郑徐客运专线深厚层黏性土地基沉降预测分析

李春红

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

为保证轨道的平顺性和高速行车安全，高速铁路对线下工程工后沉降有极其严格的控制标准，路基稳定和工后沉降等已成为在软土地基上进行高速铁路建设的关键技术问题，相关研究也越来越受到人们的关注［1-3］。目前软土路基的沉降计算主要有理论分析、现场试验和数值模拟等方法:理论分析方法较难全面考虑复杂工况下路基的实际受力特性;现场试验方法较为真实可靠真，但所需费用较为较高、周期较长，且实际操作过程中易受现场条件的制约;数值模拟方法具有可重复性经济性的特点，并且研究结果可根据实际情况进行动态调整，研究结果较为可靠，成本较为低廉，是一种有效而可靠的研究手段［3-5］。因此，采用有限元数值模拟方法对郑徐客运专线DK319路基工点的沉降特性进行了分析，得出了一些有益的结论。

1 工程概况

郑徐客运专线位于黄淮冲积平原区，沿线广为厚层或巨厚层的第四系地层覆盖，厚度最大超过400m。全线表层的软土和松软土厚度巨大，正线采用无砟轨道，路基工程工后沉降容许值为15 mm，工后沉降控制极为困难。

DK319路基工点分布厚层松软土，地层软弱，地基承载力较低。表层Q4地层厚达48～65m，以松软的黏性土为主，其中:上部为流塑—软塑的粉质黏土地层，层厚9.0～15.0m，Es=2.44～5.90 MPa，σ0=70～130 kPa，属高压缩性土;其下为可塑—硬塑的粉质黏土，层厚17.5～35.8m，Es=6.0～13.2 MPa，σ0=150～170 kPa。该层多为中压缩性土。其下为力学特性相对较好的Q3地层。设计的地基加固方案为管桩，桩长35m，桩径0.4m，间距2.0m，正方形布置。

2 分析模型及参数

数值分析采用Plaxis有限元程序。分析时将地基简化为复合地基形式，按平面应变问题进行分析。根据对称原理，分析模型取路基的半幅建立数值分析模型，如图1所示。其中模型横向宽80m、竖向宽120m。边界条件为:顶面为自由表面，两边为横向约束，底面为固定约束。

按照复合地基原理，将桩基加固区看做一个整体的复合地基，数值分析所采用的复合地基变形模量Esp按照下式计算

式中:Ep为桩基的压缩模量，Es为加固区土体的压缩模量，m为桩土置换率。分析时以超空隙水压小于1.0 kPa为固结完成条件。

图1 有限元分析模型

分析时土层及路基材料参数，根据室内土工试验、现场试验成果确定，复合地基参数按照公式(1)计算确定，见表1。

表1 力学参数取值

3 软土路基工后沉降影响因素分析

3.1 渗透系数及堆载时间的影响

复合地基渗透系数的基准值取为kV=5×10－4、kH=4 ×10－4m/d，按基准值的1/4、1/2、1.0、2.0、4.0、8.0倍共计六种方案进行计算，求得在路堤自重、堆载3个月、堆载6个月三种工况下(其他参数按照表1取值，堆载高度按3m考虑)，路堤最终沉降量以及达到工后沉降控制标准的时间，计算结果见表2。

表2 工后沉降到达控制标准所需时间 d

分析可知:①随着渗透系数的增加，土体完成固结沉降所需的时间逐渐减小，达到工后沉降控制标准所需的时间也逐渐减小，路堤填筑完成6个月后时沉降量逐渐增大;这是由于随着渗透系数越大，土中水的渗流速度越快，土体固结沉降的速度也相应加大所致。②堆载预压作用可有效加快土体固结沉降的完成，堆载时间越长，同样的时间内固结完成率相应增大，土体沉降较大。③与没有施加车辆荷载的工况相比，施加车辆荷载后，路堤固结完成后的总沉降量增大了21 mm，达到工后沉降15 mm的控制标准，所需时间也相应增加了3个月以上。④在荷载条件相同时，在不同的工况下，路堤固结完成后的总沉降量几乎不变，可见路堤固结完成后的总沉降量，受地基所承受荷载大小和形式的影响，与渗透系数的大小没有关系。

3.2 桩长的影响

按照桩长14m、19m、24m、29m、34m、39m 共计六种方案计算，研究桩长对工后沉降达标时间的影响，堆载摆放时间按6个月考虑，其他参数按照表1取值。分析得到不同桩长下路堤最终沉降及达到沉降控制标准所需的时间，如表3所示。

表3 桩长对路堤沉降的影响

分析可知:①随着桩长的增加，复合地基加固范围逐渐增大，地基固结沉降的完成时间逐渐减小，达到沉降控制标准的时间也逐渐减小。②随着桩长的增加，最终固结沉降量逐渐减小。③随着桩长的增加，在相同时间内，预先施加的堆载作用下地基沉降量逐渐减小，但所占最终沉降量的比例逐渐增大，卸载时基地的反弹量也随之有所减小。

4 计算结果分析

(1)不考虑堆载工况下:总沉降为176 mm，路堤填筑完成时，发生的沉降为120 mm，剩余沉降为56 mm;摆放3个月时沉降达143 mm，剩余沉降为33 mm;摆放6个月时沉降达156 mm，剩余沉降为20 mm;摆放15个月时，可达到工后沉降控制标准，剩余沉降约为12 mm。

(2)考虑堆载时间3个月:总沉降为179 mm;路堤填筑完成时，发生的沉降约为120 mm，剩余沉降为59 mm;施加堆载后，沉降约为139 mm，剩余沉降有40 mm;摆放3个月后，沉降达到165 mm，剩余沉降仅有14 mm，但是当卸除堆载后，产生了约12 mm的回弹变形，导致路堤沉降恢复到153 mm，剩余沉降约为26 mm;之后再摆放3个月时(共摆放6个月)，沉降可达161 mm，剩余沉降为18 mm。之后再摆放6个月时(共摆放9个月)，沉降达到165 mm，剩余沉降14 mm，达到工后沉降控制标准。

(3)考虑堆载时间6个月:总沉降为186 mm，路堤填筑完成时，发生的沉降为120 mm，剩余沉降为58 mm;施加堆载后，沉降约为139 mm，剩余沉降有39 mm;摆放6个月后沉降达到179 mm，固结沉降几乎完成，但是卸除堆载时，产生约13 mm的回弹变形，路堤沉降恢复到166 mm，剩余沉降约12 mm。可见堆载预压施加6个月，可以在很大程度上加快土体固结变形，减小工后沉降量。

5 结论

通过以上分析，得到以下结论:

(1)在路堤荷载作用下，黏性土地基固结沉降的完成时间受渗透系数的显著影响，选择合理的渗透系数是进行路堤工后沉降预测的关键。

(2)堆载预压可加快土体固结沉降的完成，堆载时间越长，同样的时间内固结完成率相应增大，土体沉降较大，路堤达到工后沉降控制标准的时间也越短。

(3)随着桩长的增加，复合地基加固区域增大，地基固结沉降的完成时间逐渐减小，达到沉降控制标准的时间也逐渐减小，最终固结沉降量逐渐减小。

(4)在设计桩基础条件下，DK319工点在不考虑堆载、考虑堆载3个月、考虑堆载6个月三种工况下，达到工后沉降控制标准分别需要15个月、9个月、6个月的时间。工程实施过程中，可根据实际情况选堆载预压方式。

［1］郭建湖，詹学启，李小和．武广铁路客运专线无砟轨道路基变形控制设计关键技术［J］．铁道标准设计，2010(1):46-48

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