高速铁路地基土压缩模量确定方法比较研究

李 想

(青海交通职业技术学院,西宁 810003)

高速铁路地基土压缩模量确定方法比较研究

李 想

(青海交通职业技术学院,西宁 810003)

为掌握高速铁路复合地基中天然土层压缩模量准确简便的确定方法,以武广客运专线12个试验断面和京沪高速铁路4个试验断面路堤设计参数和地基处理情况为依据,分别采用E1-2法和e-p曲线法确定各天然土层压缩模量,计算地基沉降值并将其与实测沉降值进行比较。结果表明:对于浅薄地层地基而言,路堤高度略大于5 m (不超过7.5 m)时,E1-2法的计算沉降值与e-p曲线法相比误差小于10%,路堤高度小于5 m时,两者误差随路堤高度减小而增大,但是控制在30%以内;为简化运算,可以采用E1-2法代替e-p曲线法计算浅薄地层地基沉降;对于深厚地层而言,E1-2法计算沉降值明显大于e-p曲线法,其误差随压缩层厚度增大而增大,故不宜采用E1-2法计算深厚地层地基沉降。

高速铁路;地基沉降;E1-2法;e-p曲线法;压缩模量

1 概述

我国高速铁路事业的飞速发展,对地基沉降计算精度提出了更高的技术要求。而地基土层压缩模量的合理确定,是准确计算地基沉降的关键性因素。

由于土体是弹塑性体,应力应变关系呈非线性变化,其压缩模量随上覆压力变化而变化[1-4],因此进行沉降计算时,需根据土中应力情况,以e-p曲线为依据来确定各压力段天然土层压缩模量,这种确定压缩模量的方法称为e-p曲线法。然而,在工程实践中,往往忽略上覆压力对土体模量的影响,选取土体100～200 kPa标准压力段的压缩模量进行沉降计算,这种确定压缩模量的方法称为E1-2法[3]。

在实际工程的沉降计算中,往往为追求计算方法的简化,存在盲目忽略天然土体压缩模量随上覆压力的变化而采用E1-2法计算沉降的现象。选取武广客运专线和京沪高速铁路地基土层进行沉降计算,通过将E1-2法与e-p曲线法的计算沉降值进行对比,分别指出E1-2法的适用范围和必须采用e-p曲线法的工程情况,并将修正计算值与实测值进行比较,验证方法的准确性,所得结论对简便确定地基土层压缩模量,并准确计算高速铁路地基沉降具有一定参考价值。

2 试验断面基本情况概述

2.1 试验断面路堤基本情况

武广客运专线计算分析采用的试验断面共12个,均位于株洲市南端,路基面宽13.6 m,路堤高度3.10～7.51 m,路堤填土重度20 kN/m3,路堤边坡坡度1∶1.5,坡脚设高1.0 m,宽2.0 m干砌片石护道。京沪高速铁路李窑试验段4个路堤试验断面在铺设基床表层之前进行堆载预压,此时路基面宽度14.8 m,路堤设计高度为7.15～7.35 m,路堤填土重度和边坡坡度与武广客运专线相同。武广客运专线和京沪高速铁路试验断面分别如图1、图2所示。

2.2 土层物理力学参数

对武广客运专线和京沪高速铁路试验段均进行了详细地勘工作,其中武广客运专线12个断面均分布硬塑黏土、全风化泥质砂岩和强风化泥质砂岩,部分断面还分布有淤泥质粉质黏土,各土层物理力学参数见表1,其中fak为土层天然地基承载力。京沪高速铁路4个断面土层分布情况较为复杂,故选取其中一个断面为代表性断面(断面(13)),其土层分布情况和各土层物理力学参数见表2。

图1 武广客运专线试验断面示意(单位:m)

表1 武广客运专线地基土层物理力学参数

2.3 地基处理情况

武广客运专线试验断面地基为浅薄地层,地下10 m深度范围内分布有岩质坚硬的强风化泥质砂岩。断面均采用CFG桩进行地基加固,CFG桩穿透软土,桩长7.60～9.43 m,桩径均为0.5 m,桩间距为1.4 m或1.5 m,采取正三角形布桩方式,桩顶铺设0.6 m厚碎石垫层。京沪高速铁路试验断面属于深厚地层,地下60 m深度处仍分布有黏性土和粉土。同样采用CFG桩进行地基加固,桩长24 m,桩径0.5 m,桩间距1.7～1.8 m,桩顶设置0.5 m厚钢筋混凝土板。

表2 京沪高速铁路断面(13)土层物理力学参数

3 沉降计算数据分析

3.1 沉降计算理论

采用基于一维固结理论的分层总和法计算地基总沉降[5]:

式中,s为地基总沉降;Δpi为第i土层附加应力增量;Esi为第i土层压缩模量,加固区范围内取土层的复合模量;hi为第i土层厚度,n为压缩层深度范围内土层数。

加固区土层复合模量按承载力比法确定[5- 8]:

式中,Ecs为加固区土层复合模量;Es为天然土层压缩模量;ξ为模量提高系数;fspk为土层复合地基承载力,按式(4)确定;fsk为处理后桩间土承载力,可取土层天然地基承载力。

式中,u为桩身周长;qsi、qp分别为桩侧第i土层阻力和桩端阻力,按文献[9]确定;li为桩周第i土层厚度;Ap为桩端面积,n0为加固区土层数。

3.2 试验断面的计算沉降

由于武广客运专线地基是浅薄地层,其下分布有岩质坚硬的强风化泥质砂岩。所以当CFG桩桩长小

式中,m为桩体置换率;Ra为单桩承载力,由式(5)确定;Ap为CFG桩横截面面积;β为桩间土承载力折减系数,这里取0.85。于强风化泥质砂岩的土层深度时,可以忽略强风化泥质砂岩层产生的沉降;当桩长大于泥质砂岩深度时,则需要考虑桩长伸入泥质砂岩的那一部分土层产生的沉降[10,11]。依据上述压缩层厚度确定原则以及沉降计算理论,将武广客运专线12个试验断面分别采用E1-2法和e-p曲线法计算其沉降值(分别记为s1和s2),并将二者进行对比,见表3。

表3 武广客运专线试验各断面计算沉降值

当路堤高度(即上部荷载)小于5 m时,E1-2法比e-p曲线法计算沉降值偏小,两者差异在10%～30%,并且路堤高度越小,差异越大;当路堤高度略大于5 m (不超过7.5 m)时,随着路堤高度增加,E1-2法结果逐渐接近e-p曲线法的结果,并有超过的趋势,两者之间的差异小于10%。

京沪高速铁路地基属于深厚地层,故压缩层厚度确定方法有变形比法和应力比法。其中应力比法指地基中附加应力衰减至自重应力的10%或者20%处,以此处深度作为地基压缩层厚度;变形比法的压缩层厚度按照下式确定[12]

式中,Δsn为计算深度范围内从底面向上取1.0 m范围内的沉降值;Δsi为计算深度范围内第i土层的沉降值。

在采用变形比法和应力比法(应力比为0.1和0.2)确定压缩层厚度的前提下,分别采用E1-2法和ep曲线法计算4个试验断面沉降值,见表4。

将京沪高速铁路4个试验断面分别采用E1-2法和e-p曲线法的计算沉降值进行对比,其最大差异高达50%,明显大于武广客运专线浅薄地层两种方法的差异。

3.3 E1-2法和e-p曲线法差异分析

对于武广客运专线浅薄地层而言,其压缩层厚度较小,一般情况下小于10 m,计算深度范围内自重应力在0～200 kPa变化。当路堤高度为略大于5 m时,以路堤填土平均重度为20 kN/m3计算,相当于施加了略大于100 kPa的荷载,由于附加应力沿土层深度衰减并在浅层衰减速度缓慢,故压缩层厚度范围内各土层附加应力增量在100 kPa左右,与标准压力段的应力增量100 kPa相比差异不大。因此,对于埋深较浅的土层,由于其自重应力较小,而附加应力增量适中,故按实际应力范围确定的土层天然压缩模量小于标准模量;而对于埋深较深的土层,由于其自重应力明显超过了100 kPa,故按实际应力范围确定的天然压缩模量大于标准模量。以武广客运专线断面(1)为例,各土层实际压力段与100～200 kPa压力段压缩模量对比如图3所示,为说明方便,假设采用e-p曲线法时各地基土层压缩模量沿土层深度近似呈线性变化。

表4 京沪高速铁路4个试验断面计算沉降值

图3 断面(1)两种方法确定压缩模量比较

从图3可以看出,断面(1)压缩层厚度为9.43 m,虽然在深度小于4 m的土层范围内,采用E1-2法计算值比土体的实际压力段压缩模量偏大,但是深度大于4 m的范围内,则偏小。故对于浅薄地层地基而言,当路堤高度略大于5 m(不超过7.5 m)时,采用E1-2法确定压缩模量的沉降计算结果与e-p曲线法较为接近,误差控制在10%范围内,如断面(1)～(7)。

但是当路堤高度较小(小于5 m)时,其施加在地基上的荷载小于100 kPa,地基各土层的附加应力增量在经过衰减之后就会更小,此时在一定地层深度内实际压力段各土层压缩模量会明显小于E1-2法计算值,即便存在少数断面在地层较深处实际压缩模量略大于E1-2法计算值,但是其压缩层厚度内大部分土层实际压缩模量仍然处于小于E1-2法计算值的状态,故采用E1-2法计算值法计算沉降值会比e-p曲线法明显偏小。路堤高度越低,二者差异越大。断面(8)实际压力段压缩模量与E1-2法计算值对比如图4所示。其压缩层厚度范围内各土层E1-2法计算值均明显大于e-p曲线法确定的实际压缩模量,使得E1-2法计算值法计算沉降偏小,但是误差仍然在30%以内。

图4 断面(8)两种方法确定压缩模量比较

对于京沪高速铁路深厚地层而言,其压缩层厚度较大,虽然变形比法较应力比法确定的压缩层厚度明显偏小,但是也大于20 m,按应力比0.1确定的压缩层厚度深达50 m。虽然京沪高速铁路地下水位较高,但是当土层埋深超过10 m时,其自重应力也会大于100 kPa。此时,对于深度大于10 m的土层,其实际压力段的压缩模量大于E1-2法计算值,并且随着深度的增加,其压缩模量与E1-2法计算值差值越大。故对于深厚地层而言,采用E1-2法计算值法确定压缩模量时,沉降计算值会明显大于e-p曲线法,并且随着压缩层厚度的增加,二者差异会越来越大。断面(13)实际压缩模量与E1-2法计算值对比如图5所示。对于地层较浅的小部分土层而言,其e-p曲线法确定的压缩模量小于E1-2法计算值;但是对于地层较深的大部分土层,其实际压力段压缩模量明显大于E1-2法计算值。

图5 断面(13)两种方法确定压缩模量比较

综上所述,对于浅薄地层地基而言,在采用E1-2法确定土层压缩模量时,CFG桩复合地基沉降计算值与e-p曲线法相比,误差在30%以内。并且在路堤高度略大于5 m(不超过7.5 m)时,误差更小,一般小于10%;路堤高度小于5 m时,误差会随着路堤高度的减小而逐渐增加。但是对于深厚地层而言,采用E1-2法计算地基沉降值明显大于e-p曲线法,并且差异随着压缩层厚度的增加而增加,故E1-2法不适用于深厚地层计算沉降值。

3.4 修正计算沉降值与实测值

在采用分层总和法计算地基沉降时,由于次固结变形和剪切变形等因素的影响,使得计算沉降值与实测值之间存在较大的差异,需要引入沉降计算经验系数ψs对计算沉降值进行修正,使其能够反映地基的真实沉降。ψs随当量压缩模量¯Es变化规律如表5所示[5]。

表5 沉降计算经验系数ψs

其中,当量压缩模量¯Es按下式确定[5]

式中,Ai为第i土层附加应力系数沿土层厚度的积分值。

当武广客运专线采用E1-2法确定地基各土层压缩模量时,将其计算沉降值通过ψs修正后得到修正沉降值s′1,与实测沉降值s对比如表6所示,其中实测沉降值s为按照分层沉降实测数据推算的预测最终变形值。

____表6 武广客运专线修正沉降值与实测沉降值s

____表6 武广客运专线修正沉降值与实测沉降值s

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可以看出,与实测沉降值相比,12个试验断面的修正计算沉降值平均误差为16.07%,其中10个试验断面误差小于30%,2个断面误差略大于30%,满足工程设计的精度要求。故对于浅薄地层而言,为简化计算,可以采用E1-2法计算地基沉降值。

4 结论

对武广客运专线12个试验断面和京沪高速铁路4个试验断面分别采用E1-2法和e-p曲线法计算其沉降值,并将武广客运专线E1-2法的修正计算沉降值与实测值进行对比,得到以下结论。

(1)对于浅薄地层CFG桩复合地基而言,当路堤高度略大于5 m(不超过7.5 m)时,与e-p曲线法相比,采用E1-2法计算沉降值误差小于10%;当路堤高度小于5 m时,随着路堤高度减小,E1-2法误差逐渐增大,但最大误差不超过30%。

(2)对于深厚地层复合地基而言,在采用E1-2法作为各土层压缩模量时,明显低估了分布较深土层的压缩模量,故E1-2法的计算沉降值明显大于e-p曲线法,并且压缩层厚度越大,E1-2法误差也越大,故计算深厚地层沉降值时,不宜采用E1-2法确定压缩模量。

(3)在采用E1-2法计算浅薄地层地基沉降值时,经过沉降计算经验系数ψs修正后的计算沉降值与实测值相比误差基本可以控制在30%以内,故计算浅薄地层地基沉降时,为简化计算,可以采用E1-2法确定土层压缩模量。

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Comparison of Methods for Calculating Ground Soil Compression Modulus of High-speed Railway

LI Xiang
(Qinghai Communications Technical College,Xining 810003,China)

12 test sections from Wuhan-Guangzhou passenger railway line and 4 sections from Beijing-Shanghai high-speed railway are selected to master the method for calculation of ground soil compression modulus in high-speed railway composite foundation.Based on the embankment design data and foundation treatments,both method and e-p curve method are used to ascertain the nature soil compression modulus.Moreover,the foundation settlement is calculated and comparison of the calculated settlement is conducted with the actual settlement.The results show that for the shallow strata,the error of the method is less than 10%compared with e-p curve method when the embankment height is slightly larger than 5 meters(less than 7.5 meters),while the error is increased as the embankment height decreases when the height is less than 5 meters,but it's less than 30%;method may be used to replace _e-p curve method to simplify the calculation in the shallow strata;the calculated settlement with methodis obviously larger that of e-p curve method in the deep strata,the difference of the two methods is increased as the compression thickness increases,so method is not recommended to calculate the settlement of deep strata.

High-speed railway;Foundation settlement;method;e～p curve method;Compression modulus

U238;U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.008

1004-2954(2014)12-0031-05

2014-04-02;

2014-04-21

李 想(1986—),男,工程师,E-mail:1027634073@qq.com。