合福高速铁路更新统黏性土地基沉降测试与分析

王亚飞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

更新统黏性土地基具有低含水率、小孔隙比、中等偏低的压缩特性，其沉降固结特性不同于饱和软黏土。高速铁路对路基工程工后沉降要求严格，一般地段不宜大于15 mm，所有土质地基均需要进行工后沉降分析。更新统黏性土地基在河流高阶地广泛分布，而高速铁路在一级阶地广泛使用“以桥代路”后，路基多分布于此类地基土上。多个高速铁路的实测资料表明，经过CFG桩网、桩筏等结构处理后的地基实测沉降量远小于理论计算值[1-2]，其沉降变形在路基荷载稳定后可快速稳定。复合地基施工期沉降约占总沉降的60%以上[3-7]，非饱和中等压缩性土地基施工期沉降完成比例甚至更高[8]。

CFG桩复合地基在高速铁路地基加固中应用广泛，但现行规范对复合地基沉降尤其是中低压缩性土的地基沉降计算理论尚不能完全符合实际观测资料，且难以满足高速铁路毫米级的计算精度。合肥地区广泛分布上更新统(Q3)黏性土，本文以合福高速铁路合肥市肥东县地区晚更新统黏性土地基上典型试验工点为依托，开展了CFG桩复合地基、路基填筑、沉降观测等试验，对指导类似工程建设具有重要意义。

1 工点设计及测试方案

1.1 工程地质概况

合福高速铁路试验工点位于合肥市肥东县附近，属长江二级阶地区，地势较平缓。表层为4～6 m厚第四系全新统可塑～硬塑粉质黏土，局部夹薄层砂层；其下为上更新统硬塑黏土，具中等膨胀性，厚度15～20 m；下伏白垩系含砾泥质砂岩。第四系压缩层厚度约23～26 m。

各地层物理力学指标见表1。可见，黏性土地层由上至下含水率有所减小，压缩性逐渐降低，但均属于中等压缩性土范畴。

表1 各地层物理力学指标

1.2 地基处理设计及测试方案

试验工点为双线无砟轨道路基，路基面宽13.6 m，填土高度约8.0～8.5 m，路堤坡率1∶1.5。地基采用CFG桩桩网结构+堆载预压处理，CFG桩桩径0.5 m，桩长14～16 m，间距1.6～1.8 m，正方形布置，桩顶设置0.6 m 厚碎石、中粗砂垫层夹铺2层高强土工格栅；堆载预压高3.0 m。试验选取3个代表性断面进行地基分层沉降、地基面沉降及坡脚侧向位移等综合监测，监测断面相距12～40 m。试验工点测试断面如图1所示。

图1 试验工点测试断面示意

2 测试结果分析

2.1 施工情况

各测试断面距离较近，其施工时间大致相同。主要时间节点如下：2011年5月28日开始褥垫层填筑施工，5月30日开始第1层路基本体填筑;2012年1月8日完成基床底层填筑，2月17日开始预压土堆载;2013年1月15日开始卸载，1月29日运梁车第1次通过。

2.2 地基表面沉降

埋设于路基中心及路肩对应处地基表面的单点沉降计锚固端埋设深度为23～26 m，均位于强风化基岩。埋深置于强风化基岩的单点计基本可代表本断面的地基可压缩层变形总量，见图2。

图2 地基表面沉降曲线

由图2可知：经CFG桩复合地基加固后，地基总沉降较小。除DK23+960断面地基表面沉降偏大(约48 mm)以外，其余断面基底总沉降在20.7～23.8 mm，路基中心与路肩处差异沉降不明显。不同断面地基沉降趋势基本相同，随路基填筑荷载增加地基沉降逐渐增大，荷载稳定后，沉降也很快稳定。由于路基填筑期较长(约7.5个月)，填筑期沉降速率一般<1 mm/d，施工期沉降完成比例较高，约占总沉降的67%～83%，预压期间相对沉降量约3～9 mm，平均约为5.6 mm，堆载预压期较长(约11个月)，卸载后沉降增加幅度<1 mm，地基未见明显回弹，路基工后沉降较容易控制，满足无砟轨道的铺设要求。

2.3 地基分层沉降

在DK23+960断面4.8，14.05，18.05，26 m深度分别埋设了单点沉降计，本断面CFG桩设计桩长14 m。该断面分层压缩变形量曲线见图3。

图3 DK23+960断面单点沉降计分层压缩变形量曲线

由图3可知：CFG桩加固深度14 m范围内压缩变形量为29.41 mm，路基中心26 m深度范围内地基压缩变形总量为48 mm，加固区沉降约占变形总量的61.3%，下卧层约占变形总量的38.7%。而浅层0～4.8 m深度内压缩变形量为25.85 mm，占总沉降的53.85%，桩身下部4.8～14 m压缩变形量仅为3.56 mm，约占总沉降的7.42%。这说明地基变形主要发生在加固区浅层及下卧层，桩顶浅层存在较大的刺入变形，而桩身中下部加固区压缩量较小。

图4为该断面磁环式分层沉降测试结果。可知：总体规律与前述单点沉降计基本一致，但加固区压缩变形量更小。复合地基加固区不同深度内沉降量分布基本相同(沉降量呈竖直线)，表明加固区地基压缩变形量较小。

图4 DK23+960断面磁环式分层沉降曲线

统计各测试断面分层沉降结果见表2。可知：加固区沉降量占地基总沉降的比例<14%，下卧层沉降量占总沉降量的比例>86%。

2.4 地基侧向位移

典型断面深层位移监测曲线见图5。可知：更新统黏性土地基天然强度较高，测得其地基水平位移随着深度的增加而减小，最大水平位移靠近地表，一般约为6～8 mm，最大不超过12 mm，2 m深度以下水平位移一般<5～6 mm。说明CFG桩复合地基增加了地基刚度，约束了地基的侧向变形，有利于减小地基总沉降。

表2 加固区与下卧层沉降比例

图5 DK23+960左右侧坡脚侧向位移曲线

2.5 复合地基沉降理论计算

由于复合基桩的存在，实际改变了地基中的应力分布。有研究表明，对于中等压缩性土采用Mindlin-Boussinessq联合法得到的附加应力更符合下卧层实际沉降[9]。对于复合地基加固区，大量实测资料显示其压缩变形量较小，因而采用桩身压缩加桩顶刺入法计算加固沉降与实际较为吻合[10]。对于天然强度较高的中低压缩性土，在较低的荷载水平下，地基沉降处于弹性变形阶段，因此孙红林等[1]推荐采用“似弹性分析”法按“沉降完成比例”进行工后沉降分析。

本文采用TB 10106—2010《铁路工程地基处理技术规范》的复合模量法对前述断面进行了沉降理论计算，加固区采用置换率计算其复合模量，地基应力采用布氏解，沉降计算深度按附自比0.1考虑。测试断面沉降理论计算值与实测值对比见表3。

表3 测试断面沉降理论计算值与实测值对比

注：ψs为沉降经验修正系数。

由表3可知：在压缩模量当量值约15～16 MPa时，沉降经验修正系数约为0.10～0.22，与GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》查表值相比，约为规范值的27%～55%。由于铁路路基荷载是柔性荷载，其受力特征及应力扩散方式与刚性基础有很大差异，套用GB 50007—2011计算路基荷载作用下的地基沉降可能存在较大的误差。

从试验工点的沉降曲线来看，荷载稳定后，地基土的沉降收敛较快，与饱和软黏土的固结状态明显不同。因此，对于超固结状态的更新统黏性土不适合采用饱和黏土的渗透固结理论进行工后沉降分析。鉴于荷载稳定后沉降收敛较快的特点，推荐采用沉降完成“经验比例法”进行工后沉降计算。根据实测资料拟合其最终沉降，各断面的不同时期沉降完成比例见表4。

表4 复合地基不同时期沉降完成比例

由于试验断面填筑期长达7.5个月，施工期沉降完成比例超过70%;荷载稳定3个月后超过97%；6个月后为98%～99%。考虑路基填筑期的不同，理论计算可偏安全取值，加固区沉降完成比例可取相对高值。

3 结论与建议

1)更新统黏性土CFG桩复合地基在路基填筑期内即可完成大部分地基沉降。填土高度8.5 m、填筑期约7.5个月时，施工期实测沉降完成比例超过70%。该类地基土在荷载稳定后，沉降变形具有快速收敛的特征，地基总沉降及侧向变形均较小。

2)复合地基总沉降主要由加固区浅层及下卧层沉降组成，CFG桩中下部加固区沉降仅占总沉降的7%～15%；下卧层沉降约占总沉降的39%～87%。因此，对控制更严格的过渡段等部位，对浅层松软地层采取换填、夯实等必要的预加固处理措施，可进一步有效减小地基总沉降。

3)采用规范复合模量法进行的沉降理论计算与实测数据反演对比，在压缩模量当量值为15～16 MPa时，反演沉降经验修正系数约为0.10～0.22，约为规范值的27%～55%。更新统黏性地基土推荐采用沉降完成“经验比例法”进行路基工后沉降分析。考虑路基填筑期的不同、综合规范，更新统黏性土复合地基推荐路基填筑期沉降完成比例可取60%～70%，荷载稳定3个月后沉降完成比例可取85%～90%，6个月后可取95%，加固区可取相对高值，采用桩身弹性变形法计算时加固区浅层宜考虑桩顶刺入变形影响，残余沉降计入工后沉降。

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