高速铁路路基工程观测期不足沉降控制技术研究(Ⅰ)超载原则和设计

陶明安

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

近年来高铁建设过程中，受征地拆迁、站房工程批复滞后与站前工程不同步、桥隧重难点工程施组调整及运架梁通道等因素的制约，路基工程预压或静置期不足的现象时有发生。依据有关规范的要求，需要采取针对性的措施以加速或控制沉降，确保工后沉降满足轨道铺设要求[1-3]。在路基填筑完成后，出现沉降观测期不足的情况时，超载预压技术是一种相对经济高效的沉降控制补强措施[4-6]。

在普速铁路或公路工程建设过程中，一方面对预压期不足下的超载设计理论重视不够，设计阶段超载参数(高度、底宽等)多为定性设置且缺乏严格的计算，导致补强的原则不够明确、出具的方案不具有针对性和可靠性[7-9]。另一方面，重点研究施工阶段通过基于变形观测的沉降评估来确定卸载预压土的时机。比较常用的卸载控制方法有：工后沉降法、荷载比法[10]、有效应力面积比法、沉降速率法[11]等，其中工后沉降法在剩余预压期后评估的剩余沉降量更大且需要更多的堆载时间；荷载比例法常采用高度比例法进行计算，但底宽和坡率不同导致两者并不匹配且不同荷载形式下基底的附加应力特征亦不相同；有效应力面积比法虽然克服了上述缺陷，但在等载工况下时，等沉降全部发生后再卸载仍然偏保守。基于前者的反演沉降系数法，用超载工况下的沉降修正系数推算等载工况下的实际沉降，忽视两者计算深度范围内压缩模量当量值的不同；沉降速率法由于控制的是变形辅助指标，因此存在一定的工后沉降超标风险。

由于工后沉降控制标准较低(一般地段为200～300 mm)，加之工程建设工期敏感度不高，过往超载设计与卸载方法尚能指导普速铁路和公路工程的后续补强施工。而高速列车对高速铁路轨道的平顺性要求高，导致工期和工后沉降控制较为严格，在施工阶段需要充分借助沉降观测和评估才能最终确定后续卸载和铺轨时机[12-13]，以满足毫米级别的沉降控制标准。以上种种特征都对高速铁路的超载补强设计理念和方法提出了更高的要求。

综上，高速铁路在建设领域中由于沉降观测期不足，缺乏超载补强设计的相关理论和成熟的设计、计算方法，因此，迫切需要从定性阶段转化为定量阶段。基于超载预压需提前卸载至等载预压的理念和沉降固结计算理论，建立高速铁路路基工程沉降观测期不足超载补强的原则和设计方法，可为今后类似项目提供技术参考与借鉴。

1 基于超载沉降量化计算的补强实施原则

依据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》6.10.1条的有关规定[2]，并非全部路基工程预压或静置期不满足6个月的强制要求时，都必须采取补强措施。在超载补强设计与计算时，首先要明确超载补强的判定标准，在给定的剩余预压期或静置期(小于6个月)内，原设计荷载工况条件下路基工程的工后沉降是否满足规范中15 mm的要求，进而提出如下补强实施原则。

(1)经计算不需补强情况

地基条件良好，在原设计荷载工况和剩余预压或静置期内，工后沉降小于 15 mm 时，一般情况下不需要再次进行堆载补强。考虑到岩土参数的离散性和计算经验的不足，以及实施堆载预压的可行性(土源、架梁和施工通道等)，对经计算不需补强工点可进行定性加强预压。

(2)经计算需堆载补强情况

在原设计荷载工况和剩余预压或静置期内，工后沉降大于 15 mm 时，需要再次进行堆载补强。

此外，当路基基底为强风化或弱风化基岩时，或地基采用桩基+筏板的桩板地基结构形式时，桩底由于进入强风化基岩，地基几乎没有沉降，因此仅需要消除路基填料本身的沉降量即可，而对于对填筑高度较大或换填较深的需要辅以定性预压措施，加强沉降观测，保证沉降观测数据量满足沉降评估的需要。

2 沉降计算理论依据

目前，高速铁路路基工程地基处理领域主要采用的方法有挖除换填、桩基+桩帽的桩网复合地基、桩基+筏板的桩板地基结构形式等[14-15]。其中，桩网复合地基沉降计算依据《铁路工程地基处理技术规程》[16]和《建筑地基处理技术规范》[17]的有关规定，采用基于布辛奈斯克解和复合模量的分层总和法进行沉降计算；桩板结构地基沉降计算依据《铁路桥涵地基和基础设计规范》[18]的相关规定，桩板结构地基采用基于实体深基础法的分层总和法进行沉降计算。

地基沉降的固结度计算依据《铁路工程地基处理技术规程》和《建筑地基处理技术规范》的有关规定，一级或多级等速加荷条件下地基的平均固结度计算采用高木俊介法计算，对于复合地基加固区而言，可简化采用周边土层的固结度进行计算，排水路径涉及不同固结系数土层时，可按照等效排水时间换算排水距离[19]。

3 超载补强计算方法研究

3.1 超载预压须提前卸载至等载

如图1所示，等载和超载条件下地基的总沉降分别为ΔH1和ΔH6，则存在

ΔH1<ΔH6

(1)

按照太沙基固结理论可知，相同的地基条件下，土体发生沉降的时间效应——固结度相同，假定到预压截止日T1，地基平均固结度都为U1，则存在

ΔH2=(1-U1)ΔH1<ΔH7=(1-U1)ΔH6

(2)

与此前分析的一致，一直超载下去在预压期结束后直接预测的工后沉降反而会更大，与超载预压的初衷相违背，而从总沉降数据曲线中剔除超载因素的技术手段精度有限，故超载预压需要提前卸载至等载，并结合卸载后实测的沉降变形数据进行回归拟合推算工后沉降。

图1 超载卸载至等载的沉降曲线计算示意

3.2 超载卸载时机的确定

沉降观测周期和数据量决定着沉降评估的准确性，提前太多时间卸载，则超载持续时间太短，加速沉降的效果减弱。而临近评估期再卸载，等载观测期时间短、数据量少，则会影响工后沉降评估的精度和准确性，结合以往项目的经验，多数路基工程预压或静置期仍有3～5个月的时间，一般等载沉降数据观测期宜为1～2个月。

3.3 超载卸载时沉降标准的确定

如图1所示，等载工况下预压截止日后的工后沉降为ΔH2，则有

ΔH2>15 mm

(3)

超载工况下超载卸载日后的工后沉降为ΔH8，等载观测期的沉降为ΔH4，等载观测期结束至预压截止日后的工后沉降为ΔH9，便推导出

ΔH8=ΔH4+ΔH9

(4)

按照规范工后沉降评估标准要求

ΔH9≤15 mm

(5)

超载工况下卸载时发生的沉降为

ΔH1-ΔH8=ΔH1-ΔH4-ΔH9≥H1-ΔH4-15

(6)

设等载工况下的设计荷载为P，超载工况下的荷载为P+ΔP，则等载观测期的沉降ΔH4主要由设计荷载P下的压缩沉降ΔH10和超载荷载ΔP下已压缩变形的回弹量ΔH11构成。

设预压截止日T3时的地基平均固结度为U3，则有

ΔH10=(U1-U3)ΔH6

(7)

设预压截止日T3时超载荷载ΔP下已压缩变形为ΔH12，则有

ΔH12=U3(ΔH6-ΔH1)

(8)

土体的卸荷回弹变形往往具有时间效应[20]，这里假定卸载回弹变形的时间效应满足太沙基一维固结原理，从卸载起算固结起始时间，设时间T2内的固结度为U2，则有

ΔH11=U2ΔH12=U2U3(ΔH6-ΔH1)

(9)

由ΔH4=ΔH6+ΔH1进一步推导出

ΔH4=(U1-U3)ΔH6+U2U3(ΔH6-ΔH1)

(10)

4 超载补强设计流程介绍

下面结合图2，对预压期不足工况下超载补强设计流程做进一步说明。

图2 预压期不足超载补强设计流程

(1)结合当前施工进度与组织安排，明确高速铁路路基工程的剩余预压期T1，并基于等载观测期T2进步推算超载预压期T3=T1-T2。

(2)依据地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法，计算剩余预压期T1内等载工况下的地基总沉降量ΔH1、工后沉降量ΔH2以及一直等载条件下对应于等载观测期内T2内的地基沉降量ΔH3。

(3)基于卸载变形仍满足固结规律的假定，计算超载卸载至等载后到等载卸载的这段期间内(T2)地基所产生的沉降ΔH4。

(4)给定初始超载预压高度H1和底宽B1，计算超载工况下卸载至等载时地基沉降控制标准：ΔH1-ΔH4-ΔH0，其中ΔH0为规范要求的工后沉降控制标准。

(5)计算超载预压期T3内超载工况下的地基沉降量ΔH5，若ΔH5≥ΔH1-ΔH4-ΔH0，则完成本次超载补强设计，反之，进一步调整H1和B1以使其满足超载卸载至等载的沉降控制标准。

5 结论与建议

针对高速铁路路基工程沉降观测期不足，超载补强设计难以指导工程实践的现状，基于超载预压须提前卸载至等载预压的理念，系统构建了超载预压补强原则的设计与计算方法，在今后的工程应用中加以改进和完善的同时，有以下几个方面需要引起足够的重视。

(1)由于岩土参数的离散性、沉降的时效性以及理论计算精度的有限性，超载补强设计可以指导后续施工，但最终仍需以沉降观测及评估结论来确定预压土卸载时间和铺设无砟轨道的施工时机。

(2)超载补强设计时，需要及时对工点内地基和支挡结构进行检算，以确保在超载工况下，地基承载力、桩板结构的筏板配筋以及挡墙的滑动稳定性等指标满足要求。

(3)超载补强措施的设计与施工还需要结合外部施工环境进行调整：一方面超载预压位于临近既有线段落时，为避免超载引起临近既有线发生较大附加沉降，建议尽量减少既有线侧的堆载预压。通过调整超载预压土的位置和高度来实现超载补强效果；另一方面在有站房和雨棚柱等站前、站后工程交叉施工的地段，应充分考虑其对堆载预压施工的干扰和影响，并及时优化超载补强相关参数。