石武高铁黄淮平原区粉质土特性试验研究

陈远洪

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

石武高铁黄淮平原区粉质土特性试验研究

陈远洪

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要：石武铁路为按车速350 km/h无碴轨道设计的高速铁路，工程技术标准高，对变形要求极为严格.深厚层粉质土性质较差、变形控制尤为困难，提供可靠的粉质土地质参数是实现该类地基上路基和桥涵工程高标准沉降控制的基础，对设计和施工起着重要的指导作用.采用土工试验、标准贯入试验、静力触探试验、载荷试验等多种方法进行综合勘探测试，试验研究黄淮平原区粉质土特性，准确获得其特征参数和变化规律，得到粉质土压缩模量与标贯击数的关系曲线，掌握粉质土单桥静力触探与双桥静力触探的关系特征，分析粉质土载荷试验、标准贯入试验及静力触探试验测试承载力的差异，确定准确求取粉质土承载力的经济实用方法.

关键词：高速铁路；粉质土特性；沉降；综合勘探测试

陈远洪(1975- )：男，硕士，高级工程师，主要研究领域为道路与桥梁工程

0引言

石武高铁郑武段约300km穿越黄淮冲积平原，主要由路基和桥涵构成，沿线广泛分布深厚第四系地层，厚100～300m，主要由粉土、粉质黏土组成，属粉质土地基，这种土介于无粘性土与粘性土之间[1]，粘粒含量较少，塑性指数小，饱水性强，性质差，具压缩性，对工程较为不利.石武铁路为按车速350km/h无碴轨道设计的高速铁路，工程技术标准高，对变形要求极为严格[2]，路基和桥梁铺轨后允许沉降仅为15～20mm[3-4]，路基、桥涵等组成的基础设施的平顺性和稳定性是确保高速行车安全、平稳、舒适的前提条件[5].深厚层粉质土性质较差、变形控制尤为困难，提供可靠的粉质土地质参数是实现该类地基上路基和桥涵工程高标准沉降控制的基础，同时对设计和施工起着重要的指导作用.为此，本文采用土工试验、标准贯入试验、静力触探试验、载荷试验等多种勘探测试手段方法，通过综合比较和验证分析，研究黄淮平原区粉质土特性，确定其特征参数和变化规律.

1试验工点概况

代表性试验工点分别设于许昌和驻马店，试验工点均属黄淮平原区，地势平坦开阔，出露第四系冲洪积厚层粉质土，地下水主要为第四系孔隙潜水和弱承压水，地下水埋深2～3m.

许昌试验工点地层分为6个主要层次：(1)2-1第四系全新统Q4粉质黏土，褐黄色间有灰白色，软塑，夹杂2%～10%姜石，粒径5～20mm，层厚2.45～11.30m；(2)2-2第四系全新统Q4粉质黏土，黄褐色及褐黄色，硬塑，层厚2.50～14.50m； (3)4-2 第四系全新统Q4粉土，灰黄色及褐黄色为主，局部为浅灰色，潮湿～饱和，稍密，局部地段夹杂薄层粉质黏土及少量细小钙质结核，层厚1.95～8.50m；(4)4-3 第四系全新统Q4粉土，灰黄色及褐黄色为主，饱和，中密，局部地段夹杂薄层粉质黏土及少量细小钙质结核，层厚3.9～11.5m；(5)1-4 第四系上更新统Q3粉质黏土，局部夹薄层粉土，灰黄间棕黄色，硬塑，局部夹有姜石，分布不均匀，层厚3.55～36.20m；(6)4-4 第四系上更新统Q3粉土，灰黄色及褐黄色为主，饱和，密实，层厚3.40～20.15m.

驻马店试验工点地层分为3个主要层次：(1)1-4 第四系上更新统Q3粉质黏土，灰褐～黄褐色，软塑，层厚约5.00～8.80m；(2)1-6 第四系上更新统Q3粉质黏土，褐黄～浅黄色，硬塑，可见有针状孔隙，含有灰黑色铁锰质斑点及结核，夹有灰绿色条带，层厚12.20～28.50m；(3)1-8 第四系上更新统Q3粉质黏土，褐黄、浅黄色，硬塑，可见有针状孔隙，含有灰黑色铁锰质斑点及结核，夹有灰绿色斑点，层厚1.00～36.00m.

2粉质土特性综合测试分析

2.1土工试验成果分析

1) 强度指标试验通过室内剪切试验发现，在竖向压力作用下粉质土较之黏性土易于排水固结、强度提高较快，尽管粉质土与砂土有着相似的破坏应力水平和整体应力发展趋势，但粉质土的体积收缩性显著高于砂土的体积收缩性.通过剔除异常值，强度指标变异系数较小，一般不超过0.25，表明强度指标具有较好的统计特性，地基土层性质较为均匀，具有良好的沉积特征和成层性，粉质土强度指标取用标准值，见表1.

表1　粉质土强度指标

2)变形指标试验.土层变形指标变异系数一般不超过0.21，地基土层性质较为均匀，粉质土变形指标取用平均值，见表2.粉质土压缩系数处于0.13～0.32之间，属中等压缩性土.由考虑应力历史的粉质土e-lgp试验及表2可知，在初始阶段，当压力小于前期固结压力时，曲线斜率相对平缓；压力超过超过某一值(前期固结压力)后，曲线变陡，Q3粉质土要陡于Q4粉质土；回弹再压缩曲线明显缓于初始压缩曲线，回弹变形远小于压缩变形，回填变形不到压缩变形的1/10.

表2　粉质土变形指标

2.2标准贯入试验成果分析

根据文献[6]，粉质土层标贯击数变异系数较小，一般不超过0.26，表明标贯击数具有较好的统计特性，标贯击数取用标准值，标贯击数按《工程地质手册》换算承载力，标准贯入试验粉质土层标贯击数及换算承载力见表3.

表3　粉质土标准贯入试验指标

根据对试验测试的163组压缩模量与标贯击数数据进行统计拟和分析，各粉质土地基压缩模量与标贯击数具有良好的相关性，随着标贯击数增加，压缩模量相应增大，呈线性相关，相关系数达0.98，见图1，粉质土压缩模量与标贯击数相关公式为：Es=0.26N+3.13.

2.3静力触探试验成果分析

粉质土层静力触探值变异系数较小，一般不超过0.3，取用粉质土层静力触探标准值见表4.由表4可知，对粉质黏土层，单桥探头的比贯入阻力(Ps)与双桥探头的锥尖阻力(qc)相比，比值为1.1～1.3，与规范的经验值1.1较为吻合[7]，说明规范公式对粉质黏土是适用的；对粉土层，二者比值则为2.0～2.1，可取粉土层二者比值为2.0.

图1　粉质土压缩模量与标贯击数的关系曲线

工点项目单桥比贯入阻力ps/MPa双桥锥尖阻力qc/MPa双桥侧壁阻力Fs/kPa比值ps/qc压缩模量Es/MPa许昌驻马店 (1)2-2Q4粉质黏土1.21.131.51.15.9 (1)2-3Q4粉质黏土2.42311.29 (1)4-2Q4粉土2.41.129.42.16.1 (1)4-3Q4粉土3.91.9115.7211.4(2)1-4Q3粉质黏土1.891.4457.131.38.3(2)1-6Q3粉质黏土3.933.43150.81.116.5

2.4载荷试验成果分析

图2　许昌粉土载荷试验曲线

许昌表层粉土代表性载荷试验曲线见图2，图上没有明显的第一拐点和第二拐点，经双曲线拟合相关系数较高，计算得到载荷试验参数：承载力σo=130 kPa，极限承载力pu=625kPa，变形模量Eo=4.05MPa，压缩模量Es=5.42MPa，基床系数Ksa=5.00MPa/m，基准基床系数K1=16.39MPa/m.压缩模量Es约为变形模量E0的1.3倍，和粉土经验取值约1.2较为接近，验证了经验方法也适合于该粉质土层.许昌表层粉土层载荷试验测得的承载力为130 kPa，静力触探法测得的粉土地基承载力为136 kPa，标准贯入试验测定的粉土地基承载力为120 kPa，三者基本相同，均能很好地反映土体承载特性，故表层粉土承载力取130 kPa.

图3　驻马店粉质粘土载荷试验曲线

驻马店表层粉质粘土代表性载荷试验曲线见图3，图上没有明显的第一拐点和第二拐点，经双曲线拟合相关系数较高，计算得到载荷试验参数：承载力σo=220 kPa，极限承载力pu=963kPa，变形模量E0=17.62MPa，压缩模量Es=28.28MPa，基床系数Ksa=22.57MPa/m，基准基床系数K1=74.03MPa/m.压缩模量Es约为变形模量E0的1.6倍，和粉质黏土经验取值约1.7较为接近，验证了经验方法也适合于该粉质土层.驻马店表层粉质黏土载荷试验测得的承载力为220kPa，静力触探法测得的粉土地基承载力为207kPa，标准贯入试验测定的粉土地基承载力为165kPa，前二者较为接近，均能较好地反映土体承载特性，而标准贯入试验换算承载力与之相差较大、不宜采用，故表层粉质黏土承载力取220kPa.

载荷试验是确定承载力最准确直观的方法，但技术要求高、耗资大、费时费力[8]，静力触探法作为简便、经济而快速的方法，建议在没有载荷试验或者少量载荷试验的情况下，可多采用静力触探法确定粉质土地基承载力，使得载荷试验与静力触探法互为对比和补充.

3结论

1) 土体工程地质特性测试是工程建设的基础工作，通过取样土工试验、静力触探试验、标准贯入试验、载荷试验等综合勘探测试和对比验证，准确获取了粉质土特性参数.

2) 粉质土地基压缩模量与标贯击数具有良好的相关性，相关公式为：Es=0.26N+3.13.

3) 对于粉质黏土层，单桥静力触探的贯入阻力与双桥静力触探的锥尖阻力比值与规范的经验值1.1较为吻合；对于粉土层，二者比值则为2.0.

4) 与载荷试验结果相比，粉土标准贯入试验换算承载力与之基本吻合、可作为参考，而粉质黏土标准贯入试验换算承载力与之相差较大、不宜采用.

5) 许昌表层粉土层及驻马店表层粉质黏土层载荷试验测得的承载力与静力触探法测试值基本相同，能较好地反映土体承载特性.载荷试验耗费大，在没有载荷试验或者少量载荷试验的情况下，可多采用静力触探法确定粉质土地基承载力，使得载荷试验与静力触探法互为对比和补充.

参 考 文 献

[1]铁道部第一勘探设计院.TB10012-2001铁路工程地质勘察规范[S]．北京：中国铁道出版社，2007．

[2]铁道第三勘察设计院集团有限公司.TB10621-2009高速铁路设计规范(试行)[S]．北京：中国铁道出版社，2010.

[3]中华人民共和国铁道部.客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2006.

[4]陈善雄，宋剑，周全能，等.高速铁路沉降变形观测评估理论与实践[M].北京:中国铁道出版社，2010.

[5]铁道第四勘察设计院.TB10035-2002铁路特殊路基设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2006．

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50021-2001岩土工程勘察规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2009 .

[7]铁道第四勘察设计院.TB10018-2003 铁路工程地质原位测试规程[S]．北京：中国铁道出版社，2003.

[8]FRANKEE，KLUBERE.Pilesgroupunderhorizontalload[J].Bouingnieur，1989，64：19-26．

中图法分类号：U238

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.051

收稿日期：2014-00-00

ExperimentalStudyonSiltySoilCharacteristicsof
SiwuHigh-speedRailwayintheHuanghuaiPlain

CHENYuanhong

(China Railway Fourth Survey and Design Institute Group CO., LTD, Wuhan 4300063, China)

Abstract：Shiwu high-speed railway is running at the speed of 350km/h according to ballastless track designed, the technical standard of engineering is high, the deformation requirements are extremely strict, the properties of deep layer of silty soil are poor and deformation control is particularly difficult, providing the reliable geological parameters of silty soil is the foundation to realize the high standard settlement control of the roadbed and bridge and culvert engineering in this ground, and the role is important to direct the design and construction of the engineering. Comprehensive exploration test has been developped by multiple methods of soil test, standard penetration test, the static cone penetration test, and load test, it has been tested and studied on silty soil characteristics in the Huang Huai plain, the characteristic parameters and variation rules have been exactly obtained, silty soil relation curve between compression modulus and standard penetration test number has been obtained, relationship characteristic between single bridge cone penetration test and double bridges cone penetration test has been mastered, analyzing the difference of silty soil bearing capacity by measurements of load test and standard penetration test and static cone penetration test, the economic and practical method has been deterimined to obtain the exact bearing capacity of silty soil.

Key words：high-speed railway； silty soil characteristics； settlement； comprehensive exploration test