某高速铁路动车段地基处理沉降研究分析

2019-02-20韩竹青

铁道勘察 2019年1期

韩竹青

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

不良地质条件造成的沉降问题给高速铁路路基的稳定造成了较大影响。当高铁工程通过沿海、湖泊等地区时，对淤泥质软土的地基处理就显得十分重要。

在国内，张丽娟等[1]结合广州南沙泰山石化仓储区1期淤泥质地基处理工程，基于沉降观测结果，认为填土预压和塑料排水板的地基加固效果明显。薛元等[2]通过对滇池附近淤泥质土地基处理工程的稳定及沉降简算，认为采用水泥土搅拌桩处理可行。王志伟等[3]采用数值模拟分析，认为预应力管桩对处理含水量较高的深厚软土地基效果显著。当一项工程中对沉降有不同要求时，应对各种地基处理效果进行横向对比，选择最优处理方案。以下结合某境外高速铁路动车段的工程实际需求，根据其工程地质概况，通过沉降计算，对几种常见的地基处理形式进行分析探讨，为类似地质条件下的高铁地基处理工程提供设计理论依据。

图1 动车段平面及钻孔布置

1 工程地质概况

1.1 工程概况

某境外铁路为设计速度250 km/h的客货共线铁路，动车段范围对应正线里程DK37-DK42，动车段内股道路基填高5.0 m，路基边坡坡率为1∶1.75，场坪区域填高4.5～5.5 m。该动车段按沉降控制要求划分为三个区域(见图1)，各区域的工后沉降要求分别为区域Ⅰ控制在300 mm以内，区域Ⅱ控制在15 mm以内、区域Ⅲ控制在400 mm以内。

1.2 地质概况

该动车段地处冲海积平原地带，地形平坦开阔，河渠密布，地下水类型为第四系孔隙潜水，主要靠大气降水和地表水系直接补给，地下水径流排泄不畅，勘测期间地下水水位埋深0.4～2.3 m(高程-0.34～1.69 m)，水位变幅2.0～3.0 m。

根据勘探揭示，地层自上而下为第四系全新统人工堆积层素填土；第四系全新统冲海积层淤泥、黏土；第四系全新统冲洪积层黏土、粉质黏土；第四系更新统冲洪积层黏性土、砂类土、细圆砾土。

1.3 特殊地层物理力学性质

选取钻孔BKBH-022、BKBH-113、BKBH-112的地质资料分别作为区域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的代表性物理力学指标。

1-1'及2-2'的地质纵断面分别见图2、图3。第①层素填土以粉质黏土为主，场地表层普遍分布，层厚0.4～3.0 m，土质不均，固结程度较差；第②层黏土为硬塑，褐黄色，含20%细砂；第③层淤泥呈灰褐色，流塑；第④层黏土为硬塑，褐黄色，含铁锰质结核。对于本工程影响较大的为第③层淤泥层，天然孔隙比e=1.349～2.693，天然含水率w=51.6%～98.5%，天然重度γ=14.6～17.0 kN/m3，黏聚力C=6.6～15.8 kPa，内摩擦角φ=0.8°～4.9°，有机质含量5.07%～9.02%，淤泥层在场地表层普遍分布，层厚3.7～12.1 m，工程性质差。

按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)，对各钻孔的原状土样进行基本物理力学性质试验[4]。各区域需加固土层的物理力学指标对比见表1～表3。

表1 第②层黏土物理力学指标

图2 1-1'地质纵断面

图3 2-2'地质纵断面

表2 第③层淤泥物理力学指标

表3 第④层黏土物理力学指标

由表1可知，区域Ⅰ、Ⅱ表层黏土的含水率较低，压缩系数基本处于0.1～0.5 MPa-1之间，属于中低压缩性土[5]；区域Ⅲ黏土层含水率及压缩系数都偏高，原因在于该区域表层黏土较薄，钻孔取样深度正好处于黏土层和淤泥层交界处。由表2可知，淤泥层含水率偏高，压缩系数在2.0 MPa-1左右，属于高压缩性土。从表3可看出，下层黏土层含水率偏低，压缩系数在0.2 MPa-1左右，属于中低压缩性土。

各区域土体压缩实验数据所得e-p曲线如图4、图5、图6，经对比可见，除区域Ⅲ表层黏土较其他两块区域的孔隙比差别较大外，各区域淤泥层的e-p曲线吻合程度较高。图5中，淤泥层e-p曲线较陡，印证了淤泥层压缩性较高的力学性质；图4中，区域Ⅲ黏土层压缩性较区域Ⅰ、Ⅱ偏高，原因可能在于该区域淤泥层较厚，含水量过大，对上下土层均产生影响所致。

图4 第②层黏土e-p曲线

图5 第③层淤泥e-p曲线

图6 第④层黏土e-p曲线

2 地基处理方法

铁路工程中常用的地基处理方法有很多种，如换填垫层、冲击碾压、强夯、袋装砂井、塑料排水板以及各类桩结构等。根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)[6]，当地基情况为淤泥及流塑状淤泥质土时，适用的主流地基处理方法为换填垫层、预制管桩、塑料排水板、水泥土搅拌桩以及桩筏(板)结构等。

2.1 换填垫层

换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理[6]，换填垫层的厚度一般根据置换软弱土的深度以及下卧土层的承载力确定，厚度宜为0.5～3.0 m。

2.2 塑料排水板

塑料排水板排水固结法适用于含水量大、压缩性高、强度低、透水性差的软弱土层。其原理为:将塑料排水板插入地基中，采用超载预压或真空-堆载联合预压，使地基土中的孔隙水排出，将预压加固的附加应力转化为土的有效应力[7]，使地基土渐渐固结，从而提高地基的强度和稳定性。

2.3 水泥土搅拌桩

水泥土搅拌桩适用于淤泥、淤泥质土等饱和黏性土地基，该方法利用水泥等材料作为固化剂，经过搅拌使地基中的软土和固化剂产生反应，使软土成为具有整体性、水稳定性的水泥加固土[8]，从而提高地基的强度，减小工后沉降。

2.4 预应力管桩

对于深厚层软土地基，当常用的排水固结法、复合地基法无法满足工后沉降要求时，可采用预应力管桩为主的地基处理措施[9]。

3 地基处理沉降计算及分析

选用分层总和法计算地基工后残余沉降。这种方法计算参数易取得，且在工程中广泛应用，计算参数采用压缩试验资料所得的e-p曲线和e-lg p曲线。

e-p曲线法:根据相应地层所处压力段范围的孔隙比变化量，乘以地层计算厚度，直接换算得到该地层沉降量，然后进行总和计算。所采用的是压缩试验得到的最直接数据，不存在二次推导和其它指标估算，是该地层土体压力与变形特性的直接反应[10-11]。

e-lg p曲线法:在计算地基沉降过程中，除了孔隙比指标外，对于欠固结和正常固结土，需要引入先期固结压力Pc和压缩指数Cc(这两个指标通过压缩试验数据推演得到)；对于超固结土地层，还要进一步引入回弹指数Cs，以充分考虑其超固结性和应力历史对地层的强化作用[12]，避免所得沉降量偏大的现象。

本动车段的地基沉降计算采用e-p曲线而非elg p的原因在于以下两个方面:

(1)依据高压固结试验e-lg p计算Pc的Casagrande法[13]属于一种经验性作图法，虽然应用多年，但其存在的误差性已经在既有工程中大量地反映出来。因此，依据高压固结试验数据作图得出的Pc值进行沉降计算，所得结果会存在偏差[13]。

(2)先期固结压力Pc和压缩指数Cc主要通过高压固结试验获得[14，15]，但动车段内地层只进行了常规压力固结实验和压缩回弹试验，低压力段确定的先期固结压力Pc和压缩指数Cc会存在更大的误差性和波动性。

一般情况下，两种曲线均适用于各种固结状态土层的沉降计算。为了考虑土的应力历史，e-lg p曲线更适用于非正常固结状态的情况。综合分析e-p曲线法和e-lg p曲线法的计算结果、计算原理及地层情况，ep曲线能够更为精确地计算出本工程的工后沉降量。

根据工程经验，三个区域的地基处理深度分别为16 m、24 m、14 m。塑料排水板采用正方形布置，间距1.0 m，导管直径0.066 m；水泥土搅拌桩采用正方形布置，桩间距1.2 m，直径0.5 m，抗剪强度400 kPa；预应力管桩采用正方形布置，间距1.3 m，管桩外径0.4 m，壁厚200 mm。三种地基处理方法应用于各区域的工后残余沉降量见表4。

表4 工后残余沉降量 mm

由表4可知，在相同加固深度条件下，满足区域Ⅰ沉降要求(300 mm)的地基处理方法有水泥土搅拌桩、预应力管桩；满足区域Ⅱ沉降要求(15 mm)的只有预应力管桩；三种地基处理方法均可满足区域Ⅲ的沉降要求(400 mm)。

4 地基处理方案比较

在满足沉降要求的基础上，对各区域适用的地基处理方法进行技术、造价等方面的比选，以确定经济、合理的方案(见表5)。

表5 地基处理工程预算万元

由表5可知，对于区域Ⅰ而言，管桩和搅拌桩的工程预算相差较大，当两种方案均可满足沉降要求时，水泥土搅拌桩是较为合理的选择，除成本较低外，水泥搅拌桩还具有设备简单、技术可靠等优点；区域Ⅱ面积较小，故使用预制管桩并不会大幅度提高预算，且该方案施工方便、进度易控制、检测方便；对于区域Ⅲ，塑料排水板造价更低，且具有施工速度快、效率高、对土扰动小及可工厂化生产等优点[16]。