中高压缩性土地基沉降特性试验研究

2018-03-02黄建川

铁道勘察 2018年1期

黄建川

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

近年来，高速铁路建设过程中遇到了大量的中高压缩性土地基。按照现有的工程设计方法，此类地基多数需采用桩基进行处理，而在大量的沉降观测中发现，地基沉降量的实测值远小于设计时的理论计算值，两者之间偏差较大[1，2]。可见，对中高压缩性土地基而言，传统的沉降计算方法偏于保守，有必要对中高压缩性土地基的沉降特性进行更加深入和系统的研究[3]。

《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)中将压缩系数介于0.1～0.5 MPa-1的土定义为中等压缩性土[4]，中国铁路总公司鉴定中心相关研究成果中将压缩系数介于0.1～0.3 MPa-1、0.3～0.5 MPa-1的土细分为中低压缩性土和中高压缩性土。目前，针对中高压缩性土地基沉降特性的研究相对较少，彭志鹏，张崇磊，王敏等分别依托京沪高铁、胶济客专、赣龙铁路设立了试验段，研究中等压缩性土的沉降特性[5-7]。结合哈佳铁路设置的中高压缩性土地基沉降观测试验段，研究中高压缩性土地基的沉降发展规律，并通过反演分析得到沉降计算修正系数，最后提出地基处理措施建议。

1 试验段概述

1.1 地质概况

试验段里程范围为DK45+800～DK46+100，路堤中心填高5.03～6.59 m，该段地貌为冲洪积平原，地形平缓，地表大部分为耕地。

地基上部为粉质黏土，局部有粗粒土等薄夹层，土层厚度为32.7～37.7 m。地下水为第四系孔隙潜水，主要由大气降水补给，勘测期间地下水埋深4.70～7.80 m，水位季节变幅为1～3 m。

按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)，对钻探所取的原状土样进行了基本物理力学性质试验[8]。依据液性指数IL，将地层分为4层，除27 m以下黏性土为硬塑状态外，其余均为可塑状态，其中2～20 m层相较于上下两层液性指数偏大。每层的物理指标和力学指标的统计标准值见表1和表2。由表2可知，该段地基中0～27 m深度范围属于中高压缩性土，27 m以下属于中低压缩性土。

表1 地基土物理指标标准值汇总

表2 地基土力学指标标准值汇总

1.2 试验方案情况

选用3种地基处理方案，每段长度为100 m，DK45+800～DK45+900路堤填高6.4～6.5 m，平整场地后直接填筑；DK45+900～DK46+000路堤填高6.0～6.8 m，基底换填0.5 m厚碎石垫层，并于碎石垫层中间夹铺一层抗拉强度为100 kN/m的土工格栅；DK46+000～DK46+100路堤填高5.2～6.2 m，基底采用CFG桩加固，桩径0.5 m，正方形布置，桩间距2.0 m，桩长7.7 m，桩顶设置钢筋混凝土桩帽，桩帽顶部铺设0.5 m厚碎石垫层夹铺土工格栅。

每种处理方案均设置3个沉降观测断面，断面中心设置4支单点沉降计，埋置深度分别为3 m、8 m、17 m和30 m。

2 沉降观测数据分析

2.1 实测沉降

路堤填筑始于2015年6月14日，填筑完成的时间为2015年10月，沉降观测数据截止至2016年10月28日。图1～图3分别为三种地基处理条件下，不同深度处的地基沉降随路堤高度变化的曲线。

图1 DK45+850断面不同深度处沉降变化曲线

图2 DK45+950断面不同深度处沉降变化曲线

图3 DK46+030断面不同深度处沉降变化曲线

由图1～图3可知，3处的地基沉降量均随路堤填筑高度的增加而增大。静置期内，沉降曲线随时间变化逐渐趋于平缓。同时，不同深度处的地基沉降量不同：地表的沉降量最大，深度越大处的沉降量越小，且随着深度增加，沉降曲线收敛速度越快；17 m处的沉降量随路堤高度的增加变化较为平缓，在静置期内基本趋于稳定，8 m处的沉降在静置期内也表现出一定的收敛趋势，但3 m处和地表的沉降量尚未出现明显的收敛迹象。

表3 不处理时地基各深度范围压缩量统计 mm

表4 铺碎石垫层地基各深度范围压缩量统计 mm

表5 CFG桩加固地基各深度范围压缩量统计 mm

表3～表5分别为三种地基处理方案各深度范围内的地基压缩量统计。地基不处理、换填0.5 m碎石垫层和CFG桩加固时，地基的总沉降分别为120.99 mm、123.85 mm和36.87 mm。可见CFG桩复合地基大大减少了地基的总沉降量，加固效果明显；碎石垫层和土工格栅的主要作用为改善地基刚度和基底受力，对地基总沉降影响不大。

当不进行地基处理或仅换填0.5 m碎石垫层时，0～8 m范围内地基的压缩量占总沉降的比例分别为78.0%和71.7%，可见沉降主要发生在浅层地基内。采用CFG桩加固的段落，0～8 m范围内的压缩量占总沉降的比例约为50.9%，远小于其他情况。可见，采用CFG桩进行浅层加固，可有效控制地基沉降。

2.2 沉降预测

根据已有的沉降观测数据，选用双曲线法、三点法、星野法和Askoda法等4种不同的方法[9，10]预测地表最终沉降量，取4种方法所得结果的平均值作为预测沉降值。同时，计算各断面在不同静置期时沉降完成比例，见表6～表8。

表6 地基不处理方案各断面沉降完成比例

表7 铺碎石垫层方案各断面沉降完成比例

表8 CFG桩加固方案各断面沉降完成比例

由表6～表8可知，三种地基处理方案地表沉降随时间变化完成的比例无明显差异，断面DK45+870和DK45+930处同等时间内沉降完成比例略大；静置期内，沉降发展的趋势逐渐放缓。整体上，填筑完成时，地表沉降占总沉降的比例为45%～55%；静置1个月后，地表沉降占总沉降的比例为55%～65%；静置3个月后，地表沉降占总沉降的比例为70%～75%；静置6个月后，地表沉降占总沉降的比例为75%～85%。CFG桩地基处理虽没有明显加快沉降完成的速率，但是大大减小了总沉降量。

2.3 实测沉降与理论计算值对比分析

选用工程中最常用的单向压缩分层总和法[11]计算典型断面处的地表沉降值，采用自重应力的0.2倍对应的深度做为压缩层计算深度[12]。CFG桩复合地基加固区的沉降计算采用复合模量法，加固区复合模量相对于天然地基压缩模量的提高值与复合地基承载力相对于天然地基承载力的提高值取为相同[12]；下卧层沉降计算方法同天然地基。将理论计算沉降值与实测沉降值(预测值)进行对比，结果见表9。

由表9可知，理论计算沉降值与实测沉降值之间差距很大，天然地基沉降理论计算值为实测值的2.9～3.1倍，CFG桩复合地基沉降理论计算值为实测值的6.0倍。

在天然地基或换填碎石垫层的区域，地基0～8 m深度范围的理论计算沉降是实测沉降的2.5倍左右，8～30 m深度范围是3.6～4.7倍，表明现有沉降计算方法偏于保守。分析其原因，可能为地基深部取样的扰动影响和应力释放效应使土工试验所得的室内压缩模量小于地基中的实际值，故而导致计算所得沉降量偏大。