高速铁路建设中广泛使用的无砟轨道对下部基础的沉降和差异沉降提出了严格要求，相比桥、隧工程，路基的工后沉降更难以控制。路基上部沉降主要由列车高速运行时产生的动荷载引起[1]，在对列车动荷载影响范围的分析中，遂渝铁路无砟轨道综合试验段[2]、武广高速铁路[3]实测路基面下不同深度处的动应力的统计表明，距路基面2.7 m深度处动应力衰减约60%；模型试验[4]表明，基床底面的最大动应力约为路基面的30%；数值模拟[5]表明，路基面下1 m处应力约为路基面应力的1/3左右。
目前, 对动载作用下土体的变形研究主要分为两类：一类基于经验拟合公式的简化算法[6-9]；另一类基于复杂本构模型的有限元理论分析方法[10-13]。有限元方法参数不易取得，循环次数较高导致误差较大[13]，且由于土体本构关系复杂，计算代价较大[14]；经验拟合公式较为实用，但存在预测模型与实际土体性状脱节的问题[14]，且不能考虑变形与孔隙水压相互影响[13]。中国对高速铁路沉降监测数据不少，如何利用基础理论和现场试验结果, 来分析高铁路基由列车循环荷载引起的累积变形非常必要。
笔者基于现场实测数据，通过分析工后沉降组成，用计算与推算方法得到上部静荷载作用下地基的沉降量，与实测运营期沉降取差值，获取了运营后路基沉降动载作用下的测试值。
沪宁城际铁路是目前中国建设的工期最短、路基比例最高、一次建成最长的城际铁路。全线位于长江三角洲深厚软土地区，地质条件较差；为了保障沪宁城际铁路的持久、平稳、安全运行，对线路沉降情况进行了全面监测。
建设期CFG桩筏复合地基综合采用了沉降板、分层沉降管、单点沉降计3种测试方法。CFG桩筏复合地基测试剖面如图 1所示，所取建设期地基沉降数据由线路中心的沉降板提供。
运营期沉降监测时间为2010年7月—2014年7月。重点监测段沉降监测内容包括：线路水准基点控制网的管理和维护、路堤表面CPⅢ点、底座板、轨道板和基准轨面沉降变形。所取运营沉降数据由轨道维护基点提供，轨道维护基点位于轨道板上，其测量数据反映路基工后沉降的状况，如图 2。沉降变形监测剖面如图 3。
选取不同区段及不同沉降量值的重点监测段内断面，断面K83+878.6、K166+244.8、K235+781.1、K279+607.8分别编号为①、②、③、④，计算参数如表 1~表 4所示。
路基在铺轨之后产生的沉降为工后沉降，由施工完成后填土压密下沉、列车荷载引起的基床累积沉降和辅轨后软土地基仍未完成的沉降组成。试验研究[15-16]表明，路堤沉降主要由地基沉降控制，因高铁对路基本体填料质量及压实标准要求较高，且填筑后要求保证必要的放置调整期，工后沉降中可不考虑本体(含基床部分)的残余变形。故运营后的实测沉降主要由地基在恒载下的沉降及列车荷载引起的沉降组成，如图 4所示。
通过试算与实测沉降对比，选择现有精度最高的沉降计算方法。
1) 复合模量法《客运专线铁路路基设计技术》推荐的加固区计算采用复合模量法将桩和土体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量Ecs来评价复合土体的压缩性。
2) 基于荷载传递法的计算根据桩、土的变形协调及荷载传递推导了一种加固区沉降计算方法，结合实测数据建立桩筏复合地基反力模型，如图 5所示。
如图 6所示，根据等沉面上下方桩、土不同的受力平衡条件与变形协调条件：等沉面以上土体压缩量=桩体上穿量，等沉面以下土体压缩量=桩体下刺量，以及桩和桩间土荷载分担条件；建立求解方程组，可求得加固区沉降S。
下卧层的计算关键在于确定下卧层的附加应力。参考Mindlin-Boussinesq联合求解[17]，采用Boussinesq解计算桩底处条形分布的桩间土荷载，使用Mindlin法计算桩端阻力和桩侧摩阻力在下卧层产生的额外附加应力。
改进的高木俊介法，可以考虑分级荷载的施加计算固结度，修正方法在《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002) 中推荐使用。把桩和桩周土视为均质复合材料，根据固结分层计算固结度，再计算整个地基得平均固结度。
沉降推算使用《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》中给出的参考方法——曲线拟合法，基于实测数据，具有快捷、计算简单等优点。推算方法选取能够较好适用于路基小变形情况的修正双曲线拟合法；拟合曲线与实测数据吻合度较高，建设期实测数据能够满足拟合方法的要求。
与实测值的试算对比，荷载传递法不论在计算精度还是稳定性上都为最优，Mindlin-Boussinesq联合求解计算附加应力精度较高。沉降推算方法与计算方法作为相互验证。
图 8为K83+878.6断面的沉降随时间变化曲线，包括了建设期及运营期的实测总沉降与运营后静载作用沉降。随时间的增长，实测沉降与静载沉降逐渐增大，但明显可以看出沉降曲线逐渐趋于平缓；开通运营后实测沉降与静载沉降曲线不重合，有一定差值。图 9~图 11为不同沉降量值断面的沉降随时间变化曲线；为保证沉降曲线精度，只选取了运营后的实测沉降。
不同沉降量值的断面，其沉降随时间逐渐增加，沉降速率随时间的增大而逐渐减小；静载沉降占总沉降比例各不相同，3、6、10 mm沉降量值的断面，其开通运营后静载沉降占总沉降比例分别为39.15%、62.54%、76.23%，两者呈正相关关系。
图 12~图 15为获取的动载沉降与开通运营后实测总沉降随时间变化曲线。与静载引起的沉降不同，动载引起的沉降量值与总沉降量值相关关系不大；在实测总沉降很小(3~4 mm)的断面，动载引起的沉降占比较大，平均可达62.4%，在实测总沉降相对偏大(6~10 mm)的断面，动载引起的沉降占比平均为30.53%。
对于运营后路基实测沉降较大的断面，动载占总沉降比例较小，对实测总沉降的贡献有限，并不是引起总体沉降偏大的主要原因。
图 16所示4个断面沉降随时间的发展一致性较大，虽然其运营后实测沉降量差异明显，但动载作用下的沉降量差异并不大，说明不同地质条件及路堤填筑高度对动载引起沉降的影响较小；这与基床设计的原理相一致，动应力传递至基床底部已经衰减了大部分。
图 16所示4个断面沉降随着运营时间的增长呈现出非线性增大的趋势；就沉降速率来看，在运营后的初期，即施加动荷载的前期，平均沉降速率增大较快, 并在第16个月时达到最大，达0.11 mm/月；之后沉降速率缓慢减小，在运营2 a左右时沉降速率减小较快，并逐渐减慢，沉降趋于稳定；数据显示，运营第4年时动载沉降量在2~3 mm。
沪宁城际铁路运营以来一直维持高密度运行，开行列车数量无明显变化，可以判定列车荷载频率无明显变化。
1) 目前对循环荷载下路基沉降量的研究，通过京沪高铁现场激振试验与经验公式预测[9]，在400万次振动(约为京沪运行3.6 a)时沉降约为2 mm；杭长客专某断面足尺模型试验加载[18]，沉降在1~2 a间达到1.5 mm。
2) 对循环荷载下路基沉降速率的研究，依据瑞典高速列车实测振动，通过经验公式预测[10]，沉降在加载初期发展迅速，之后发展缓慢；杭长客专某断面足尺模型加载[18]，沉降前期发展较快，后期平缓；依据青藏铁路实测振动，结合有限元模拟[11]，路基最大变形速率发生在通车约1 a时间，之后沉降速率减小。
3) 动载沉降曲线与文献[19]室内试验分析中循环荷载作用下土体的变形规律一致。
以上各型试验与理论分析结果验证了方法的可行性。
依托沪宁城际铁路现场(建设期填筑与运营期沉降)监测数据，基于分离动、静荷载沉降的思路，分析了列车荷载引起的沉降特性：
1) 基于分离动、静荷载沉降的方法，结合实测数据分析列车荷载引起的沉降具有一定的合理性，可以为相关研究提供参考。
2) 列车动荷载引起的沉降对开通运营后实测沉降的贡献有限，并不是引起总体沉降偏大的主要原因。
3) 不同断面的动荷载沉降随时间发展一致性较大；不同地质条件及路堤填筑高度对动载引起沉降的影响不明显。
4) 列车动荷载引起的沉降，就沉降速率而言，在运营初期先增大，并在约1.3 a时达到最大，之后沉降速率减小，沉降逐渐趋于稳定；运营的第4年动载引起的累积沉降约为2~3 mm。
2017, Vol. 39 Issue (6): 22-29
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