客运专线地基沉降计算模量的确定

刘志明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

铁路作为国民经济的大动脉，具有运力大、运费低的特点，在经济建设中发挥了重大作用。而我国铁路的密度明显偏低，人均排名居于100位之后。随着经济社会的发展，目前交通运输运力异常紧张，已经成为经济发展的瓶颈。铁路客运快速与货运重载难以兼顾，已无法满足国内客货运输需求，并严重影响旅客运输质量的提高。2004年，经国务院审议通过了国家《中长期铁路网规划》。该规划提出，铁路运输实施客货分线，专门建设以“四纵”、“四横”为主干的客运专线铁路网。

客运专线对路基的稳固性和轨道的状态有相当高的要求，需要高度平顺和稳定的轨下基础，控制变形是客运专线路基设计的关键[1]。在保证路基本体施工可靠性的前提下，客运专线的沉降变形主要由地基沉降确定[2]。

1 模量参数

关于地基沉降的计算方法有很多种[3]，但根据其应用原理，相关理论计算方法主要区别在于计算土体的应力—应变关系不同，即压缩性指标不同，压缩性指标主要指土体模量。

现场具体实际情况及大量实际试验研究表明，在不同的压力下，同一土体具有不同的压缩模量 Es值[4]。在客运专线沉降计算中采用的压缩模量应考虑与地基的应力范围相匹配，针对不同的地基应力范围选取不同压力范围的压缩模量值，根据应力水平考虑地基压缩模量，以期符合路堤填筑的实际情况。

土体模量参数主要通过现场原位试验和室内试验两方面完成。从实际情况来讲，两者各有优劣。现场原位试验可以减少或避免由于取样而带来的扰动，更好地模拟现场情况，减少人为不必要影响，但也存在相关机理理论研究、现场试验控制及相关试验投入较大等不足。室内试验则通过室内试验设备对现场所取土样进行试验研究，该方法具有较好的理论支撑，相对操作过程易于控制，室内试验可重复进行，利于研究开展，但存在土样扰动、试验结果或多或少与现场脱离等方面问题。结合上述两种方法所存在的优缺点，选定胶济客运专线青州取直段特征断面分别进行简单易行的室内固结试验和静力触探试验，采用对比研究的方法，以得出合理可行的计算模量。

2 室内固结试验

本次试验过程中，从取样土体中选择31组土样进行固结试验，分别进行13组粉土、8组粉质黏土、10组黄土质粉质黏土，以确定测段内主要构造土体的压缩性指标。

试验 过 程 中，分 别 在25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa荷载作用下，按规定时间顺序测记试样的高度变化。规定标准加荷时间为24 h一级，施加每级压力后，每小时变形达0.01 mm时，测定试样高度变化作为稳定标准，见表1。将整理的结果绘制出时间—应变曲线，见图1。

表1 土样压缩模量标准值Es MPa

图1 时间—应变曲线

通过整理固结试验结果，可得出土体模量(应力—应变关系)、土体固结系数(应力—时间关系)，将该结论应用于沉降计算过程中，计算结果直接有效。

通过整理，分别确定相应荷载作用下的压缩模量，同时对比整理相关土体数据结论[5-6]，得出各土样相应应力作用下的弦线模量及土体重度。整理试验结果见图2～图4。

图2 粉土固结试验压缩模量标准值

参照上述试验结果，得出土体相关压缩模量标准值，以备后期沉降计算分析。同时采用双曲线对压缩模量曲线进行拟合，结果见表2。相关拟合曲线具有相当高的相关性，从而得出土体压力P与压缩模量Es呈现双曲线线形关系，双曲线公式为

式中，t1、t2为拟合系数。

图3 粉质黏土压缩模量标准值

图4 黄土质粉质黏土压缩模量标准值

表2 双曲线拟合压缩模量结果

3 静力触探试验

静力触探试验首先要进行土层分层[7]。在本次处理过程中，为便利统计，将软土与松软土统一进行。对于测段内所存在的粉质黏土和黄土质粉质黏土，暂无法分离，此处试验结果中，统一归类为粉质黏土;其它土质分类正常进行。相关土层压缩模量从《铁路工程地质原位测试规程》规范查表得到。整理结果见表3。

通过表3可以看出，除粉质黏土外，相关土层差异性不大，后期进行对比分析。

4 对比分析

通过对比分析，整理相关试验结果，最终得出土体模量标准值，以便计算分析。整理现场静力触探结果，与室内固结试验Es100-200结果进行对比分析，具体情况见表4。

表4 地基加固处理前土体试验模量结果

同时以具体断面为例对土体压缩模量进行对比分析，见表5。

通过对比室内固结试验结果与静力触探结果，计算相关变量标准差，发现除特殊区段由于土层判定存在差异性导致模量存在较大偏差外，两者结果相应较为相近，计算沉降量结果显示同样接近。

5 结论

1)室内固结试验土体压力与压缩模量结果呈现双曲线线形变化关系。

2)室内固结试验与静力触探试验结果较为接近，而由于静力触探试验土层分层是由试验参数确定的，因而存在一定偏差。

表5 DK219+100断面压缩模量、沉降值对比

3)针对常规计算采取室内试验确定地基土体模量指标过程中，统一选定100～200 kPa应力间变形得出压缩模量，通过拟合处理，最终结合地基土实际情况，以确定压缩模量进行地基验算，符合地基土体模量参数随土体内部应力—应变变化的实际特征情况。

[1]屈晓辉.客运专线铁路路基设计技术[M].北京:人民交通出版社，2008.

[2]尤昌龙.客运专线路基沉降问题探讨[J].铁道标准设计，2006(7):8-10.

[3]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社，1996.

[4]范梦华.对土压缩模量定义及相关问题的探讨[J].路基工程，2006(6):62-54.

[5]马履霞.土压缩模量变化规律的探讨[J].勘察科学技术，2006(3):42-60.

[6]方焘，刁心宏.填方路堤沉降计算方法探讨[J].铁道建筑，2009(6):77-79.

[7]LUNNET，ROBERTSONPK，POWELLJJM.Cone penetration Testing in Geotechnical Practice[M].Chapman ＆Hall，1997.