华北地区高速铁路松软土地基变形特性

李波（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251）



华北地区高速铁路松软土地基变形特性

李波
（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251）

摘要华北地区是我国松软土分布的主要地区之一，松软土地基条件下路基工后沉降控制是高速铁路设计中的关键。本文依据工程地质条件将华北地区松软土划分为Ⅰ～Ⅴ共5个分区，依据已建和在建铁路工程地质数据对松软土的物理、力学指标进行了统计分析，并通过理论计算和数值模拟对松软土地基变形特性加以研究。结果表明:Ⅱ区的工后沉降及总沉降均最小，其次是Ⅲ区、Ⅳ区，Ⅴ区最大；在路堤填筑工况（不考虑列车荷载的影响）下，0～6个月期间沉降发展较为迅速，填筑完成后沉降仍在缓慢发展，路基填筑后约4年沉降基本稳定；在列车荷载工况（考虑列车荷载的影响）下，0～6个月期间内沉降发展较为迅速，在路基填筑后约3年沉降基本稳定。

关键词华北地区；高速铁路；松软土；工程地质分区；地基变形

我国软土分布十分广泛，滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围、山间谷地均有分布。其中华北地区软土的分布面积占到了我国软土总面积的1 /3。这里经济发达，人口密集。随着京津城际、京沪高铁、京石客专、津秦客专等高速铁路的开通运营，华北地区形成了四通八达的高速铁路网络。

由于软土成因类型复杂，分布范围广泛，在工程实践中经常会遇到软土地基及由此引起的工程问题。在填土自重和列车荷载作用下，地基将产生较大沉降，尤其是工后沉降较大、持续时间较长，不能满足高速列车安全平稳运行的要求。因此，路基沉降特别是松软土路基的不均匀沉降变形问题便成为高速铁路设计所需考虑的主要控制因素［1-3］，对松软土地基变形进行深化研究意义重大。

1华北地区松软土工程地质分区

华北地区松软土主要分布在太行山以东、燕山以南至沿海华北以东平原区的第四系全新统冲积、海积层中。全新统冲洪积层中也有分布，但其厚度、埋深、层数都较冲积、海积层要小，并呈越往东越大的总体趋势。太行山以西、燕山以南的华北丘陵山区、黄土高原区普遍分布较少，仅在一些沟谷、洼地、河流区局部存在，不具普遍性和规律性。

华北各地区地质、地貌条件不同，成因类型多，即使同一种土相同的物性指标，不同地区的应力-应变历史所赋予土的结构强度也是不同的，但是其地理分布又具有一定的区域特性。松软土的分布及物质组成和工程特性主要受地形地貌和岩土成因控制，据此将华北平原松软土分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ共5个区，见图1。

图1　华北平原松软土工程地质分区

各区具体分布如下：

Ⅰ区。分布在太行山以东及燕山以南的山麓地区，土壤不发育，多为裸露砂砾石地层，极少见松软土层。由众多坡积残积和洪积裙连接而成。

Ⅱ区。分布在太行山往东至新乡、邯郸、藁城、保定、大兴一带，燕山往南至大兴、玉田、丰南、滦县一带。地表是黏性土、粉土状物质（滦河洪积扇主要是细、粉砂），地表以下是具各种大型交错层理的粗砂、砾石。由漳河、滹沱河、永定河、滦河等河流的洪积扇形成。

Ⅲ区。分布在太行山冲洪积区前缘至濮阳、邯郸、辛集、廊坊、宝坻一带，燕山以南冲洪积区前缘至乐亭、唐海一带。以第四系黏性土为主，含粉、细砂。主要由黄河、漳河、滹沱河、永定河、潮白河、滦河等河流的冲积扇组成。

Ⅳ区。分布在自Ⅲ区前缘往东至北镇、无棣、沧州、天津、廊坊、宝坻、玉田、丰南、唐海一带。以第四系黏性土为主，含淤泥质土及粉、细砂。主要由黄河、漳河、滹沱河多次决口改道、反复泛滥充淤形成。

Ⅴ区。分布在北镇、无棣、沧州、天津、廊坊、宝坻、玉田、丰南、唐海、乐亭一带以东和以南直至海岸。以第四系淤泥质土、黏性土为主，含粉、细砂。主要为中-全新世高海平面以后的历次海进过程中沉积的海相沉积物，及海退过程中古潮白河、海河、古永定河冲积物覆盖在海退地上的冲积物组成。

2华北地区松软土物理力学特性

松软土介于一般可塑性土至软土之间，具有天然含水率大、孔隙比大、中～高压缩性、强度低、呈软塑状态等工程特性。在不同的工程地质分区内由于其微地貌、成因不同，松软土在平面和垂向的分布情况，表现的物理、力学性质也不同。

为研究华北平原区松软土的特性，收集、统计、分析了华北以东平原区京沪高速铁路、京津城际铁路、津秦客运专线、京石客运专线、津保铁路、邯黄铁路等多项已建和在建工程项目的工程地质勘察报告、试验报告，对松软土分布情况进行统计分析。

2. 1松软土基本物理性质

华北平原松软土层的物性指标参考取值见表1。

表1　华北平原松软土层的物性指标参考取值

华北地区松软土以黏土、粉质黏土、粉土为主。黏土的天然含水率最大，粉质黏土次之，粉土最小。液限也呈现出从黏土到粉土逐渐减小的趋势；重度较小，在17～25 kN/m3；孔隙比较大，一般均＞0. 5。

2. 2松软土基本力学性质

华北平原松软土层的强度指标参考取值见表2。

表2　华北平原松软土层的强度指标参考取值

由表2可知，华北地区压缩性高，压缩系数在0. 31～0. 68，内摩擦角粉质黏土大于黏土，黏聚力差别不大，基本在21～46 kPa。

3　华北地区松软土变形特性

松软土变形特性十分复杂，准确估计不同区域、成因及分布特征的松软土的地基变形量难度较大。本文结合工程地质分区及工程特性研究结果，选取典型地层条件和计算参数，通过理论计算及数值分析方法，初步研究华北地区松软土地基变形特征。

3. 1理论计算

依据《铁路路基设计规范》（TB 10001—2005）的地基沉降理论解析方法，针对不同分区的区域土层特征，考虑路基荷载作用及车辆荷载作用2种工况［4-7］，选取京石客专定州段、邯黄线巨鹿段、津保线胜芳段、邯黄线黄骅港段对Ⅱ区～Ⅴ区的地基土变形特征进行研究。

根据以往其他工程计算结果与实测对比的经验，在与实测总沉降进行的对比中，复合模量法总沉降的计算结果与实测值最为接近。尤其是对路基面宽度较大的断面，但对于路基面宽度相对较小的断面，计算值总体偏大，离散性相对较高，但在各种方法中仍是最小的且偏于安全。复合模量法有非常好的工程实践基础，在CFG桩桩筏基础沉降计算中较为实用。

复合地基的分层与天然地基分层相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ可表示为

式中：fak为基础底面下天然地基承载力特征值；fspk为复合地基承载力特征值。

复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时也可按下式估算。

式中：m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩的截面积；β为桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0. 75～0. 95，天然地基承载力较高时取大值；fsk为处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，无经验时可取天然地基承载力特征值。

Ra的取值应符合下列规定：①当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以2；②当无单桩载荷试验时，可按下式估算。

式中：up为桩的周长；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi，qp分别为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值。lsi为第i层土的厚度。复合地基最终沉降量s可按下式计算。

式中：n1为加固区范围内土层分层数；n2为沉降计算深度范围内土层总的分层数；p0为对应于荷载效应准永久值组合时的基础底面处的附加压力；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量；zi，zi - 1分别为基底以下第i和第i - 1层土底面至基底的距离；-ai，-ai - 1分别为基底面计算点至第i和第i - 1层土底面范围内平均附加应力系数，可由《建筑地基基础设计规范》（GB 50007— 2011）附录查得。φs为沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，无地区经验时可根据压缩层内平均压缩模量确定。

本次理论分析的计算模型根据前期地质调查和室内物理力学试验成果，参照该区域内相应工点的地层分布状况，将该区域的地层分布等效为若干组平行土层。路堤堆载及车辆荷载作用下，各分区沉降量计算结果对比见图2。

图2　各分区沉降量计算结果对比

由图2可知：未采取任何措施的情况下，Ⅱ区的工后沉降量及总沉降量均最小，其次是Ⅲ区、Ⅳ区，Ⅴ区最大；Ⅳ区、Ⅴ区的工后沉降量及总沉降量均偏大，Ⅱ区、Ⅲ区相对明显偏小，约为Ⅳ区、Ⅴ区的1 /2。这与由第四系冲积平原形成的松软土（Ⅱ区、Ⅲ区）逐渐向滨海冲积-海积平原形成的松软土（Ⅳ区、Ⅴ区）地基过渡的分布特征有直接关系。

3. 2数值分析

3. 2. 1计算模型及计算参数

通过数值分析方法，基于大型通用有限元软件FLAC3D，选取津保线试验段地基作为本次数值分析的研究对象，对该段落内的DK24 + 550处路基进行地基土变形沉降特征研究。本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，计算参数见表3。

横断面计算范围：X方向取200 m，Y方向取48 m。路堤填筑工况模型和列车荷载工况模型分别划分为1 955个单元和1 963个单元，模型网格与材料分区见图3。

3. 2. 2计算结果及分析

1）路堤填筑工况

路堤填筑工况地基沉降曲线见图4。可见，地基沉降在路堤填筑期间即0～6个月内沉降发展较为迅速，填筑完成后沉降仍在缓慢发展，直到大概在路基填筑后4年沉降基本稳定。路堤中心工后沉降值为164 mm。数值分析结果与理论计算结果大致吻合。

2）列车荷载工况

列车荷载工况地基沉降曲线见图5。可见地基沉降在路堤填筑期间即0～6个月内沉降发展较为迅速，填筑完成后的沉降与不考虑列车荷载工况相比发展较快，在列车荷载作用下引起的附加沉降量约为27 mm，大概在路基填筑后3年沉降基本稳定。路堤中心工后沉降值为186 mm。数值分析结果与理论计算结果大致吻合。

表3　计算参数

图3　模型网格与材料分区

图4　路堤填筑工况地基沉降曲线

图5　列车荷载工况地基沉降曲线

4　结论

本文以华北地区松软土分布特征及工程地质分区研究为基础，选取华北地区松软土分布区中的4个分区，分析几条在建和已建的铁路工程勘察资料，并通过模拟分析总结了松软土基本特性和变形特性，初步提出了研究区内松软土设计参数取值。主要结论如下：

1）未采取任何措施的情况下，Ⅱ区的工后沉降及总沉降均最小，其次是Ⅲ区、Ⅳ区，Ⅴ区最大；Ⅳ区、Ⅴ区的工后沉降及总沉降均偏大，Ⅱ区、Ⅲ区相对明显偏小，约为Ⅳ区、Ⅴ区的1 /2。这与由第四系冲积平原形成的松软土（Ⅱ区、Ⅲ区）逐渐向滨海冲积-海积平原形成的松软土（Ⅳ区、Ⅴ区）地基过渡的分布特征有关。

2）在路堤填筑工况下，不考虑列车荷载的影响，地基沉降在路堤填筑期间即0～6个月内沉降发展较为迅速，填筑完成后沉降仍在缓慢发展，大概在路基填筑后4年沉降基本稳定。在列车荷载工况下，地基沉降在路堤填筑期间即0～6个月内沉降发展较为迅速，大概在路堤填筑后3年沉降基本稳定。

参考文献

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（责任审编李付军）

Deformation Characteristics of High Speed Railway Loose and Soft Foundation in North China

LI Bo
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）

AbstractT he north China area is one of the main areas with soft soil. Subgrade foundation settlement control is key to the design of high speed railway. Based on engineering geological conditions，north China loose and soft soil area was classified asⅠ～Ⅴ5 zones. According to engineering geological data of constructed and constructing railways，soft soil physical and mechanical indexes were statistically analyzed. T hrough theoretical calculation and numerical simulation soft soil foundation deformation characteristics were studied. T he results showed that zone II settlement was minimum，followed by ZoneⅢ，ⅣandⅤ. Under the embankment gravity load，during the period of 0～6 months foundation settlement developed rapidly，till about 4 years later settlement became stable. Under the embankment gravity load and train load，during the period of 0～6 months settlement developed rapidly，till about 3 years later settlement became stable.

Key wordsNorth China；High speed railway；Loose and soft soil；Engineering geological zoning；Foundation deformation

中图分类号U213. 1+4

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 29

文章编号：1003-1995（2016）06-0108-05

收稿日期：2015-12-06；修回日期：2016-03-12

作者简介：李波（1973—），男，高级工程师。