堆载预压情况下基底土质对路基沉降影响的分析研究

2018-07-03滕焕乐曹成度

铁道勘察 2018年3期

陶灿饶雄滕焕乐曹成度

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

高速铁路轨道的平顺性是优化轮轨效应的关键，也是确保行车安全和旅客舒适度的重要因素之一。为了运营安全及平稳，高速铁路对轨面的平整状态有严格的要求，而结构物的工后沉降对轨道平顺性有直接的影响。《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》(Q/CR 9230—2016)规定，一般路基工后沉降要求小于15 mm。[1]

近年来，为解决沉降问题，多采用CFG桩、注浆旋喷桩等措施对地基进行加固处理，然后再通过堆载预压来加速地基土层的压缩变形，以减小工后沉降[4]。国内许多学者对不同地质情况下路基的沉降特性做了大量的研究。裴立军等对不同的黄土地基路基段开展沉降监测，得到黏质黄土地区一般在3～4个月内沉降发展较快，之后逐渐变缓，6个月以后路基沉降趋于稳定的结论[5];刘浩等通过对京沪高铁阳澄湖地区软土的蠕变特性和次固结特性的实验研究，认为堆载预压不仅可以减小软土的主固结沉降，还能够有效地减少工后沉降[6]；牛富俊对青藏铁路路桥过渡段的沉降趋势进行分析，认为粉土、粉质黏土等细颗粒类土的沉降量明显高于其他类土，中粗砂类、砾石土的沉降量为中等，风化岩石、砂岩、片岩等的沉降量最小或几乎为零，表明路基土体类型是影响沉降量的因素之一[3]。以京沈高铁安匠站路基段建设期间的沉降过程和沉降趋势为研究对象，研究路基基底土质对路基沉降特性的影响，对于重新认识不同土质的沉降特性以及如何控制工后次沉降有一定参考价值。

2 路基沉降原理

2.1 土壤压缩固结原理

土的固结是指土体受外力作用，其应力状态改变时，土体体积逐渐压缩，同时部分水量从土体中排出，外加应力相应地从孔隙水(与气)传递到土骨架上，孔隙水压力逐渐消散至零，直到变形达到稳定为止[7]，更确切地说，是土体在荷载作用下，孔隙压力降低，有效应力增加，土体压缩的过程[8]。一般来说，e值越小，土越密实，压缩性越低；e值越大，土越疏松，压缩性越高[9]。孔隙比公式为

(1)

其中e为孔隙比，Vs是土壤体积，Vv是孔隙体积。

图1中，Vs为土粒体积，在堆载预压加载前后保持不变，在堆载预压后，土壤被压缩后导致孔隙体积变化，孔隙比产生变化，整个过程遵循以下公式

(2)

图1 土壤固结过程示意

对土壤施加纵向荷载后，孔隙水得以逐渐排出，有效压力增大，土体强度增加，从而达到地基处理的目的。根据有效应力理论，土质因渗透固结增加的强度与附加总应力增量和固结度的乘积成正比(假定固结过程中土的内摩擦角为不变的常数)。因此，压缩固结是引起地基沉降的最直接原因(理论沉降量为S)[10]。

按照一般规律，土壤粒径越小，透水性越弱，受外力时越容易变形，强度越小。

2.2 土壤固结速率和压缩模量

土壤固结速率是指土层发生主固结的快慢程度，主要取决于土的固结系数。土的压缩模量Es表示土的压缩性，Es越小，土的可压缩性越大，孔隙水消散速率越快；反之Es越大，土的可压缩性越小，孔隙水消散速率越慢[11]。

太沙基一维固结模型和理论研究的是饱和土中有效应力和孔隙应力的不同比值及与总应力的关系，在实际工程中，遇到的多为非饱和土。非饱和土是一种三相体系，除包含不可压缩的固相土粒和液相水外，还含有一定数量的可压缩气体。饱和土与非饱和土的固结理论彼此相关，非饱和土的固结理论是对饱和土固结理论的拓展和延伸[12]。路基的堆载预压可认为是非饱和土的三维固结问题。

2.3 路基沉降稳定标准

根据《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》，当路基主体工程完工后观测期应大于3个月，且这3个月沉降波动幅度在3.0 mm之内、沉降变形观测值在±2 mm之内、最后4次(且观测时间不少于一个月)观测数据未出现连续下沉现象时，简称“小变形测点”，可判定为“通过”，不予曲线拟合，可进行无砟轨道施工，但必须继续观测验证；当测点沉降变形大于3 mm时，必须进行曲线拟合(简称“曲线拟合测点”)，当曲线拟合测点同时满足以下条件时，可以判定满足无砟轨道铺设条件[13-14]。

(1)工后沉降不宜超过15 mm。

(2)根据路基实际荷载情况及观测数据，应作回归分析及预测，综合确定沉降变形的趋势，曲线回归的相关系数应不低于0.92。

(3)轨道(道床)铺设前最终预测应符合其预测准确性的基本要求，即桥梁主体施工完成至无砟轨道铺设前，沉降预测时间应满足

S(t)/S(t=∞)≥75%

式中，S(t)为预测时实际发生的沉降量/mm；S(t=∞)为预测总沉降值/mm。

3 观测研究段概述

3.1 工程概况

京沈高铁是连接东北和华北地区的重要纽带，设计速度350 km/h，全线设计为无砟轨道线路。本次研究段为安匠站DIK159+440～DIK160+594.95段路基，位于承德市承德县鞍匠乡境内，该段为中低山山间盆地地貌，地形起伏不大，植被发育，交通较为便利。根据勘探资料，本段地表覆盖第四系上更新统冲洪积粉质黏土、卵石土、粗砾土，土层厚22.7～27.7 m，下伏侏罗系上统片麻岩，分布情况如表1、图2和图3。

表1 安匠站基底土质组成

DIK159+440～DIK160+594.95段路基为填方，从上到下依次为0.5 m厚C35混凝土，0.76 m厚C20混凝土，0.69 m厚级配碎石(掺5%水泥)；以下基床底层范围内填筑0.75 m厚的A、B组土，混凝土基床两侧填筑A、B组土，总厚度2.7 m。DIK159+880～DIK160+217段基底主要为粗砾土、卵石土、漂石土和片麻岩；DIK159+880～DIK160+217段基底主要为粗砾土、卵石土、粉质黏土和片麻岩。

图2 DIK159+880—DIK160+217段地质断面

图3 DIK160+300～DIK160+500段地质断面

3.2 堆载预压段沉降实施情况

安匠站DIK159+880～DIK160+217段共设9个沉降观测断面，DIK160+300～DIK160+500段共设7个沉降观测断面，按照设计和规范要求，每个沉降观测断面基底设置一个沉降板，布置于双线路基中心。为施加整体基床荷载以加速基底沉降，在DIK159+880～DIK160+217段和DIK160+300～DIK160+500段基床底层顶面使用预压块、预压土实施堆载预压。预压土堆高3 m，单延米体积为25.8 m3，单延米质量为46.44 t，横向边坡坡度为1∶1，端部纵向边坡坡度为1∶2并向外延伸。堆载示意如图4。

图4 堆载预压示意(单位：m)

4 沉降结果分析

4.1 实测沉降结果分析

根据施工安排，DIK159+880～DIK160+217段在2016年12月14日开始堆载，DIK160+300～DIK160+500于2016年10月18日开始堆载。堆载时间如表2。

堆载过程中各断面沉降量如表3。

4.2 两段路基沉降曲线预测拟合结果

对实测沉降数据采用双曲线模型和灰色系统GM(1，1)模型进行曲线拟合。结果表明，两种模型的预测相关系数均达到了0.92以上，预测工后沉降量差别为0.02～3.87 mm。S(t)/S(∞)和工后沉降的预测结果表明，所有沉降板均到达稳定状态，各项指标均满足《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》中对于路基沉降稳定判定标准中的要求。这两段路基在堆载预压后均达到了相对稳定的状态，满足无砟轨道铺设的前提条件。预测结果见表4。

表2 堆载时间分布

表3 堆载沉降情况

4.3 两段路基沉降情况对比分析

如图5所示，DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段路基各测点沉降量的监测结果表明，DK160+300～DK160+500段沉降量为17.25～51.35 mm，DIK159+880～DIK160+217段沉降量在2.38～8.53 mm，DK160+300～DK160+500段所有沉降板的沉降量比DIK159+880～DIK160+217段沉降量要大至少2倍，DK160+300～DK160+500段沉降量最大的160358L1号沉降板，其在堆载预压期间的沉降量为51.35 mm(超出DIK159+880～DIK160+217段沉降量最大的160085L1号沉降量的6倍以上)。两段路基间隔仅83 m，采用了相同的地基处理和堆载预压方法，每延米预压土方量相同，并可以近似假设这两段路基所处的气候水文环境一致。由图2和图3的比较发现，DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段的主要区别在于基底土质，DK160+300～DK160+500段沉降量较大主要是粉质黏土相较于漂石土的孔隙比更大，土壤可压缩性大，从而导致DK160+300～DK160+500段整体基底土壤可压缩性更高，从而产生了更大的沉降量。

图5 DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段沉降量比较

4.4 两段路基沉降速率分析

由图6可知，DK160+300～DK160+500段沉降达到稳定需275～297d，DIK159+880～DIK160+217段沉降达到稳定需120～197d，DK160+300～DK160+500段沉降达到稳定的天数较DIK159+880～DIK160+217段多78～177 d。由图7可知，DK160+300～DK160+500段的沉降速率明显比DIK159+880～DIK160+217段要大，DK160+300～DK160+500段需要更长的时间来完成土壤的压缩固结沉降，其孔隙水压力消散速率比DIK159+880～DIK160+217段要大。DK160+300～DK160+500段和DIK159+880～DIK160+217段主要区别为基底土质(粉质黏土和漂石土)，可以推测出粉质黏土的固结系数比漂石土要小，沉降速率较大。