京沪高速铁路宿州东站地基土的基本特性及其地基处理测试分析

2011-06-07沈伟升

铁道勘察 2011年1期

沈伟升

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

无砟轨道路基工后沉降应符合扣件调整能力和线路竖曲线圆顺的要求——工后沉降不宜超过15 mm；沉降比较均匀并且调整轨面高程后的竖曲线半径符合Rsh≥0.4Vsj2的要求时,允许的工后沉降为30 mm[2]。如此严格的工后沉降要求,为路基的地基处理带来很大困难。京沪高速铁路宿州站路基面宽14.2～52.6 m,填高6.3～7.3 m,地基为第四系土质地层,勘探揭露深度达到70 m以上,经理论计算,常规地基处理方式的处理深度难以达到设计要求。为此,对宿州站地层进行了详细的勘探测试,详细查明了地基土的工程特性,采用了管桩桩筏整体基础的地基处理措施。现场测试表明,经处理后的地基总沉降量大大减小,工后沉降可以控制在规范要求范围以内。

1 地基土基本物理特性

表1为宿州站地基土物理性质指标。地基土各层物理性质均一性较好,天然含水率、天然密度、颗粒密度、天然孔隙比、液限、塑限指标统计值的变异系数较小,液性指数、塑性指数统计值的变异系数较大。

表1 宿州站地层物理力学性质

2 地基土力学特性

2.1 基本承载力

采用了室内土工试验、静力触探、螺旋板载荷试验和旁压试验对地基土的基本承载力进行对比测试。对于静力触探,为避免姜石的影响导致数据失真,同一层位取相对较小的数值进行对比；螺旋板和旁压试验,由于其受力面积较大,很容易碰到姜石,所以获取的地基参数是土和姜石的综合作用,取其均值进行承载力计算。

室内试验计算承载力按照《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007),根据土层的天然含水率、天然孔隙比、液性指数、压缩模量等指标查表计算；静力触探、旁压试验计算基本承载力的方法按照《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041—2003)的相关换算公式进行换算得出；螺旋板载荷试验按照P-S曲线的不同形式,按照拐点法、相对沉降法或极限荷载法直接确定其基本承载力。几种方法中,螺旋板载荷试验是直接测定的,其值最为准确,其余均为相关公式换算值。

表2为宿州站各种手段取得承载力的对比。

表2 宿州站试验工点承载力对比

总体来说,各方法的测试值有一定的差距。以螺旋板载荷试验值作为地基基本承载力,取其他三种方法的推算值作为承载力设计值都是偏于安全的。由综合测试可知,地基土承载能力能够满足宿州站填土荷载和列车荷载的作用。

2.2 抗剪强度

试验点地基土室内试验的抗剪强度指标统计见表3。各地层的C、φ指标较高,离散性也较大,黏性土的C值高于粉土、φ值低于粉土。经检算,宿州站在填高6.3～7.3 m的情况下,地基在有荷状态下的稳定系数一般在1.6～1.7左右,稳定性不存在问题。

表3 宿州试验点强度指标统计

3 地基土变形特性

3.1 压缩模量与变形模量

宿州站浅层主要分布Q4黄淮冲洪积地层,29 m以下为老黏土(⑤层),地基土压缩系数在0.15～0.29之间,属中等压缩性土。地基土的压缩模量和变形模量的测试方法有多种,土工试验可以直接求出不同压力水平下的压缩模量,其缺点是土样采取过程中会有一定程度的扰动和应力释放,影响测量结果；静力触探、旁压试验通过《铁路工程地质原位测试规程》中相关公式可以换算压缩模量和变形模量,其精度取决于相关公式中该类型土的样本多少；螺旋板载荷试验可直接测量土的变形模量,准确性相对较高,但是如果土质较硬,则探杆的变形会造成测试结果偏小。各测试手段获取模量值见表4。

表4 宿州地区各测试手段获取模量值及对比

由静探换算的压缩模量和土工试验对比可得,两者的比值为在0.95～1.99,最高2.41；而从旁压试验与土工试验的压缩模量对比看,比值在0.58～3.03之间,较为离散。设计计算时一般取土工试验相应压力水平下的压缩模量比较方便。

砂性土静力触探推算的变形模量是压缩模量的1.0～1.2倍,而黏性土为1.7～3.0倍,老黏土的比值要大于一般黏性土；旁压通过查表所得的变形模量与压缩模量比值,砂性土为1.2～1.6,黏性土为1.2～1.65,老黏土稍大。静探、旁压、螺旋板变形模量比较：不论砂性土还是黏性土甚至老黏土,E0静探/E0旁压在0.9～1.3之间,均值为1.14,说明两种试验手段变形模量结果接近,其中老黏土旁压所得变形模量稍大。螺旋板测得变形模量稍小,这可能由于探杆自身的弹性变形造成；但快、慢两试验点的重复性好,除3.2～4.3 m处的粉土层外,其他土层快、慢法所求变形模量均不超过该层模量均值的12%；3.2～4.3 m处的粉土层快慢法存在差异的原因可能为姜石的影响。所以,对于黄淮冲积平原Q4地层求取变形模量,静探和旁压方法是可取的；而螺旋板载荷试验受制于姜石粒径和探杆强度,有一定的局限性。

3.2 地基土的超固结特性

图1为土层的超固结比与地层深度的关系,可以看出浅层存在轻微的超固结性,20 m深度以下土层基本是正常固结的。

图1 宿州试验工点土层超固结比随深度变化曲线

3.3 天然地基土在路堤荷载作用的变形特性

图2 试验工点横断面(单位：m)

为验证地基土在路堤荷载作用下的变形特性,在宿州站保养点线天然地基进行填筑试验,试验断面如图2所示。按文献[3]计算,试验断面的理论计算沉降为265.2 mm(综合修正系数为0.65),实际根据沉降曲线采用修正双曲线法计算的沉降为141.7 mm(见图3),实际推算值为理论计算值的53.4%,反算的综合修正系数为0.35。填筑完成后不同时间沉降完成的比例如图4所示,填筑刚完成后为86%,放置6个月后已经达到93%。一般认为,对于中等压缩性黏性土,建筑物在施工期可以完成最终沉降量的20%～50%,砂土可以完成80%[3～4]。本工点的实测数值表明,在路堤荷载这种相对较低的荷载水平下,这种性质的地层,其沉降完成速度是非常快的。这为处理该类土计算地基的工后沉降提供了依据。

图3 试验工点沉降观测及预测曲线

图4 沉降完成比例-时间曲线

4 地基处理方案及效果

宿州站路堤宽度为14.2～52.6 m,填高6.3～7.3 m,站台部分填高可达8.2 m。按常规理论计算,如果要求工后沉降达到规范要求,则处理深度会非常深,大概在30～33 m左右。但是根据前文的分析可知,这种地基土条件下,实测沉降只有理论计算值的53.4%,沉降收敛的速度非常快,因此实际的工后沉降远比理论计算值小,地基处理深度可以减少。

经计算比较,宿州站设计采用了桩筏整体结构(PHC-A500型预应力管桩+C30钢筋混凝土筏板锚固连接)+超载预压对地基进行处理,见图5。桩长一般18～20 m,桩间距2.4 m,筏板厚0.5 m,预压高度3～4 m。现场观测测试表明,预压6～9个月后,宿州站地基总沉降量最大约为5 cm,且已经基本稳定。在宿州站选取了2个测试断面进行沉降观测,DK755+650断面路基面宽14.2 m,处理深度18.5 m；DK756+718断面路基面宽43.2 m,处理深度19.5 m。两个断面监测的实际沉降推算值分别为22.9 mm、53.0 mm,只占实体深基础法理论计算沉降的21%、32%。经沉降评估单位评估,宿州站的工后沉降均小于15 mm,满足规范要求,沉降控制效果良好。