高速铁路已经成为一种大家常见的主流的交通工具，它具有高速、便捷、舒适的特点，同时，高铁对于环境造成的污染很小，是一种绿色的交通工具。因为高铁的这些优点以及中国地域广阔的特点，我国在近十年内大力建设高速铁路。经过一定程度的技术经验积累，我国已经成为世界超级高铁大国：不仅建设了全球66%总里程数的高铁线路，更是对中亚和东南亚多个国家实施了高铁修建的技术资金援助，建立起了“高铁外交”。
对于高铁，人们更多关注的是车厢本身的相关技术，但其实对于高铁运行的安全性和舒适性来说，用于承载高铁的下卧轨道-路基-地基系统同样重要，而高铁路基和天然地基设计最关键的技术之一便是沉降控制技术。在高铁使用历史上，发生了很多路基及天然地基沉降导致的安全事故，例如2000年6月，一列从巴黎驶往伦敦的欧洲之星列车在法国北部脱轨，直接造成14人受伤，通过事后的调查发现，铁轨路基和地基沉降产生的不平顺是导致列车脱轨的直接原因。
那么，高铁路基和天然地基为什么会发生沉降呢?首先，高铁路基大都是使用碎石及土混合材料进行填筑的，由于材料存在较大颗粒，因此颗粒间难免存在一些孔隙，同时，路基填土和下卧地基天然地基土都是典型的弹塑性体。在列车行驶过程中，路基填料中的孔隙会由于列车的自重以及动应力产生的压力压缩，同时，土体也会发生塑性即不可恢复的变形，从而导致轨道-路基-地基系统的沉降，轨道表面出现不平整现象。当列车以很高的速度，例如300 km/h，行驶在不平整的轨道上时，是相当危险的，会对安全性造成很大的威胁。
因此，我们针对高铁路基在列车移动荷载作用下的沉降问题展开了系统的研究。研究包括两大部分：第一部分是对路基地基材料基本特性的研究，为后续具体问题的开展提供基础;第二部分是对高铁沉降问题的研究。
(一)高铁路基及地基材料基本特性研究
由于路基的组成材料是路基填料，因此我们首先需要对路基材料的基本性质进行研究。我们分别从浙江宁杭高铁德清站和衢宁铁路松溪站选取高铁路基填料，对路堤填料分别进行3组比重瓶试验，获取其重度分别为重度γ=25.49，23.97，25.00kN/m³。对两组填料进行筛分试验，以确定填料的各种颗粒成分，结果发现路基填料主要由岩块和粗粒土组成，其中岩块又分为块石类和碎石类，粗粒土分为砂类和砾石类;块石类的硬块石和漂石土，碎石类的卵石类和碎石土;砾石类的圆砾土和角砾土，砂类的砾砂、粗砂和中砂。在确定了路基填料的性质之后，还需要进行地基土的力学性质试验。同样是在高铁场地使用PVC管进行取样，之后进行试验试样的制作，制作完成后我们对土样进行了空心圆柱试验和动三轴试验，以确定土体在静力荷载和动力循环荷载条件下的应力和应变关系。以上对于高铁路基和地基几何物理性质的研究能够为后续高铁沉降的研究提供基础。
(二)高铁沉降问题研究
这部分研究也包含两个部分，第一部分是确定性研究，即对某一种参数确定的路基地基系统沉降问题进行研究;而实际工程中，路基和地基材料的性质都是极其不均匀的，很有可能在相隔一公里的不同两个路段上，路基地基的性质存在较大差别，这种差别也称为空间变异性，因此，可以根据可靠度理论，采用随机变量的方法对高铁线路沉降问题进行研究，这也就是研究的第二部分。
(1)高铁沉降确定性研究
对于确定性研究部分，由于现有的铁路系统都是采用桩网复合结构地基降低沉降，因此我们分别采用了模型试验和数值建模的方法，研究了桩承式路基-地基系统的沉降机理，对群桩的设计方法提出了优化，同时也提出了沉降的预测公式。
在模型试验过程中，我们采用了如图1所示的模型装置，该装置以京沪高速铁路徐沪段某试验段桩网加筋软土路基为背景，模拟的路基填高4.4m，边坡率为1：1.5，桩长为25m，桩身直径为0.5m，桩间距为2.5m，正方形布桩。桩帽直径1m，厚40cm。桩帽顶端设置了30cm厚的碎石垫层，夹铺两层设计抗拉强度大于120kN/m的土工格栅。地基土层为第四系覆盖层，系江河湖泊海相沉积深厚淤泥质软土。通过试验可以发现，与天然地基相比，采用桩网复合结构的地基处理后，地基部分的沉降变形已经由占总沉降的65.7%减小到了29.6%;而复合结构路基的沉降变形大部分是由路基部分的压缩变形引起，总沉降也由5.65mm减小到了2.84mm，复合结构路基减沉效果明显。
图1. 高铁沉降模拟试验装置设计图
由于模型试验中，试验对象相关参数的改变需要较大的试验成本，例如桩长的改变等需要对桩身进行进一步加工。因此我们可以采用数值模拟的方法，对更加丰富的工况进行深入的探索。图2是我们使用有限元数值模拟软件建立的有限元模型。我们研究了路基堆填高度、桩间距等参数变化时对路基沉降面高度的影响;同时，我们也使用数值模型对高铁长期沉降进行了预测计算，并编写了我们自己的沉降预测软件。通过研究发现，随着桩净间距的增大，路基内的等沉降面的高度呈线性增大，说明在实际工程中，可以通过减小桩净间距来使等沉降面的高度小于路基高度，从而避免在路基顶面出现差异沉降。
图2. 高铁沉降模拟有限元模型
(2)基于可靠度理论的高铁路基沉降研究
为什么要基于可靠度理论研究高铁沉降呢?因为对于不同的路段，高铁路基和地基的性质存在着较大的不确定性，例如在堆填路基时，不同路段使用的材料性质不可能完全相同，不同路段天然地基土体性质不可能完全一样，桩网在施工搅拌时精度不可能完全相同等。这些不确定性都会导致高铁线路的沉降产生较大的差异。所以我们引入了可靠度理论，对高铁路基沉降的控制设计方法进行了进一步的研究。
在这一部分，我们主要建立了考虑路基地基性质空间变异性的数值模型，分析了空间变异性对于路基沉降的影响。图3所示的就是根据可靠度模型计算的沉降预测结果，图形的横轴代表了时间，单位是年，纵轴则代表了路基的沉降。在这里，沉降的计算结果不再是一个确定数值，而是在可能的范围之内，同时可以发现，随着时间的增长，沉降可能的范围在逐渐增大，也就是说随着时间增长，沉降的不确定性在逐渐增大。基于数值模型研究，我们也提出了基于可靠度理论的高铁沉降预测公式，能够为高铁路基工程设计提供一定的指导。
图3. 基于可靠度的高铁沉降预测结果
总的来说，对于高铁线路的沉降问题，可以使用试验和数值模拟的方法，对沉降的机理进行研究，对桩网复合地基相关参数进行优化，同时提出沉降预测的公式，为高铁建设提出参考与建议，从而为高铁的安全运行保驾护航，也为我们祖国建设称为高铁强国贡献自己的一份力量。
致谢
本文以国家重点基础研究发展计划(973)青年科学家专题项目“高速铁路软土路基长期运营沉降与环境振动控制”(项目编号：2014CB049100)的研究工作为契机，撰写此科普文章，为普及高铁运营沉降的相关知识尽绵薄之力。
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