此可得到不同位置的高程，從而得到沉降值。剖面沉降儀測試的優點，1）能夠測定任意一點的沉降值，甚至可以測試整個剖面的連續的沉降曲線，配置自動記錄儀即可實現。2）測試成本低。除了一次性投入二次儀器約2萬元外，每次使用只需購買廉價每米5元左右的PVC管即可。3）對填土施工無干擾。但其缺點也比較突出。首先精度比較低。若要提高精度，需根據待測沉降的大小范圍，配置若干不同靈敏度的探頭，增加了二次儀器的造價。第二個缺點是測試操作比較復雜。整個系統不能方便攜帶，測試時需取水和注水。第三個缺點是受氣候干擾大，風使測試數據不穩定；溫差大改變了水的密度，影響精度。沉降標定曲線沉降觀測儀器比選水平測斜儀與水壓式剖面沉降儀相似，水平測斜儀也由沉降管和二次測試儀器組成。不同的是水平測斜儀無需注水系統，其沉降管是特制的PVC管。工作原理見圖3.圖3水平測斜儀的工作示意圖沉降管記錄儀探頭電纜沉降觀測儀器比選水平測斜儀探頭內的主要元件是伺服加速度傳感器。由于地基沉降，探頭處于傾斜方向，通過重力加速度在敏感水平軸上的投影，可精確測量探頭的傾角，再根據探頭長度得到探頭兩端的高程差，從而得到沉降值。其優點：1）精度高。每次讀數的誤差小于0.1mm，36米長剖面測試的累計誤差小于2mm。2）操作方便。整個測試系統可由一個人攜帶，移動非常方便。測試操作僅需兩個人即可，一個人記錄，一個人拉線。3）可得到整個剖面的沉降曲線，測點間距最小為0.5m。4）對填土施工無干擾。5）不受氣候影響。二次儀器一次性投資約二萬元。水平測斜儀的不足主要是特制的PVC管造價比較高，每米25元左右，約為普通PVC管的四倍。新式沉降板新式沉降板靜力水準儀水平測斜儀的測試原理ΔiΔi-1圖1水平測斜儀原理圖δ=∑△i（1）（2）（4）水平測斜儀測試方法將特制PVC管埋設在被測位置，導槽方向對準鉛垂方向。用普通繩索將探頭及電纜拉至沉降管的起始端，然后拉導線，每0.5米刻度線處讀數一次，直至沉降管的終止端。然后將測斜儀掉轉180度進行第二次測試，讀數。用水準儀和現場的水準基點抄平，得到沉降管起始端的標高，從而根據沉降差可得到各讀數點的標高。水平測斜儀測試方法探頭內部的主要部件采用“石英撓性伺服加速度計”屬精密儀器，在使用和運輸過程中應避免沖擊碰撞或摔落，引起敏感元件損壞。探頭外殼采用不銹鋼制成，如果長期在水中作業，應在每次作業完成以后擦拭干凈，并用機油點到導輪或容易生銹的職稱彈簧上，避免因生銹而引起不靈活現象。沉降管端頭可采用直徑200mm長1m的帶蓋鋼管保護，平日用螺栓將蓋封死，用土覆蓋，測量時將蓋打開即可，這樣能很好地避免人為破壞。水平測斜儀測試方法圖3-4路堤壓縮量及地基沉降量測試布置圖基床表層基床底層沉降變形管沉降變形管二布一膜觀測樁4.水平測斜儀測試方法圖3-5測斜管的埋設圖3-6保護管水平測斜儀應用實例室內標定沉降管室外標定水平測斜儀應用實例室內標定水平測斜儀應用實例圖15DK274+800斷面高程變化圖水平測斜儀應用實例5.觀測數據處理及工后沉降預測觀測數據處理及工后沉降預測工后沉降預測采用雙曲線法。沉降與時間的關系可表示為：變換為直線形式：根據式（5）變換測試數據，得到一組直線。則1/b即為最終沉降量。見圖4-12。根據最終沉降量和圖4-11中的竣工沉降量，就可求出預測工后沉降值。觀測數據整理格式測點時間t（天）沉降S（mm）t/S（天/mm）130.027110.77260.051118.32390.071126.53觀測數據處理及工后沉降預測預測工后沉降

DK274+800DK275+920DK275+000雙曲線參數a580.38977.164014.5雙曲線參數b7.07397.366516.711測試竣工后沉降0.11590.10660.0344預測最終沉降(m)0.14140.13570.0598預測工后沉降(m)0.02550.02910.02546.沉降控制動態設計圖4-137沉降監測具體要求石（家莊至）武（漢）客專沉降變形觀測案例7.1測量等級及技術要求沉降變形測量按國家二等規定執行，對于技術特別復雜工點，根據需要按國家一等的規定執行。

測量等級垂直位移測量水平位移觀測沉降變形點的高程中誤差（mm）相鄰沉降變形點的高差中誤差（mm）沉降變形點點位中誤差（mm）二等±0.5±0.3±3.0三等±1.0±0.5±6.07.2沉降變形測量點的布置要求注：1－蓋；2－磚；3－素土；4－貧混凝土；5－凍土線基準點標石埋設圖7.2沉降變形測量點的布置要求1）基準點。要求建立在沉降變形區以外的穩定地區，增設時按國家二等水準測量的相關要求執行。2）工作基點。要求埋設在穩定區域，在觀測期間穩定不變，測定沉降變形點時作為高程和坐標的傳遞點。間距200m左右。距路基中心距離小于100m。3）沉降變形點。直接埋設在要測定的路基部位上。4）每個獨立的監測網應設置不少于3個穩固可靠的基準點。5）基準點和工作基點的定期復測按每6個月進行1次，盡可能結合精測網復測進行。在區域沉降地區應每3個月進行1次復測。測量工作要求對線下工程變形點的觀測必須采用閉合或復合水準路線，嚴禁采用支水準路線或中視法，水準路線經過的工作基點或基準點數量不得少于兩個。應使用DS05級及以上的電子水準儀，儀器及配套水準尺均應在有效檢定期內。嚴格按照國家二等水準施測。專人負責元器件的埋設、測量和保護工作7.3觀測斷面設置原則1沿線路方向的間距一般不大于50m；對地勢平坦且地基條件均勻良好的路塹、填方高度小于5m且地基條件均勻良好的路堤可放寬到100m。2對地形、地質條件變化較大地段應加密斷面，在變化點附近應設觀測斷面，以確保能夠反映真實差異沉降。3一個沉降觀測單元（連續路基沉降觀測區段為一單元）應不少于2個觀測斷面。4對地形橫向坡度大于1：5或地層橫向厚度變化的地段應布設不少于1個橫向觀測斷面。5路堤與不同結構物的連接處應設置沉降監測斷面，每個路橋過渡段在距離橋頭5m、15m、35m處分別設置一個沉降監測斷面，每個橫向結構物每側各設置一個監測斷面。路堤沉降監測斷面元件布置示意圖（Ⅰ型）Ⅰ型監測斷面包括沉降監測樁和沉降板。沉降監測樁每斷面設置5個，施工完基床底層后，預壓土填筑前，距左、右線中心4.7m處于基床底層頂面埋設2個沉降監測樁,其余3個于基床表層施工完成后布置于雙線路基中心及距兩側路肩1m處的基床表層頂面上;沉降板位于路堤中心。埋設于基底墊層或混凝土板頂面。路堤沉降監測斷面元件布置示意圖（Ⅱ型）Ⅱ型監測斷面包括沉降監測樁和定點式剖面沉降測試壓力計。沉降監測樁每斷面設置5個，埋設方法同Ⅰ型監測斷面；定點式剖面沉降測試壓力計位于路堤中心,埋設于基底墊層或混凝土板頂面。

路堤沉降監測斷面元件布置示意圖（Ⅲ型）Ⅲ型監測斷面包括沉降監測樁、沉降板和剖面管。沉降監測樁每斷面設置3個，布置于雙線路基中心及距兩側路肩1m處的基床表層頂面上；沉降板位于路堤中心，底板埋設于基床底層頂面上，隨填土增高而逐漸接高測桿及保護套管，橫剖面管埋設于路堤基底碎石墊層頂面處。

路堤沉降監測斷面元件布置示意圖（Ⅳ型）路堤與橫向結構物過渡段，于橫向結構物頂部沿橫向結構物的對角線方向鋪設剖面沉降管。橫向結構物兩側外邊緣各2m處設置一個I型觀測斷面，布置見Ⅳ型。

路堤沉降監測元件布置平面示意圖（Ⅳ型）路堤沉降監測斷面元件布置示意圖（Ⅴ型）路塹地段均采用堆載預壓，采用Ⅴ型監測斷面，分別于路基中心，距兩側路肩1m處各設1根沉降監測樁，路基中心設沉降板，底板至于基床底層頂面，觀測路基面的沉降。

沉降觀測點位布設及水準路線觀測示意圖路基沉降觀測頻次表觀測階段觀測頻次填筑或堆載一般1次／天沉降量突變2～3次／天兩次填筑間隔時間較長1次／3天堆載預壓或路基施工完畢第1個月1次/周第2、3個月1/2周3個月以后1次／月無砟軌道鋪設后第1個月1次／2周第2～3個月1次／月3個月以后1次／3月注：1、架橋機（運梁車）通過時觀測要求：每1次/3天，連續3次；以后1次/1周，連續3次；以后1次/2周。7.4沉降觀測樁埋設技術要求樁體選擇Φ20mm不銹鋼棒，頂部磨圓并刻畫十字線，底部焊接彎鉤，待基床表層級配碎石施工完成后，通過測量埋置在監測斷面設計位置，埋置深度0.3m，樁周0.15m用C20混凝土澆筑固定，完成埋設后按二等水準標準測量樁頂標高作為初始讀數。沉降板埋設技術要求沉降板：由底板、金屬測桿（φ40mm鍍鋅鐵管）及保護套管（φ75mmPVC管）組成。底板尺寸為50cm×50cm,厚5cm。按二等水準標準測量沉降板標高變化。

剖面沉降管埋設技術要求采用專用PVC塑料硬管，其抗彎剛度應適應被測土體的豎向位移要求，導管內十字導槽應順直，管端接口密合。測斜管在埋設過程中，應當特別注意嚴格控制導槽方向，保證上下導