高速铁路强夯地基沉降的离心模型试验研究

2019-01-23张崇磊蒋关鲁

铁道标准设计 2019年2期

张崇磊,刘琪,李丞,蒋关鲁

(1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,成都 610041； 2.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610041； 3.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；4.中国科学院大学,北京 100049)

离心模型试验通过重力场模拟工程物理现象，是岩土工程研究的重要试验手段。离心模型试验惯性力与重力绝对等效，高加速度不会改变岩土材料性质，从而使模型与原型应力分布、变形特征以及破坏机理相同，再现原型工程状态的力学特性。强夯加固法(动力固结法)，具有施工简便、经济有效和适用性广等特点。近些年，强夯法在重要基础设施浅层地基加固中得到广泛应用。然而，强夯加固理论计算高度依靠经验，较为欠缺定量分析和可靠设计方法，其工程适用性受到制约[1-2]。高速铁路强夯加固地基的沉降控制技术研究具有重要理论与工程实践意义。

国内外学者采用离心模型试验对不同加固处理方式的地基变形、稳定以及附加应力等进行了初步探索。在地基沉降控制方面，蒋关鲁等[3]针对天然地基，采用停机加载和变加速加载对地基沉降特性和应力分布进行了离心模型试验研究；陈建峰等[4]开展了加筋和不加筋石灰土路堤的离心模型试验，对比分析了软土地基沉降规律；王长丹等[5]采用离心模型试验，研究了湿陷性黄土桩网结构，对比了不同桩间距下地基沉降特性；梅源等[6]基于离心模型试验，分析了超高黄土填方地基在施工期和工后期的变形规律；张良等[7]基于离心模型试验，研究了深厚软基修筑路堤的沉降控制技术；冯研等[8]基于离心模型试验，分析了桩网复合地基沉降的预测精度；Wang等[9]通过离心模型试验，模拟不同桩间距对湿陷性黄土地基沉降的影响；Allersma等[10]改进了离心机填筑装置，土堤模型旋转时实施、控制填筑过程，分析了不同填筑速率对土堤变形的影响。地基稳定性分析方面，周小文等[11]基于离心模型试验，研究了快速填筑路堤时软土路基的稳定控制；Bassett等[12]选用莱顿-布扎尔德砂填筑堤岸，实现了离心机高速稳定运转时堤岸的分级填筑过程模拟。采用相同方法，Daives和Sharma等[13，14]实现了离心机运转过程软弱地基上部路堤的分层填筑，研究了加固路堤的稳定性。此外，吴丽君等[15]基于离心模型试验，分析了天然地基附加应力修正方法。强夯加固地基抗震方面，翁效林等[16]基于离心模型试验，定量评价了强夯黄土地基的抗震性能。可见，中等压缩性土地基现场填筑试验实例尚不多见，通过离心模型试验研究强夯加固地基沉降特性的定量分析较少，离心模型试验预测强夯地基沉降精度有待深入探索。

上述模型试验成果为强夯法在地基加固处理中的应用奠定了技术支撑。然而，高速铁路路堤荷载下中等压缩性土地基采用强夯加固，其加固机理尚无先例借鉴，如何保证此类地基在强夯加固后，既能高效地控制沉降，又能具备较高承载力和稳定性值得深入探索。本文基于离心模型试验相似理论，结合海南东环客专(海东线)全风化花岗岩地基以及胶济客专(胶济线)粉土、粉质黏土地基强夯加固试验工点，开展了强夯加固地基的离心模型试验，分析了填筑、静置及铺轨阶段强夯地基分层沉降演变特征，给出了基底应力和地基附加应力分布，研究了离心模型试验预测强夯地基沉降的精度，最后，根据现场实测沉降，提出了沉降修正系数取值范围。

1 离心模型试验方案

1.1 试验工点地质概况

试验工点选取海东线DK67+620和胶济线DK226+875两处强夯工点，夯锤重力、点夯次数、夯点间距分别选用150～300 kN、8～15次、3.5 m，满夯分3次夯实，夯击能量为1 000 kN·m。工点断面土层和路基设计见图1。表1给出了模型地基的物理参数。海东线DK67+620工点路基填高5.0 m，顶宽13.4 m，坡度1∶1.5，强夯深度6.0 m。测段上覆硬塑状黏土，一般厚度0～2 m属Ⅱ级普通土；下卧花岗岩全风化层(W4)呈硬塑～坚硬土状、砂石状，厚5～30 m不等，属Ⅲ级普通土。花岗岩全风化层平均天然密度1.99 g/cm3，大多为饱和状态，呈硬塑～坚硬状，塑限17.7%～31.4%，液限26.0%～49.3%；地基压缩系数为0.14～0.28MPa-1，属中等压缩性土地基。

胶济线DK226+875工点路基填高7.43 m，顶宽12.5 m，坡度1∶1.5，强夯深度5.9 m，垫层采用“二八”灰土夹土工格栅。地表为1 m软土，下部分别为4.46 m粉质黏土、7.91 m粉土以及18.3 m深厚粉质黏土。地基主要为非饱和粉质黏土和粉土，饱和度一般在67%～80%；地基压缩系数为0.12～0.22 MPa-1，呈硬塑状，属于中等压缩性土地基；孔隙比粉质黏土为0.56～0.88，粉土为0.65～0.86。离心机模型箱尺寸为80 cm×60 cm×60 cm，鉴于模型箱尺寸限制，选用与现场路堤填高一致的单线标准路堤。海东线、胶济线模型比尺n分别选用60、80。

图1 海东线、胶济线现场强夯加固断面(单位：m)

试验断面海东线胶济线土体类型层厚/cm容重/(kN·m-3)含水量/%花岗岩风化土(1)10.018.932.0花岗岩风化土(2)20.019.127.8花岗岩风化土(3)10.019.432.1黄土质粉质黏土5.618.79.32粉土9.918.813.1粉质黏土18.319.218.7

土压力盒埋设于路基中心下不同深度地基中。路基中心处布置9组，用于监测地基附加应力的分布，路肩下布置1组，用于对比基底横向应力分布的差异。土压力盒为电阻应变式传感器，灵敏度满量程时为1 mV·V-1。沉降板埋设于路基中心下地基中，分3个深度布置，外接LVDT位移传感器，用于监测地基分层沉降。模型尺寸和传感器布置见图2。

图2 模型尺寸与仪器布置(单位：cm)

1.2 试验设备与试验过程

选用TLJ-2型土工离心试验机，最大容量、最大加速度以及有效运行半径分别为1gt、100g和2.7 m，电机运行功率为185 kW。强夯区采用容重和含水量控制，容重20.3 kN/cm3，含水量8%。海东线现场强夯深度6.0 m，换算模型加固区深度10 cm。胶济线现场强夯深度5.9 m，换算模型加固区7.4 cm。取现场原状黏土碾碎过筛，按原型地基土体密度和含水量配置模型重塑土，分层填筑、压实强夯区以下地基。地基填筑完成后，为模拟原型地基固结过程，消除地基重塑土影响，获得地基自重应力，海东线、胶济线分别在设计加速度60g、80g下运转5 min，控制地基填筑厚度。之后，按现场路基实测密度2.0 g/cm3分层填筑和压实路基，如图3所示。

图3 模型制作过程

采用变加速度加载，路基模型一次填筑完成，离心模型填筑过程见表2。

表2 路基填筑加载历程

模拟过程包括施工阶段和路基长期运营阶段，施工阶段分为路基填筑、放置期间。路堤实际静置90 d，海东线、胶济线离心模型运转时间分别为36，25 min。路基长期运营阶段则通过路基面放置钢板模拟。工后阶段设计为3年，海东线、胶济线换算离心场时间分别为438，250 min，全程监测地基沉降与应力时程。

2 试验结果分析

2.1 地基附加应力

图4为海东线、胶济线离心模型试验基底应力分布。由图4可知，填筑至铺轨阶段基底中心处竖向应力比路肩下结果偏大，与柔性基础基底应力分布形式接近，铺轨后路肩下基底应力增长速率慢于路基中心。图5为路基填筑完成及铺轨后海东线、胶济线试验断面离心模型试验地基附加应力分布。由图5可知，海东线、胶济线强夯地基附加应力的衰减规律基本相似，随地基深度的增大附加应力逐渐减小，强夯影响深度范围内其衰减显著，而强夯影响深度下附加应力衰减逐渐减缓。

图4 路基基底应力分布

图5 地基附加应力分布

2.2 地基分层沉降

(1)路基填筑期与放置期沉降

图6为路基施工阶段填筑、放置期沉降与时间关系曲线。

图6 路基填筑、放置期竖向沉降与时间关系

由图6可知，施工阶段填筑期沉降较大，放置期沉降较小，随路基填高增加，填筑期沉降呈现减小趋势。填筑期内，海东线、胶济线强夯区沉降占施工阶段总沉降分别为15.5%、22.8%，路基荷载下强夯影响深度范围沉降显著降低。这是由于强夯加固后浅层地基含水量降低，干密度和压缩模量增大，从而显著降低填筑期和放置期地基总沉降。

图7为路基分级填筑沉降占填筑期总沉降比例关系。由图7可知，分级填筑沉降占总沉降比例随填筑级数的增加而减小。第一级加载后，沉降发展最为显著，至第四级加载后，分级填筑沉降所占比例已小于21%。由此说明，随路基分级填筑进行，地基沉降已由填筑期产生的瞬时沉降为主，逐渐演变为以放置期固结沉降为主。

图7 路基分级填筑沉降占填筑期总沉降比例

(2)路基长期运营阶段沉降

图8为路基长期运营阶段工后沉降与时间关系。由图8可知，随着运营时间增长，工后沉降速率逐渐减小，路基面和地基沉降时程发展规律基本相近。

图8 长期运营阶段工后沉降与时间关系

路基铺轨200 d后，不同深度处地基工后沉降量占据3年总工后沉降的比例仍然较大，即地基固结过程仍在发展；然而，铺轨550 d后，工后沉降发展逐渐趋于稳定。此外，长期运营阶段的工后沉降远小于施工阶段地基总沉降，运营3年后，海东线路基工后沉降为41 mm，胶济线为29 mm，工后沉降已满足相关高铁规范的沉降要求。

2.3 地基沉降修正系数

表3是填筑期、放置期地基分层沉降与现场监测沉降对比结果。由表3可知，离心模型试验得到的不同深度地基填筑期沉降占施工总沉降的比例基本接近，海东线均值为90%，胶济线均值为92.5%；现场填筑试验得到的地基不同深度处填筑期沉降占施工总沉降的比例较模型试验结果偏小，海东线均值为83.3%，胶济线为85.1%。海东线沉降修正系数均值为0.8，而胶济线均值为1.5，说明海东线离心模型试验地基沉降结果均要高于现场监测，而胶济线却低于现场监测。这是由于海东线地基为近饱和态，而胶济线地基为非饱和态，饱和状态的差异造成二者沉降修正系数差距明显，说明中等压缩性土地基的饱和度对施工沉降预测精度影响较大。

表3 填筑期和放置期地基沉降修正系数

表4为长期运营阶段地基工后沉降与现场监测沉降对比。由表4可知，离心模型试验得到的海东线各深度处工后沉降占施工阶段总沉降比例约为29.6%，胶济线约为28.0%，随地基深度增大，工后沉降比例逐渐减小。现场填筑试验得到海东线各深度处工后沉降占施工阶段总沉降比例约为4%，胶济线约为8.1%。此外，海东线各深度处工后沉降小于4.0 mm，胶济线地表工后沉降为9.8 mm，由于现场监测仪器损坏，4.6 m和12.13 m处监测数据缺失。可见，中等压缩性土地基工后沉降较小，满足高铁规范工后沉降要求[18]。地基工后沉降的离心模型试验结果均远远大于现场监测结果，运营阶段沉降修正偏小，即海东线工后沉降修正系数为0.13，胶济线沉降修正系数为0.31。从施工至运营阶段，对于全风化花岗岩强夯地基，用离心机模型预测施工与运营阶段地基总沉降的沉降修正系数为0.63，而对于粉土及粉质黏土强夯地基，用离心机模型预测地表总沉降的沉降修正系数为1.1。

表4 长期运营阶段地基沉降修正系数

表5是填筑期和放置期单位深度地基分层压缩量。由表5可知，离心模型试验得到的海东线、胶济线填筑期不同深度地基的单位压缩量分别为5.1 mm/m、3.7 mm/m，现场填筑试验得到的海东线、胶济线不同深度地基的单位压缩量分别为6.0 mm/m、3.6 mm/m，即两类试验的单位压缩量基本接近。此外，地基单位压缩量随着地基深度的增大而增大，浅层地基强夯加固效果显著。

表5 填筑期和放置期地基单位深度压缩量

综上所述，离心模型试验模拟强夯地基的沉降特性与现场填筑试验存在差异。对于中等压缩性土地基离心模型试验得到的单位分层压缩量的预测精度较高，而对于不同的填筑、放置期离心模型试验得到的不同深度地基的预测精度差异明显，经过沉降修正系数定量评价后能够较为真实地反映地基沉降特性，这主要与离心模型试验模拟历程与现场真实填筑过程存在一定差异有关。采用离心模型试验方法定量预测强夯地基沉降具有一定实用价值。