余 飛,樂 紅,韓 卓,陳善雄

(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

1 概述

鐵路客運(yùn)專線線路長(zhǎng),不可避免地要穿越大量的湖、江、河相沉積的軟土分布區(qū)域,而無砟軌道的鋪設(shè)對(duì)路基工后沉降提出了嚴(yán)格的控制要求(一般小于15 mm),基底沉降和穩(wěn)定控制問題十分突出。為解決這一問題,設(shè)計(jì)上多采用CFG樁、注漿、旋噴樁等措施對(duì)原軟土地基進(jìn)行加固處理,然后再通過超載預(yù)壓來加速地基土層的壓縮變形,以減小工后沉降。這就決定了鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基與以往的鐵路、公路軟土路基存在較大的區(qū)別,主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面,鐵路客運(yùn)專線路基沉降變形量較小,如武廣鐵路客運(yùn)專線軟土路基超載預(yù)壓段的地基變形量多在60 mm以內(nèi),與一般的軟土路基的沉降量不在一個(gè)量級(jí)上；另一方面,在已加固地基上進(jìn)行超載預(yù)壓,其基底沉降變形特征和規(guī)律與常規(guī)的軟土地基存在較大的差異。因此,有必要針對(duì)鐵路客運(yùn)專線路基工程的特點(diǎn),研究超載預(yù)壓路基的變形特性。

超載預(yù)壓路基的一個(gè)關(guān)鍵問題是卸載時(shí)間的確定,它關(guān)系到設(shè)計(jì)過程中預(yù)壓時(shí)間的設(shè)置和施工組織的優(yōu)化調(diào)控。目前,關(guān)于卸載時(shí)機(jī)的分析方法已研究得比較多。《地基處理手冊(cè)》[1]認(rèn)為超載預(yù)壓過程中路基土層固結(jié)度達(dá)到等載與等載加超載之比時(shí)即可卸載,工程實(shí)踐表明,這是一種偏于保守的方法,預(yù)估的卸載時(shí)間要大于實(shí)際需要的時(shí)間；潘秋元提出用有效應(yīng)力比法進(jìn)行超載卸荷控制,并建議有效應(yīng)力比取0.75作為控制標(biāo)準(zhǔn)[2]。張光永[3～4]等根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)給出了卸載控制曲線,即超載卸除前地基應(yīng)達(dá)到的最佳平均固結(jié)度與超載比的關(guān)系曲線。鐘才根[5]、楊濤[6]等人通過建立沉降速率與工后沉降的關(guān)系曲線,提出了卸載時(shí)機(jī)的沉降速率控制法[7]。

這些方法基本上都是依據(jù)軟土固結(jié)理論而提出的,對(duì)于鐵路客運(yùn)專線軟土路基而言,填筑前地基已進(jìn)行了加固處理,超載預(yù)壓的目的更多的是從控制變形的角度出發(fā)的,即進(jìn)一步加速地基土體的壓縮變形,減小工后沉降量。因此,鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基的變形機(jī)理與傳統(tǒng)的固結(jié)理論并不完全相同。鑒于目前鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓控制理論不完善,有必要從實(shí)際工程的觀測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā),在總結(jié)認(rèn)識(shí)超載預(yù)壓路基的變形發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上,探討其卸載時(shí)機(jī)的分析方法[8]。

本文以武廣鐵路客運(yùn)專線大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析超載預(yù)壓路基的變形發(fā)展規(guī)律,研究基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析的卸載時(shí)機(jī)控制方程及計(jì)算方法,最后通過工程實(shí)踐來檢驗(yàn)其適用性和有效性。

2 超載預(yù)壓路基沉降變形特征

以武廣鐵路客運(yùn)專線大量超載預(yù)壓路基的實(shí)際觀測(cè)資料進(jìn)行分析,基底沉降變形表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律,其發(fā)展過程基本可以劃分為4個(gè)階段(圖1)。

圖1 超載預(yù)壓路基沉降變形過程示意

(1)填筑階段：地基沉降變形隨填筑高度的增加而增大,沉降速率比較大。這一階段,填筑加載量和加載速率是控制沉降變形發(fā)展的主要因素。

(2)恒載階段：考慮到施工組織的協(xié)調(diào),較多的路基工點(diǎn)在填筑完成后都有一個(gè)恒載階段。恒載階段的沉降變形速率明顯減小,沉降變形量呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),由于恒載階段的變形增長(zhǎng)量較小,觀測(cè)誤差會(huì)引起部分?jǐn)嗝娴淖冃芜^程曲線出現(xiàn)較大的波動(dòng)；另外,沉降速率變化點(diǎn)與停載時(shí)間點(diǎn)基本吻合,一般在停止加載幾天后,沉降速率會(huì)馬上減小,反映原地基經(jīng)過地基處理后,剛度較大。

(3)超載預(yù)壓階段：在路基本體上堆載浮土,一般堆載速度要較路基本體的填筑速度大。隨著上覆荷載的快速增加,沉降變形速率陡然增大,變形曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),超載填筑完成后,沉降變形量逐漸增大,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為下凹曲線。

(4)卸載階段：卸載后沉降變形速率明顯減小,沉降變形很快趨于穩(wěn)定,回彈變形不顯著。

上述變化規(guī)律反應(yīng)出超載預(yù)壓措施能加速基底壓縮土層的變形,減小工后沉降。對(duì)武廣鐵路客運(yùn)專線大量堆載預(yù)壓路基段的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：由于原地基已進(jìn)行了加固處理,其基底觀測(cè)總沉降量一般較小,多在20 mm以內(nèi),少數(shù)工點(diǎn)由于軟土層較厚,觀測(cè)沉降量超過20 mm,最大值在60 mm左右；在超載高度與路基本體填筑高度基本相同的條件下,由超載引起的沉降增量一般小于路基本體荷載引起的沉降增量,反映地基在路基本體荷載作用下,經(jīng)過一段時(shí)間的恒載預(yù)壓,其變形模量有所提高；卸載后基底未出現(xiàn)明顯回彈變形,反映出卸載階段土體的次固結(jié)變形與由負(fù)孔隙水壓力和土顆粒蠕動(dòng)引起的回脹變形相當(dāng),沉降過程曲線上表現(xiàn)為一條平緩的曲線,卸載后變形趨于穩(wěn)定。

上述過程是超載預(yù)壓路基沉降變形的基本類型,另一種較普遍的類型是超載和路基本體連續(xù)填筑完成,期間沒有恒載預(yù)壓階段。這種類型的超載預(yù)壓斷面的沉降變形特征主要表現(xiàn)為：①填筑和堆載階段的基底沉降變形顯著,沉降速率較大；②超載預(yù)壓階段沉降變形繼續(xù)發(fā)展,沉降速率變化不明顯；③卸載后沉降速率明顯減小,沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定。這些特征反映了基礎(chǔ)土體在路基本體和超載的共同作用下,先期沉降變形發(fā)展較快,且這種變形趨勢(shì)會(huì)在預(yù)壓期間持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間,這雖然加速了基底的沉降變形,但容易引起地基失穩(wěn)破壞。因此,在路基填筑完成后,應(yīng)根據(jù)變形增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)速率,適當(dāng)控制超載施加的時(shí)間和堆載速度,對(duì)路基的整體穩(wěn)定是有利的。

3 超載預(yù)壓路基卸載時(shí)機(jī)確定方法

3.1 卸載時(shí)機(jī)分析思路和方案

鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基沉降變形特征與一般軟土路基存在一定的差異,這主要是由于其變形機(jī)理與固結(jié)理論不完全相同。對(duì)于鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基而言,基于固結(jié)理論的卸載控制方法具有一定的局限性。

以下從武廣鐵路客運(yùn)專線實(shí)測(cè)曲線出發(fā),總結(jié)能很好地反應(yīng)沉降變形趨勢(shì)的回歸擬合方法,引入工后沉降量控制條件,推導(dǎo)和建立超載預(yù)壓路基卸載時(shí)間控制方程,從而確定卸載時(shí)機(jī)；同時(shí),采用比較保守的理論計(jì)算方法——有效應(yīng)力面積比法,進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,卸載時(shí)機(jī)分析方案如圖2所示。

圖2 鐵路客運(yùn)專線卸載時(shí)機(jī)分析方案

3.2 曲線回歸擬合方法的優(yōu)選

采用曲線回歸預(yù)測(cè)分析工后沉降和卸載時(shí)機(jī),首先需要能反映鐵路客運(yùn)專線路基沉降變形趨勢(shì)的擬合方法。

筆者與同事以武廣鐵路客運(yùn)專線路基沉降變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)工程上廣泛采用的常規(guī)雙曲線法、指數(shù)曲線法、三點(diǎn)法、Asoaka法、拓展雙曲線法進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比驗(yàn)證分析[9]。分析結(jié)果表明,三點(diǎn)法和拓展雙曲線法能較好地反映沉降變形的趨勢(shì),預(yù)測(cè)精度較高,對(duì)數(shù)據(jù)波動(dòng)的適應(yīng)性較強(qiáng),并在實(shí)際沉降評(píng)估分析中取得了較好的效果。

因此,在推導(dǎo)超載預(yù)壓區(qū)段卸載時(shí)間控制方程時(shí),選用拓展雙曲線法或三點(diǎn)法進(jìn)行回歸擬合。

3.3 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和要求

路基超載預(yù)壓卸載時(shí)機(jī)的確定與具體工程沉降變形的控制標(biāo)準(zhǔn)是相對(duì)應(yīng)的。對(duì)于鐵路客運(yùn)專線而言,一般鋪設(shè)的是無砟軌道,我國(guó)《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》[10]、《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》[11]對(duì)路基工后沉降和變形觀測(cè)分析預(yù)測(cè)提出了以下幾個(gè)具體控制要求。

(1)無砟軌道路基在鋪軌后發(fā)生的工后沉降一般不應(yīng)大于15 mm；

(2)在路基完成或施加預(yù)壓荷載后應(yīng)有6～18個(gè)月的觀測(cè)和調(diào)整期,即設(shè)計(jì)荷載包括預(yù)壓荷載到位后的恒載期一般不應(yīng)少于6個(gè)月；

(3)路基填筑完成后,預(yù)測(cè)時(shí)的沉降觀測(cè)值s(t)與預(yù)測(cè)的最終沉降量s(∞)之比應(yīng)大于75%,即s(t)/s(∞)≥75%。在超載預(yù)壓情況下,預(yù)測(cè)最終沉降s(∞)指包括預(yù)壓荷載在內(nèi)的總荷載。

(4)采用的回歸擬合曲線預(yù)測(cè)工后沉降時(shí),應(yīng)滿足其相關(guān)系數(shù)大于0.92。

上述這些要求，應(yīng)在分析評(píng)估路基填筑超載預(yù)壓區(qū)段工后沉降的過程中加以充分考慮。

3.4 基于曲線回歸的卸載時(shí)機(jī)控制方程

仍以圖1所示的典型堆載預(yù)壓路基的沉降變形過程示意圖進(jìn)行表述。圖中H為堆載前填筑高度,ΔH為堆載高度,t1為超載施作開始時(shí)間點(diǎn),相應(yīng)的沉降量為s(t1),tX為卸載時(shí)間點(diǎn)。

由于堆載會(huì)引起觀測(cè)曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),且堆載速度與路基本體填筑速度一般不同,采用堆載以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合會(huì)帶來較大的偏差。因此,一般采用超載施加后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

根據(jù)工后沉降控制要求,卸載時(shí)預(yù)測(cè)工后沉降sR應(yīng)小于控制標(biāo)準(zhǔn)sR,p,即

(1)

對(duì)于超載預(yù)壓路基,工后沉降為設(shè)計(jì)荷載條件下的最終沉降變形預(yù)測(cè)值s2(ξf,∞)與卸載時(shí)沉降值s2(ξmax,tX)之差,預(yù)測(cè)工后沉降等于控制標(biāo)準(zhǔn)[sR,p]時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tX1為最短預(yù)壓時(shí)間。在計(jì)算工后沉降時(shí),為了減小由于擬合曲線的不確定性引起的偏差,最終沉降值采用加權(quán)系數(shù)ηs=1.1,而卸載時(shí)的沉降變形值則采用加權(quán)系數(shù)1/ηs=0.91。則工后沉降控制條件為

(2)

若采用拓展雙曲線法擬合堆載后的實(shí)測(cè)沉降s(t),擬合方程為

(3)

其中t′=t-t1,ξ=h/(H+ΔH)為地基荷載水平,堆載前的恒載階段荷載水平為

(4)

預(yù)壓階段地基達(dá)到最大荷載水平ξmax=1.0,在鋪軌完成后(設(shè)計(jì)荷載下)的荷載水平為

(5)

式中：ps為無砟軌道上部結(jié)構(gòu)自重；γ為填土平均容重。

按照拓展雙曲線擬合方程計(jì)算,卸載時(shí)沉降量為

(6)

設(shè)計(jì)荷載條件下的最終沉降變形預(yù)測(cè)值

(7)

將式(6)、(7)代入控制條件式(5),得到

(8)

推導(dǎo)得到

(9)

上式即為基于拓展雙曲線法回歸擬合的卸載時(shí)間控制方程,按同樣的思路可以推導(dǎo)基于三點(diǎn)法回歸擬合的卸載時(shí)間控制方程。將ξmax=1.0，加權(quán)系數(shù)ηs=1.1以及工后沉降控制值[sR,p]=15 mm代入式(9)得到

(10)

即只要準(zhǔn)確擬合堆載后的觀測(cè)數(shù)據(jù),確定擬合參數(shù)a,b很容易按式(10)計(jì)算與工后沉降等于15 mm的最短預(yù)壓時(shí)間tX1。

3.5 基于有效應(yīng)力面積比的卸載時(shí)機(jī)控制方程

有效應(yīng)力面積比R定義為：受壓土層范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)物荷載引起的附加總應(yīng)力面積與卸載前相同厚度土層內(nèi)預(yù)壓荷載引起的有效應(yīng)力面積之比。一維壓縮變形條件下,有效應(yīng)力面積比R可簡(jiǎn)化為

(11)

式中,Pf為設(shè)計(jì)荷載；ΔP為超載；U(t)為卸載時(shí)t時(shí)間壓縮層內(nèi)土的平均固結(jié)度；

《地基處理手冊(cè)》[1]以地基土層固結(jié)度和實(shí)際荷載比來控制卸載時(shí)間,即超載預(yù)壓過程中地基土層固結(jié)度達(dá)到設(shè)計(jì)荷載與設(shè)計(jì)荷載加超載之比時(shí)即可卸荷。而軟土路基20年殘余變形與有效應(yīng)力面積比R的相關(guān)關(guān)系的研究表明[8],當(dāng)有效應(yīng)力面積比R≤0.8時(shí),卸載后土層的殘余變形為“0”或發(fā)生少量回彈。

對(duì)于鐵路客運(yùn)專線而言,基底壓縮土層大量采用CFG樁、巖溶注漿和換填等方式進(jìn)行了地基處理后,其變形雖然與傳統(tǒng)的固結(jié)過程不完全相同,但作為一種對(duì)工后沉降直接分析的補(bǔ)充,是值得嘗試的。而且大量實(shí)際工程表明,這是一種偏于保守的估算方法,預(yù)估的卸載時(shí)間要大于實(shí)際需要的時(shí)間,對(duì)于客運(yùn)專線工程建設(shè)而言,是偏于安全的。

為了工程安全,按R≤0.8予以控制

(12)

即t時(shí)實(shí)際發(fā)生的沉降s(t)和預(yù)測(cè)最終沉降s(∞)之比應(yīng)≥ξf/0.8。對(duì)于超載預(yù)壓路基而言,有效應(yīng)力面積比控制條件為

(13)

同時(shí),應(yīng)滿足《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》給出的第三個(gè)具體要求,即t時(shí)實(shí)際發(fā)生的沉降和預(yù)測(cè)最終沉降量之比應(yīng)≥75%,即核準(zhǔn)

(14)

若采用拓展雙曲線法來擬合觀測(cè)數(shù)據(jù),則將相應(yīng)的沉降量擬合方程代入式(13)、(14),得到

(15)

并核準(zhǔn)

(16)

由式(15)、(16)可以計(jì)算有效應(yīng)力面積比R=0.8對(duì)應(yīng)的最短預(yù)壓時(shí)間tX2。

3.6 卸載時(shí)機(jī)確定方法

由于不同的超載預(yù)壓路段施工過程的差異性,在應(yīng)用上述方法計(jì)算其卸載時(shí)間點(diǎn)時(shí),應(yīng)根據(jù)鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基的沉降變形的類型具體進(jìn)行分析。

對(duì)于超載施加前有較長(zhǎng)的恒載期的路段,可直接采用式(10)、式(15)和式(16)得出由工后沉降和有效應(yīng)力面積比控制的容許卸載時(shí)間點(diǎn)tX1和tX2,選擇較大者作為最終卸載時(shí)間控制點(diǎn)tX,即

(17)

對(duì)于路基本體和超載連續(xù)填筑完成,沒有恒載期的路段,工后沉降控制條件式(10)不變,僅需在有效應(yīng)力面積比控制式(15)、式(16)中將s(t1)=0代入,得到

(18)

即按式(10)和式(18)分別容許卸載時(shí)間點(diǎn)tX1和tX2,選擇較大者作為最終卸載時(shí)間控制點(diǎn)tX。

對(duì)于超載預(yù)壓期間觀測(cè)沉降量較小,基底最終沉降量小于20 mm的路段,采用式(10)進(jìn)行控制,得到的超載預(yù)壓時(shí)間可能出現(xiàn)負(fù)值。因此,可以在分析工后沉降和容許卸載時(shí)間點(diǎn)時(shí),考慮在鋪軌完成后計(jì)算預(yù)估的工后沉降為“0”進(jìn)行控制,即工后沉降控制條件式(10)變?yōu)?/p>

(19)

有效應(yīng)力面積比控制條件tX2根據(jù)有無恒載期分別選擇(15)或式(18)予以確定,并與式(19)計(jì)算的tX1進(jìn)行比較,選擇較大者作為最終卸載時(shí)間點(diǎn)tX。

4 卸載時(shí)機(jī)確定方法的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方法的有效性,下面以武廣鐵路客運(yùn)專線典型的超載預(yù)壓路段進(jìn)行驗(yàn)證分析,分別選取不同沉降變形類型的典型斷面進(jìn)行分析。

路段1堆載前有較長(zhǎng)的恒載期,最終沉降量小于20 mm,代表斷面為DK1 671+440、DK1 671+518、DK1 672+850。

路段2堆載前沒有恒載期,沉降量較大,最終沉降量為20～60 mm,代表斷面為DK1 403+693、DK1 404+600、DK1 404+900。

首先采用超載預(yù)壓階段的觀測(cè)數(shù)據(jù),按上述方法計(jì)算卸載時(shí)間點(diǎn)及工后沉降量,然后采用卸載后的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

4.1 路段1卸載時(shí)機(jī)分析

路段1的3個(gè)超載預(yù)壓斷面均屬于武廣鐵路客運(yùn)專線土建三標(biāo)范圍,堆載地帶地形以丘坡和谷地相間為主,地形起伏較大,丘坡自然坡度一般為10°～25°,植被較發(fā)育；谷地地形狹長(zhǎng),地勢(shì)較低洼,多辟為水田,分布水塘及居民?；椎貙忧闆r基本類似：丘坡上、谷地上覆黏土/粉質(zhì)黏土,軟塑～硬塑,下伏全風(fēng)化花崗巖。基底采用CFG樁和沖擊壓實(shí)進(jìn)行地基處理,樁底持力層為全風(fēng)化花崗巖,預(yù)壓高度分別為2.5 m和3.0 m,設(shè)計(jì)預(yù)壓時(shí)間為6個(gè)月和7個(gè)月。

DK1 671+440、DK1 671+518斷面位于同一工點(diǎn),2008年1月6日填筑至基床級(jí)配碎石第一層,2008年2月25日開始堆載預(yù)壓。DK1 672+850斷面于2007年10月27日填筑至基床級(jí)配碎石第一層,2007年12月11日開始堆載預(yù)壓。

3個(gè)斷面沉降變形過程基本相同,以DK1 671+440斷面超載預(yù)壓階段的沉降曲線來說(圖3),路基填筑完成至堆載前存在一個(gè)恒載期,恒載期內(nèi)沉降變形逐步趨于穩(wěn)定。但堆載后沉降變形明顯增長(zhǎng),沉降速率增大,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為下凹曲線。

圖3 DK1 671+440超載預(yù)壓階段的沉降變形過程曲線

針對(duì)超載前有較長(zhǎng)恒載期,且總沉降量較小的情況,按式(15)和式(19)得出由工后沉降和有效應(yīng)力面積比控制的容許卸載時(shí)間點(diǎn)tx1及tx2。計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 武廣鐵路客運(yùn)專線DK1 671+426～DK1 672+850超載預(yù)壓路基段容許卸載時(shí)間點(diǎn)分析

從表1可以看出,DK1 671+440和DK1 671+518斷面的卸載時(shí)間分別為26 d和35 d,并按較大值予以控制。由于上述計(jì)算是按工后沉降為“0”的標(biāo)準(zhǔn)確定的,過于嚴(yán)格,實(shí)際超載預(yù)壓時(shí)間取30 d,即該工點(diǎn)于2008年3月25日卸載。DK672+850斷面的卸載時(shí)間為80 d,實(shí)際按3個(gè)月控制,即于2008年3月11日卸載。

圖4為DK1 671+440斷面卸載后沉降變形曲線,從圖中可以看出,卸載后沉降速率明顯減小,沉降變形很快趨于穩(wěn)定。表2列出了卸載后沉降變形觀測(cè)穩(wěn)定值,對(duì)比表1可以看到,卸載后沉降變形增量很小,僅0.1～0.3 mm,采用卸載后觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的工后沉降量要小于按超載階段觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的工后沉降量,都在1 mm以內(nèi),基本接近于零。這與卸載時(shí)機(jī)控制條件是吻合的,從而驗(yàn)證了上述卸載時(shí)機(jī)計(jì)算方法的有效性。

圖4 DK1 671+440超載預(yù)壓后卸載的沉降變形過程曲線

表2 武廣鐵路客運(yùn)專線DK1 671+426～DK1 672+850超載預(yù)壓路基段卸載時(shí)間驗(yàn)證分析

4.2 路段2卸載時(shí)機(jī)分析

武廣鐵路客運(yùn)專線新岳陽(yáng)站堆載預(yù)壓段填筑和堆載總高度在9～11 m,堆載預(yù)壓高度均為2.5 m,基底發(fā)生的總沉降量級(jí)在30～60 mm,填筑和堆載基本在一個(gè)工序完成。選取3個(gè)典型斷面進(jìn)行分析,并以相應(yīng)的控制條件式(10)和式(18)確定由工后沉降和有效應(yīng)力面積比控制的容許卸載時(shí)間點(diǎn)tA和tB,計(jì)算參數(shù)和結(jié)果匯總于表3。

表3 武廣鐵路客運(yùn)專線新岳陽(yáng)站超載預(yù)壓路基段容許卸載時(shí)間點(diǎn)分析

計(jì)算結(jié)果表明,以超載部分施加完成后的時(shí)間點(diǎn)為起點(diǎn),3個(gè)分析斷面同時(shí)滿足工后沉降≤15 mm和有效應(yīng)力面積比條件下的最小預(yù)壓時(shí)間為7個(gè)月、5個(gè)月和半個(gè)月。

可見,DK1 404+900監(jiān)測(cè)斷面可卸載時(shí)間點(diǎn)明顯早于其他兩個(gè)斷面。分析比較沉降變形的大小和其隨時(shí)間變化的關(guān)系可見,DK1 404+900的基底沉降發(fā)展較快,前期出現(xiàn)的沉降量約為DK1 403+693監(jiān)測(cè)斷面同一時(shí)間段的2倍,但后期趨于穩(wěn)定。相比之下,DK1 403+693監(jiān)測(cè)斷面其沉降前期發(fā)展相對(duì)較慢,所以需要更長(zhǎng)的穩(wěn)定期?？傮w而言,在該地基條件下,采用換填方案沉降相對(duì)較大,但發(fā)展較快,而CFG樁復(fù)合地基方案沉降總量相對(duì)較小,可能是樁-土系統(tǒng)的相互作用需要較長(zhǎng)的時(shí)間才趨于穩(wěn)定。所以,在這類地基條件下,CFG樁復(fù)合地基方案需要的穩(wěn)定期會(huì)長(zhǎng)一些。到2008年2月22日,監(jiān)測(cè)斷面DK1 404+900實(shí)際預(yù)壓時(shí)間為54 d,已符合卸載條件。但監(jiān)測(cè)斷面DK1 403+693和DK1 404+600的實(shí)際預(yù)壓時(shí)間為108 d和111 d,尚不符合卸載條件。

繼續(xù)預(yù)壓并達(dá)到上述計(jì)算的時(shí)間點(diǎn)后卸載,表4列出了卸載后沉降變形觀測(cè)穩(wěn)定值。對(duì)比表3可以看到,采用卸載后觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的工后沉降要小于按超載階段觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的工后沉降量,且小于工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)15 mm,這與卸載時(shí)機(jī)控制條件是吻合的,從而驗(yàn)證了上述卸載時(shí)機(jī)計(jì)算方法的有效性。

表4 武廣鐵路客運(yùn)專線新岳陽(yáng)站超載預(yù)壓路基段卸載時(shí)間驗(yàn)證分析

5 結(jié) 論

以我國(guó)在建的鐵路客運(yùn)專線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),總結(jié)分析了鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基沉降變形特征、規(guī)律和類型,在此基礎(chǔ)上,探討了常規(guī)超載路基卸載控制理論對(duì)于鐵路客運(yùn)專線的適用性。建議從實(shí)測(cè)曲線出發(fā)來分析卸載時(shí)機(jī),并采用有效應(yīng)力面積比等理論計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

基于對(duì)我國(guó)在建鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基沉降變形特征的認(rèn)識(shí),結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和控制標(biāo)準(zhǔn),推導(dǎo)并建立了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸擬合的卸載時(shí)機(jī)控制方程,以及基于有效應(yīng)力面積比法的卸載時(shí)機(jī)控制條件,并針對(duì)不同沉降變形類型,提出了相應(yīng)的卸載時(shí)間計(jì)算公式,為鐵路客運(yùn)專線路基超載預(yù)壓區(qū)段卸載時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算提供了具體的方法。

最后采用武廣鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析,分析結(jié)果表明,按計(jì)算卸載時(shí)間點(diǎn)卸載后,沉降變形趨勢(shì)與預(yù)測(cè)結(jié)果吻合,工后沉降嚴(yán)格滿足控制標(biāo)準(zhǔn),驗(yàn)證了所提出的卸載時(shí)機(jī)確定方法的有效性和可靠性,可進(jìn)一步檢驗(yàn)、完善后推廣應(yīng)用于其他鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基卸載時(shí)機(jī)的分析。

[1]龔曉南.地基處理手冊(cè)[M].第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000．

[2]潘秋元,朱向榮,謝康和.關(guān)于砂井地基超載預(yù)壓的若干問題[J].巖土工程學(xué)報(bào)力學(xué),1991,13(2):1-12.

[3]張光永,王靖濤,衛(wèi)軍等.超載預(yù)壓法的卸載控制理論研究[J].巖土力學(xué),2007,28(6):1250-1254.

[4]張光永,吳玉山,李彰明.超載預(yù)壓法閾值問題的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),1999,20(1)：79-83.

[5]鐘才根,張 序.高速公路軟基路堤沉降速率控制[J].蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào),2001,14(4):48-53．

[6]楊 濤,戴濟(jì)群,李國(guó)維.基于指數(shù)法的分級(jí)填筑路堤沉降預(yù)測(cè)方法研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(5):92-95.

[7]劉吉福,陳新華.應(yīng)用沉降速率法計(jì)算軟土路堤剩余沉降[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(2):233-235.

[8]陳道志,陳東升.軟土路基超載設(shè)計(jì)與卸荷時(shí)機(jī)的確定[J].中南公路工程,2004,29(1):66-69.

[9]王星運(yùn),陳善雄,余 飛,等.曲線擬合法對(duì)路基小變形情形適用性研究[J].巖土力學(xué),2009,30(9):2763-2769.

[10]鐵建設(shè)[2005]754號(hào),客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南[S].

[11]鐵建設(shè)[2006]158號(hào),客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南[S].