高速铁路路基沉降变形相关问题分析
摘要：路基在列车荷载作用下和路基本体在自重作用下产生的工后沉降是有限的，地基引起的工后沉降决定了路基工后沉降能否满足标准要求。本文主要讨论了高速铁路路基沉降变形问题及相关的计算方法，对于今后我国铁路施工具有一样借鉴作用。
关键词：高速铁路，铁路施工，路基沉降，沉降计算方法
1引言
在世界各地兴建高速铁路的同时，我国也进入了一个高速铁路蓬勃发展的新时期。随着京沪高速、武广客运专线等高速铁路的开建，越来越多的高速铁路路基将出现在软弱土的地区。由于软土地基的压缩性高、天然含水量大、渗透性差、固结变形持续时间长，软土地基沉降计算就成了工程设计中关注的主要问题[1]。本文主要探讨了高速铁路路基沉降变形问题。
2高速铁路路基沉降变形机理
对于路基下沉的原因需进行综合分析，方能得出合乎实际的正确结论。路堤的沉降由三方面因素组成[2]：
(1)路堤填料在自重作用下的压实沉降。路堤填料由散体材料填筑而成，由于自重产生一定的压密下沉是正常的，其大小取决于填料和施工质量。如果下沉量较大，说明填料的压实度不足，强度低，容易造成不均匀变形。此种变形发生在两个阶段：一是施工阶段的下沉，可通过补填料来解决；二是施工完成后对后期运营有影响的工后沉降。
(2)路基在列车荷载作用下发生的累积变形。这是由列车通过道床传递道路基面的动静荷载引起的，这类下沉是一个累积的过程，为使列车安全运行和保持乘车的舒适性，使轨道结构处于良好的几何行位和动力状态，需经常进行轨道的维修作业。根据资料，这种变形虽然在列车运营期间始终存在，但通过提高路基面材料的质量、提高压实标准等控制措施，该部分变形大多控制在很小的范围内，占总体沉降的很小比例。
(3)软土地基的压密沉降。地基软土中的水和气体从孔隙中被挤出，土颗粒在外力作用下重新排列组合，形成新的结构，发生压密沉降。地基土的压密沉降，因路基高度和地基条件的不同，沉降差异较大，这部分变形一般经历的时间比较长，是路基沉降变形监测和计算的重点。
3常见铁路沉降计算方法分析
3.1考虑侧向变形的应力路径法
土体中一点的应力状态可以用应力空间中的一个应力点来描述。在荷载作用下，土体中一点的应力状态的改变过程可以用对应的应力点在应力空间的运动轨迹来描述。应力点在应力空间的运动轨迹称为应力路径。
六十年代Lambe提出在室内三轴压缩试验中模拟现场加荷时的有效应力路径，根据土体所经过的应力路径计算土体压缩量。软粘土受荷载作用后，往往有两个过程：首先是形变，然后是体变。加荷初始，孔隙水一时来不及排出，孔隙水压力上升，这就相当于固结不排水过程，体积不变。随着孔隙水压力的消散，体积压缩，有效法向应力增加，而偏应力不变，这相当于固结排水过程。因此，沉降就可以分成两部分计算，通过模拟现场实际加荷提案件，进行室内固结不排水和固结排水试验，分别量测不排水应变和排水应变，由此求得不排水沉降与固结排水沉降。应力路径法对于认识沉降机理，分析常规计算中可能产生的误差趋势都是很有益的，但该方法特别要求高标准的取样和试验，这就使它的实际应用受到了很大的限制。
3.2数值分析法
随着科学技术水平的不断提高和工程建设规模的不断扩大，在土木工程、水利工程中软土地基沉降和堤坝稳定性等力学问题变得越来越复杂，这些问题已很少能用单一的数学方法求得精确解，这时人们借助于计算机和计算数学用数值分析方法对复杂力学问题求出了更为符合实际的近似解。这些数值分析方法有：有限元法、差分法、边界元法、变分法和加权余量法。在以上数值分析的各种方法中，有限元法的发展最为迅速。
有限元法解土工问题就是将研究区域离散成有限数目的区域单元。对每个单元通过差分、边界元等方法把微分方程转化成有限元方程，然后结合初始和边界条件求解线性方程组得到问题的数值解。在用有限元法解决路基沉降问题时，将路堤和地基作为整体划分网格，取孔隙应力、竖向位移和水平向位移为基本未知量，采用理论上较严密的固结理论，在路堤荷载作用下，根据土体的劲度和渗透性建立方程组，从而解得孔压及位移。有限元法应力应变数学模型分弹性模型和弹塑性模型两种，其中弹性模型适用于计算不排水加荷情况下的软土地基变形。
3.3基于实测资料的沉降预估方法
为了有效控制软土路基的整体稳定和工后沉降，需要在路基施工过程中进行变形动态控制，其中关键的技术之一就是：当施工荷载稳定后如何及时根据施工现场前期沉降来预测后期不同时刻的沉降，来指导施工，确定路面及轨道最佳铺筑时间，减少工后沉降量。然而前面提到的固结理论大多都有一定的假设前提，其机理不能完全反映现场的复杂情况，用来计算地基沉降仍然存在很大的局限性，因此计算结果和实际工程的实测结果相差很大。而数值分析方法由于模型描述能力有限、参数选取复杂等原因结果往往也不尽理想。因此，利用实测沉降资料推算后期沉降具有重要的现实意义。根据实测数据推算地基沉降有以下的一些主要方法：
(1)原位试验法
人们可以通过原位试验测定相应参数来估计。通常用来预估地基沉降的原位试验有平板载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验和旁压试验等。但是这些试验由于难以避免的因素，比如仪器的精度、量测装置以及外界环境的影响都会给结果带来很多的误差，预估的沉降值也受到一定的影响。
(2)从初始现场实测资料推算地基沉降
有关这种推算的方法很多，常用的有：1)各类曲线拟合法，如星野法、双曲线法、指数曲线法、对数曲线法等，此类方法利用实测资料中的某段数据，拟合出相应的曲线来计算沉降；2)反演分析法，它通过已有的沉降观测资料，反演得到正分析中的某些输入参数，使正分析得到的结果与实测沉降充分接近；3)人工神经网络法，人工神经网络建模是人工智能的一个研究分支，神经网络具有集体运算和自适应能力，善于联想、综合与推断，能够对路基前期沉降资料进行分析，记忆存储路基填土的基本性质，通过模拟填土性质、加载与变形之间的复杂的函数关系，就可以进行路基沉降的预测。由于人工神经元网络在复杂的非线性系统中较高的建模能力及对数据的良好拟合能力，受到学者的关注和较多的实际应用；4)灰色预测法，利用灰色理论将无规律的原始数据经生成后，变成较有规律的数列模型，如最常用的GM(1，1)模型采用原始数据生成等时距沉降数列，建立起灰色模型，同时消除模型的无限增长，就可以对沉降进行预测。
4结语
高速铁路对路基工后沉降的要求很高，这就要求我们进行计算时提高计算的精度。本文主要探讨了高速铁路路基沉降变形相关问题，分析常见铁路沉降计算方法，指出从初始现场实测资料推算地基沉降应用最为广泛，上述研究工作对于今后我国铁路施工具有一定借鉴作用。
参考文献：
[1]邱恩喜,谢强,赵文.铁路路基沉降预警系统构成及工程应用[J].水文地质工程地质,2008,35(5).
[2]鞠国江.无砟轨道铁路路基沉降观测及评估[J].铁道标准设计,2009,(8).