高速铁路非饱和土地基处理技术

2011-01-15张建文李安洪蒋关鲁

铁道标准设计 2011年2期

张建文,刘刚,李安洪,蒋关鲁

(1.中国中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

1 概述

随着我国高速铁路的快速发展,为了提高线路的稳定性和平顺性,保证列车高速、安全的运营,对铁路路基的沉降量控制提出了更加严格的要求。鉴于非饱和土内部结构的复杂性,在非饱和土地基上修筑高速铁路,在沉降量控制和施工工期规划上存在很大不确定性。如果完全采用经典饱和理论对非饱和土地基进行加固处理,不仅无法满足高速铁路设计和施工要求,甚至可能出现错误。通过非饱和土固结压缩试验,深入研究其固结压缩特性及变形机理。通过对非饱和土地基采用不同的加固工法进行加固处理,监测路基填筑期和放置期的沉降变形,对其加固效果进行评价,建立非饱和土地基处理新技术,以更好地满足我国高速铁路快速发展的需要。

2 非饱和土水土特性

非饱和土的吸力由渗透吸力和基质吸力两部分组成[1],其中基质吸力为土中水自由能的毛细部分,是由非饱和土中收缩膜分子间的作用力引起的,通常采用孔隙水压力(uw)和孔隙气压力(ua)的差值来定义,如式(1)所示：

(1)

式中，Ts为水的表面张力；Rs为弯液面的半径。

为了研究非饱和土的水土特性，通常采用水土特征曲线(SWCC)进行表征。影响水土特征曲线的因素非常复杂,但矿物成分和孔隙结构是影响水土特征曲线的主要因素。这主要是由于孔隙结构影响了收缩膜的大小和形状,造成土体基质吸力的差异。而对于黏粒含量高的非饱和土,持水能力强,收缩膜的接触角大,土体的基质吸力相应较高。图1为非饱和原状粉质黏土的水土特征曲线,从图中可以看出土体的基质吸力随着含水量的减小而增加。曲线按照含水量由低到高的顺序,大致可分为3个阶段：BC段，土体的含水量较低,土中孔隙气连通,水量的微小变化会引起含水量的剧烈变化；AB段，基质吸力随着含水量的减小变化幅度不大,该阶段是土体由气封闭向水封闭转化的过程,转化初期含水量变化幅度较小,土体处于双封闭状态,孔隙水和孔隙气都不连续；随着转化幅度增大,土颗粒接触点的水膜开始搭结并最终转化为水封闭结构；OA段，土体含水量较高,土中孔隙充满水,土体颗粒接触点的水膜是连续的,基质吸力随含水量变化显著。

图1中A、B两点分别对应土体的进气值和残余含水量,非饱和粉质黏土的进气值大约在35 kPa,含水量w=23.6%；残余含水量大约为11.87%。

图1 非饱和粉质黏土水土特征曲线[2]

3 非饱和土固结压缩特性

3.1 瞬时沉降

非饱和土受外荷载作用产生的沉降主要是由瞬时沉降和固结沉降两部分组成,后者往往比前者要小的多。瞬时沉降是由土体的剪应力引起的,加荷初期孔隙水和孔隙气来不及排出,土体的体积没有变化。此时,瞬间沉降可按照以下弹性力学公式近似计算

(2)

式中，p为路堤底面垂直荷载；B为路堤宽度；w为考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的系数；μ为泊松比；E为地基土的变形模量。

从上式可以看出,土体的泊松比越小,瞬时沉降越大。通过K0固结试验可得到不同含水量的非饱和土泊松比。表1列举了不同含水量的非饱和土样测试结果,含水量22.12%和含水量18.06%的土体侧压力系数分别为0.61和0.52,泊松比分别为0.37和0.34。显然,含水量高的土体比含水量低的土体侧压力系数要大,也就是说低饱和土体的瞬时沉降量要大于高饱和土体的瞬时沉降量,饱和土的瞬时沉降量则要小于非饱和土的瞬时沉降量。这是由非饱和土内部孔隙流体的压缩性引起的。用Ef、Ew、Ea分别表示流体的体变模量、水的体变模量和气体的体变模量,它们三者之间的关系为

(3)

假定水是不可压缩的,结合前述对水土特征曲线的分析结果,当土体的饱和度(Sr)低于82.8%时,土体中气体已经完全连通或处于内部连通。由于饱和度较低,孔隙流体模量较小,土体的压缩性较大。当饱和度(Sr)高于82.8%时,孔隙气处于完全封闭状态,此时饱和度的变化将影响孔隙流体的体变模量和土骨架模量的可比性,饱和度越接近于1,孔隙流体的体积模量变化越剧烈。当饱和度(Sr)等于1时,土体孔隙中全部充满水,此时孔隙流体的体变模量远远大于土骨架的压缩模量,通常视为不可压缩流体。

表1 K0固结试验数据[2]

3.2 饱和度与固结时间的关系

将土体按照饱和程度的高低分为4个阶段：低饱和度(Sr<52.9%)、中等饱和度(52.9%≤Sr<82.8%)、高饱和度(82.8%≤Sr<90%)和饱和土(Sr≥90%)。从图2可以看出,在低饱和土体的范围内,固结时间随着饱和度(Sr)的不断增加逐渐延长。这是因为土体初始饱和度越大,孔隙中的气体越少,而土体的透水性远远小于透气性,造成土体的固结过程缓慢。当土体的饱和度达到高饱和土体的范围时,孔隙水已经完全连通并且可以传递水压力,土体的固结时间开始减小,并逐渐趋近于饱和土的固结时间[6],也就是说,饱和土的固结时间比高饱和度非饱和土的固结时间短。

图2 非饱和粉质黏土固结时间与初始饱和度关系曲线

4 非饱和土地基加固工法

4.1 试验断面

考虑现场地基属于低饱和度非饱和土及上述研究结果,试验段内分别采用3种不同的工法进行加固处理,试验断面如下。

DkK219+100(短搅拌桩处理)：路基高度7.75 m,桩长6.5 m,嵌入下卧层0.5 m以上,桩径0.5 m,桩间距1.1 m,桩顶设置40 cm厚砂砾石垫层。

DkK225+700(换填)：路基高度8.43 m,上覆0～0.5 m松软土,通过清除换填予以改良,换填深度2 m。

DkK226+925(强夯处理)：路基高度7.3 m,断面地基表面1～5 m黄土质粉质黏土,具有Ⅰ级轻微非自重湿陷性,采用强夯改良处理,地基面设置60 cm厚二八灰土垫层。夯锤重力150～300 kN,点夯8～15次,夯击能1 000～2 000 kN·m,夯点间距3.5 m；满夯分3次夯实,夯击能1 000 kN·m。

4.2 非饱和土地基沉降分析

地基土的沉降量受基底应力、附加应力衰减以及地基土工程力学性质的影响并存在显著差异。沉降计算中通常采用室内试验和现场原位试验测得的压缩模量(Es)和原位变形模量(E0)作为计算参数。从理论上讲,通过弹性力学的方法可推求出两者之间的函数关系,如下式

E0=βEs

(4)

从上式可以看出,土体的压缩模量要大于变形模量,但是工程实践中发现通过现场原位试验得到的变形模量大于压缩模量。产生上述不一致的原因在于,室内试验所得到的压缩模量由于土样扰动和应力历史等因素的影响无法反映真实的应力状态。对于结构性强,灵敏度高的正常固结和超固结土来说,室内试验中所采用的荷载远小于实际的应力范围,造成理论计算值(β)比实际情况小的多,此时变形模量可能出现大于1的情况,甚至达到2以上,如表2所示。相关研究表明,土体越坚硬,E0和βEs的差距越大[3]。此外,不同的测试手段采用的取值标准、误差程度存在较大差异,都会导致计算值与实测值之间的误差。

表2 变形模量与压缩模量间的经验关系[4]

为了消除上述因素造成的计算误差,通过修正的均布应力法计算基底应力[7],并采用原位变形模量计算地基沉降量,对于水泥搅拌桩这类复合地基考虑到桩的刺入作用采用L/3法进行计算,表3列出了不同断面的地基沉降量计算值。

表3 不同断面沉降计算

注：变形模量由平板荷载试验测得。

5 现场沉降观测

本次观测主要研究路基填筑和放置期间非饱和土地基和路基的沉降变形规律,同时通过分析大量的实测数据对各种加固工法下非饱和土地基的加固效果进行评价。

5.1 仪器布设

为了观测深厚非饱和土地基的沉降规律,分别埋设沉降板和沉降磁环量测路基填筑过程中地表的沉降量和地基土的整体沉降,同时采用单点沉降仪测定地面以下土层的分层压缩量。考虑到路基和地基的整体稳定性,通过布设位移观测桩和测斜管监测路基和地基整体稳定性,并研究路基稳定性与沉降变形的关系。对于非饱和土而言,施工过程中饱和度的变化对其工程力学性质有很大影响,故在地基土中布设孔隙水压力计,以监测孔隙水的变化,仪器布置如图3所示。

图3 胶济线地基及路基沉降观测仪器布设

5.2 沉降观测数据

5.2.1 侧向位移

图4～图6为3个断面不同深度的水平位移,从图中可以看出,填筑过程中水平位移整体向外偏移,水平位移随着时间和荷载的增加,偏移量加大,累计最大位移分别为：2.2、8.9、8 mm。总体上累计水平位移量较小,地基的水平位移对地基的沉降影响较小。

由文献[5]的数据可知,换填和强夯加固的非饱和土地基侧向位移曲线总体呈弓形,位移量大,最大位移一般发生在相对软弱的土层。由图4～图6可知,与另外两种工法相比,经水泥搅拌桩加固的地基土侧向位移有明显不同,位移量要小的多,最大侧向位移发生在加固区以下,曲线的最大曲率也相对较小。

图4 水泥搅拌桩处理断面不同深度水平位移

图5 换填处理断面不同深度水平位移

图6 强夯处理断面不同深度水平位移

将3种工法的最大侧向位移进行归一化处理后可以看出(如图7～图9所示)：(1)换填处理后的地基在路基填筑前期侧向位移增长速度最快,位移量较大,并且保持相对稳定的增长速率，路基开始填筑约3个月后侧向位移开始呈现出逐步变缓的趋势；(2)水泥搅拌桩处理地基在路基填筑前期的变形规律与强夯加固类似,但是随着路基填筑高度的增加,侧向位移迅速收敛；(3)强夯处理后的地基在路基填筑前期侧向变形较小,荷载和位移呈线性增长,但在路基填筑后期,侧向位移突然增大,并随着路基填筑完成后迅速稳定下来。在路基填筑完成的相当长一段时间内,采用水泥搅拌桩加固处理地基的侧向位移最稳定。

图7 水泥搅拌桩处理断面最大侧向位移变化曲线

图8 换填处理断面最大侧向位移变化曲线

图9 强夯处理断面最大侧向位移变化曲线

通过上述对侧向位移的分析,3种不同工法加固处理地基的变形形态存在显著差异。对于水泥搅拌桩加固处理地基而言,桩体承担了大部分路堤荷载,并通过桩体传递至地基下卧层,桩间土所承担的附加应力很小,此时水泥搅拌桩复合地基限制了地基土的变形,因而水泥搅拌桩的侧向位移很小,并且主要集中在复合地基下卧层。强夯加固地基侧向变形明显滞后于路基填土高度,主要是因为强夯加固的影响范围通常在4～5 m,路基填土高度较低时,附加应力的影响集中在强夯加固区,对地基土的侧向变形影响较小,随着路基填筑高度的增加,附加应力对加固区以下土层的影响逐渐显现,此时最大侧向位移发生在地表以下4.5～5.5 m的位置。

5.2.2 竖向位移

限于篇幅,本文仅讨论该工点的非饱和土地基处理方法及地基沉降。图10～图12分别为水泥搅拌桩加固地基、换填加固地基和强夯加固地基的沉降观测结果,测试时间从路基开始填筑至铺轨完成后约3个月。从图中可以看出,3种地基土地表沉降实测值分别为84、142.6 mm和129.5 mm,其中路基填筑期间的沉降分别为80、124.4 mm和106.1 mm。采用双曲线法预测地基的最终沉降量[6],不同工况下非饱和土地基的沉降见表4。

图10 水泥搅拌桩处理断面沉降-时间曲线

图11 换填处理断面沉降-时间曲线

图12 强夯处理断面沉降-时间曲线

由图10～图12和表4可知,地基沉降可分为3个阶段：(1)填筑期地基沉降主要由路基本体的自重引起,沉降量较大。路基填筑速度决定其沉降速率的大小,通常填筑速度越快,沉降速率越大。不同断面填筑期的地基沉降分别完成最终沉降量的95.2%、87.2%和81.9%。(2)填筑完成以后的沉降速率较填筑期明显放缓,沉降量也大幅度减小,由于受前期路基填筑速度的影响,填筑速度越快的断面,后期沉降越大；反之,沉降越小。不同断面地基土放置期+工后沉降分别占最终沉降量的4.8%、12.8%和18.1%。

表4 不同断面地基沉降量 mm

图13～图14分别是水泥搅拌桩和强夯加固非饱和土地基加固区和下卧层的沉降量,从表5可以看出,加固区沉降量分别占总沉降量的35.1%和16.1%,下卧层沉降量分别占总沉降量的64.9%和83.9%。结合表3还可以看出,计算值与实测值基本吻合。从沉降量上看,经水泥搅拌桩加固后的地基沉降量最小。这说明非饱和土地基经过水泥搅拌桩加固后,传递至下卧层的附加应力有所减小。