土工格栅在高速铁路软土地基处理中的应用

余雷

（铁道部经济规划研究院线路咨询部 高级工程师，北京 100038）

0 前言

高速铁路对结构物的工后沉降要求非常严格。《高速铁路设计规范》规定，有砟轨道一般地段路基工后沉降要求小于5 cm，竣工初期年沉降速率小于2 cm，桥路过渡段路基工后沉降要求控制在3 cm以内[1]。

有关土工格栅在软土地基中的应用研究比较多，但是大多数是针对某一种地基处理进行的研究[2－8]，部分研究成果还存在一定的争议[9]。为了对比在不同地基处理中的效果，铁道第四勘察设计院等单位对此进行了现场试验研究。试验中采用了浆喷桩、粉喷桩、塑料排水板超载预压、真空联合堆载预压、砂桩超载预压等方法处理软土地基，实测了各种方法处理软土地基中土工格栅的变形，分析了其变形规律，可供参考。

1 试验概况及工程地质概况[10]

1.1 试验段概况

试验工点属太湖湖积平原，地形平坦，有人工鱼塘分布，地面标高2.5 m左右。试验工点范围为0+000~0+850，线路长度850 m，包括路基试验段795.6 m，2个桥台，1个桥墩，4座涵洞。路基试验段线路为双线，路基面宽13.8 m，线间距5.0 m。路堤设计填土高4.35~5.95 m，路堤边坡坡率为1誜1.5。试验地基处理措施详见表1。

试验段共设置了13个观测测试断面，其中包括主观测测试断面7个，辅助断面6个。主要测试项目包括地表沉降、地基分层沉降、剖面沉降、路基面沉降、桩土沉降差、地基侧向位移、边桩位移等。全段共设置了测试、测量、观测点1 149个。各断面土工格栅测试元件布置见表2。

表1 软土地基加固设计措施

表2 土工格栅测试元件布置一览表

1.2 试验段工程地质概况

试验段地层岩性自上而下分述为：①黏土，灰黄色，软/硬塑，夹有少量铁锰结核，表层0.2～0.5 m为种植土，属中等压缩性土。②淤泥质粉质黏土，深灰色，流塑，含少量腐殖物，局部夹有薄层粉砂，大多数灵敏度超过16。③黏土，粉质黏土，粉土，局部夹薄层粉砂，呈交错断续沉积，层理清晰，属中等偏低压缩性土。④粉砂，可分为上下两层，上部夹有薄层黏性土，中密/密实，饱和。地基土物理力学指标统计见表3。

2 测试分析

2.1 搅拌桩地基土工格栅受力特点分析

图1为有无土工格栅搅拌桩地基桩土应力比随着荷载、时间变化曲线。从图中可以看出，未铺设土工格栅的0＋180断面，其桩土应力比在整个观测期间均比0＋240断面大，在荷载稳定的后期，桩土应力比有所减少。

表3 土体物理力学指标统计一览表

铺设土工格栅的0＋240断面桩土应力比在填筑荷载稳定后变化幅度很小，而0＋180断面桩土应力比起伏较大。说明铺设土工格栅基底的应力得到了进一步的均化。

典型搅拌桩复合地基基底不同位置土工格栅变形分布见图2。从图中可知，土工格栅在铺设初期，其变形受路堤荷载的影响较大，土工格栅变形增加较快；至填筑荷载为14.83 kPa，加荷期能观测到土工格栅的应变经过较短时间的减小又继续增大的现象；至填筑荷载为91.72 kPa（大于路堤“拱效应”高度），大部分土工格栅的应变基本保持不变，并随时间增长而有所减小。表明在路堤施工后期和施工完成后，通过路堤“拱效应”及土工格栅的应力调整作用，格栅应力状态趋于一种较稳定的水平。

图2 基底不同位置土工格栅变形分布变化曲线（0＋240 断面）

各时间段土工格栅的应变沿横向分布并不均匀。搅拌桩复合地基的土工格栅应变在0.9%～2.5%之间，总的趋势是路基中心附近的应变值较两侧大，相应的应力为8.1～22.5 kN/m，约为极限抗拉强度的25%左右。考虑碎石垫层中施工损伤、材料老化及蠕变等因素，搅拌桩试验段所采用土工格栅的强度基本上是合适的。

2.2 真空预压地基土工格栅受力特点分析

土工格栅应变随时间、荷载的变化及沿横断面的变化曲线见图3。从图中可看出，随填土高度、时间的增长，土工格栅受到的拉力缓慢增加。应变沿横向分布呈不规则的锯齿形，总体而言呈路基中心附近大而两侧小的规律，0+342断面最大应变为1.46%，相应的应力为12.3 kN/m，发挥的强度约为极限值的20%。

图3 真空联合堆载预压地基土工格栅应变沿横断面的分布(0+342断面)

鉴于本工点真空预压采用了两布两膜工艺，在荷载施工期间具有与土工格栅等同的作用，且真空预压对地基稳定有利，因此建议采用真空预压地段可不铺设土工格栅。

2.3 超载预压地基土工格栅应变分析

土工格栅应变随时间、荷载的变化及沿横断面的变化曲线见图4。从图中可看出，随填土高度、时间的增长，土工格栅受到的拉力呈缓慢增加的趋势，0+535、0+628两个断面最大应变分别为4.3%、3.5%，均出现在路基中心附近，两侧多数测点土工格栅的变形在2.0%左右。最大的应力为20.4～31.2 kN/m，约为土工格栅极限抗拉强度的50%。表明在路堤填筑期间土工格栅对保持路基的稳定起到了一定的作用。

测试结果对比分析表明，超载预压试验段，由于路基中心与路基坡脚的差异沉降大，土工格栅受到的应力比真空联合堆载预压地基的大。

2.4 砂桩地基土工格栅应变分析

图5为0+735断面土工格栅荷载/时间/应变曲线。从图中可知，土工格栅在铺设初期，应变受施工影响变化较大；经过1～2层填土之后便逐渐稳定，此时中心应变比两侧小。随荷载的增加，应变缓慢增大，线路中心增幅较两侧大，在荷载作用下线路中心线附近的沉降量比两侧的大，形成明显的凹状，位于线路中心附近的土工格栅总体上受到的拉应力比两侧大。土工格栅应变增量沿横、纵向分布并不均匀。砂桩地基土工格栅的最大变形横向为2.27%～2.5%、纵向为3.33%，相应的最大应力横向为27.8～30.6 kN/m、纵向为40.7 kN/m，发挥的程度较大，最大发挥了土工格栅抗拉强度的30%左右。

3 结论

1）实测桩土应力比及土工格栅应变均表明了搅拌桩地基加筋垫层具有改善地基应力的作用。土工格栅应变随荷载沉降的增加逐渐增大，土工格栅各时间段的应变沿横向分布并不均匀。土工格栅的应变值为0.9%～2.5%之间，相应的应力为8.1～22.5 kN/m，最大发挥了其抗拉强度的25%左右。考虑施工损伤、材料老化及蠕变等因素，搅拌桩试验段所采用土工格栅的强度基本上是合适的。

2）真空预压地基土工格栅的受力随填土高度的增加而增加，最大拉应变为1.46%，相应的应力为12.3 kN/m，发挥的强度约为极限值的20%。

3）塑料排水板超载预压地基土工格栅的受力随填土高度的增加而增加，各测点的变形一般在2.0%左右，最大拉应变为3.5%～4.3%。最大的应力为20.4～31.2 kN/m，约为土工格栅极限抗拉强度的50%左右。在路堤填筑期间，土工格栅对保持路基的稳定起到了一定的作用。

4）砂桩地基土工格栅应变增量沿横、纵向分布并不均匀。砂桩地基土工格栅的最大变形横向为2.27%～2.5%、纵向为3.33%，相应的最大应力横向为27.8～30.6 kN/m、纵向为40.7 kN/m，约为土工格栅极限抗拉强度的30%左右。

5）各种地基土工格栅应变量在0.9%～4.3%，相应的应力为8.1～40.7 kN/m，约为极限强度的25%～50%。设计时宜根据不同的地基处理方法采用不同强度的土工格栅。

[1]中华人民共和国行业标准编写组.高速铁路设计规范 [S].北京:中国铁道出版社，2009

[2]李志清，胡瑞林，付伟，等.土工格栅在加固高速公路路堤中的应用研究[J].岩土力学，2008，29（3）：795-799

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[10]铁道第四勘察设计院.软土地基沉降估算方法及不同地基处理方法加固效果研究报告[R].武汉：铁道第四勘察设计院，2005