蔣興錕

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

目前,控制鐵路工后沉降的方法及理論繁多,發(fā)展速度極快,近年來(lái)又發(fā)展出了布袋樁、長(zhǎng)板短樁等新型軟基處理方法[1-3],但基于這些理論的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)較少,研究?jī)?nèi)容較為單一,無(wú)法保證具體工程的適用性及經(jīng)濟(jì)性,對(duì)工程實(shí)踐缺乏指導(dǎo)意義。

基于對(duì)某高速鐵路軟土路基處理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,對(duì)水泥攪拌樁加固法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓、超載預(yù)壓加固法及砂樁等載預(yù)壓加固法這三種我國(guó)常見的軟基加固方法中地基沉降量及孔隙水壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。在此監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上對(duì)工后沉降進(jìn)行了估算,綜合比較了這三種處理方法的適用性。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)工點(diǎn)地處江蘇省昆山市,屬太湖湖積平原,地形平坦,有人工魚塘分布,地面高程2.5 m左右。試驗(yàn)工點(diǎn)范圍為0+000～0+850,線路長(zhǎng)度850 m,其中：0+000～+038.40、0+833.95～+850為橋梁樁基試驗(yàn)段,0+038.40～+833.95為路基試驗(yàn)段。試驗(yàn)段線路為雙線,路基面寬13.8 m,考慮路堤本體沉降及軟土地基工后沉降,每側(cè)加寬0.2 m,線間距5.0 m。路堤填土高4.35～5.95 m,路堤邊坡坡率為1∶1.5,邊坡坡面采用土工網(wǎng)墊固土后噴播植草防護(hù)。在路堤填筑過(guò)程中,在邊坡2.5 m寬度范圍內(nèi)每隔0.3 m鋪一層土工格柵。試驗(yàn)于當(dāng)年5月開始,進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)試,收集并積累了大量詳實(shí)的測(cè)試資料及可靠數(shù)據(jù)。

1.1 工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)段地基屬第四系全新統(tǒng)沖湖積層,表層為黏土,灰黃色,軟—硬塑,層厚0.76～3.60 m；其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,深灰色,流塑,含少量腐植質(zhì),局部夾有薄層粉砂,具高壓縮性、低強(qiáng)度、高觸變性的特點(diǎn),厚3.2～16.5 m；下臥層為黏土、粉土及粉質(zhì)黏土,軟—硬塑。各地層巖性自上而下分別為：①黏土,灰黃色,軟—硬塑,含有植物根系,厚0.76～3.60 m,屬中等壓縮性土。②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,深灰色,流塑,含少量腐植質(zhì),局部夾有薄層粉砂,具高壓縮性、低強(qiáng)度的特點(diǎn),且大多數(shù)靈敏度超過(guò)16,具高觸變性,厚3.2～16.5 m。③黏土、粉質(zhì)黏土、粉土,局部夾薄層粉砂,呈交錯(cuò)斷續(xù)沉積,層理清晰,厚4.1～9.8 m。④粉砂上部夾有薄層黏土,可分為上下兩層：上層為褐黃色,中密,飽和,厚0～6.7 m,不均勻夾有薄層黏土,分布于0+035～0+535,其N63.5=5～45擊；下層為褐黃色,深灰色,中密—密實(shí),飽和,厚大于10 m,工點(diǎn)范圍廣泛分布,其N63.5=19～48擊。

1.2 試驗(yàn)斷面土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及處理

試驗(yàn)斷面土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。從表1可得出,試驗(yàn)段地層的含水率及孔隙比較高,特別是第2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(本試驗(yàn)段的控制地層)，其平均值分別達(dá)到了44.4％和1.23,靈敏度較高,屬典型軟土。試驗(yàn)段土層的固結(jié)系數(shù)在10-4～10-3量級(jí)左右。各試驗(yàn)斷面的處理方式如表2所示。

表1 試驗(yàn)斷面土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 各斷面軟土地基加固設(shè)計(jì)措施

2 孔壓監(jiān)測(cè)與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 水泥攪拌樁處理軟基的孔壓監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

(1)水泥攪拌樁孔壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

水泥攪拌樁超孔隙水壓力與荷載隨時(shí)間的關(guān)系變化曲線如圖1所示，隨路堤填高的增加而增加,停止填筑后,復(fù)合地基和下臥層超孔隙水壓力逐漸消散減小。一般而言,在路基填筑過(guò)程中,地基淺層的孔隙水壓力增大較多,深層的孔隙水壓力增大較小[4]。

圖1 水泥攪拌樁地基孔隙水壓力隨荷載變化情況

對(duì)于水泥攪拌樁地基來(lái)說(shuō),加固層變形小且完成快,因此下臥層變形的大小和固結(jié)歷程更為重要。本工點(diǎn)樁體穿透了軟弱土層,下臥土層為硬塑黏土和粉砂,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),工點(diǎn)下臥層固結(jié)速率也很快。綜合起來(lái),本工點(diǎn)攪拌樁復(fù)合地基固結(jié)可不考慮土體固結(jié)作用[5]。

(2)水泥攪拌樁沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

攪拌樁地基分層沉降儀所測(cè)試的地基沉降，隨填土荷載、時(shí)間的關(guān)系曲線見圖2。從圖2中可知,地基沉降隨填土荷載的施加和穩(wěn)定而呈現(xiàn)出有規(guī)律的增加和穩(wěn)定的過(guò)程。

圖2 水泥攪拌樁地基深層沉降荷載時(shí)間變化曲線

圖3 水泥攪拌樁地基沉降荷載時(shí)間變化曲線(沉降板)

由圖2和圖3可知,攪拌樁地基沉降隨填土荷載的施加和穩(wěn)定而呈現(xiàn)出有規(guī)律的增加和穩(wěn)定過(guò)程。攪拌樁樁頂中心、樁間中心、樁間土形心沉降規(guī)律及沉降數(shù)值沒有明顯差異,這與本試驗(yàn)段設(shè)置了50 cm厚加筋碎石墊層有關(guān)。

線路中心處沉降量最大,左右兩側(cè)沉降沿橫斷面方向表現(xiàn)出不對(duì)稱性,左側(cè)沉降小于右側(cè)沉降,這與施工便道位于線路左側(cè)有關(guān)。攪拌樁地基最大沉降速率為5.8～7 mm/d。

分層沉降數(shù)據(jù)匯總見表3。從表3可知,水泥攪拌樁加固區(qū)的沉降總量為96.01 mm,占總沉降的72.3％,而下臥層的沉降量為36.76 mm,占總沉降的27.70％,可見下臥層沉降所占比例是較高的,大多在20％以上。

表層土層①的沉降量為總沉降量的20.2％,說(shuō)明水泥攪拌樁復(fù)合地基淺層所受附加應(yīng)力最大,所產(chǎn)生沉降不容忽視。

表3 水泥攪拌樁處理斷面實(shí)測(cè)分層沉降數(shù)據(jù)

2.2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固法處理軟基的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

(1)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓孔壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基孔隙水壓力-荷載-時(shí)間曲線見圖4?？紫端畨毫﹄S膜下真空度的變化十分明顯。抽真空初期,孔壓下降非?？?抽至真空僅5 d,該斷面16 m深度內(nèi)孔壓下降17.5～39.5 kPa,之后孔壓下降速率減小。在膜下真空度下降期間,孔壓均有不同程度的上升。當(dāng)膜下真空度重新達(dá)到80 kPa后,孔壓又下降。至正式填筑前,該斷面16 m深度內(nèi),孔壓已下降35.2～78.2 kPa。正式填筑后,各測(cè)點(diǎn)孔壓又上升,該斷面分別最大上升48 kPa,出現(xiàn)在4～8 m深度的軟土層中。荷載穩(wěn)定后,孔隙水壓力消散明顯。

圖4 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基孔隙水壓力-荷載-時(shí)間曲線

(2)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在0+276.51～0+515段采用塑料排水板真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固處理,加固深度14.5～18.5 m,排水板間距1.2 m，梅花形布置。塑料排水板頂面鋪0.8 m厚的砂墊層，內(nèi)鋪設(shè)一層土工格柵,要求膜下真空壓力不小于80 kPa。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基分層沉降-荷載-時(shí)間的變化曲線見圖5。

圖5 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基分層沉降-荷載-時(shí)間曲線

該斷面沉降變化可分兩個(gè)階段進(jìn)行分析：

①在開始抽真空到開始正式路堤填筑期間,屬于真空預(yù)壓階段，此階段地基沉降與膜下真空度相對(duì)應(yīng)。開始抽真空后，在8 h內(nèi)膜下真空度就達(dá)到了設(shè)計(jì)80 kPa的要求。最初5天,沉降速率很快,可達(dá)4～6 cm/d，隨后沉降速率逐漸變小。當(dāng)膜下真空度下降期間,沉降速率明顯變小。膜下真空度重新達(dá)到80 kPa后,沉降速率又變大。至正式開始路堤填筑前,即真空預(yù)壓時(shí)間約兩個(gè)月后,該斷面沉降速率已分別減小到3～5 mm/d，說(shuō)明真空預(yù)壓階段的土體主固結(jié)沉降變化速率也是一個(gè)漸變收斂過(guò)程,與堆載預(yù)壓規(guī)律基本一致。該斷面正式填筑時(shí)總沉降分別達(dá)到85.0 cm(包括路基底部砂墊層及塑料排水板施工引起的少量沉降,約6～8 cm)。

②真空-堆載聯(lián)合階段,正式開始填筑后,沉降速率又變大,其大小與填土速率密切相關(guān)。如第一年8月1日～8月6日填土速率較快時(shí),其沉降速率大于1.0 cm/d,至當(dāng)年11月底該斷面沉降量分別已達(dá)到185.4 cm；真空卸載后階段(第一年10月31日以后),發(fā)生回彈,其值為1 cm。隨著基床表層級(jí)配碎石的填筑,又發(fā)生沉降,但沉降速率明顯變小,該斷面半個(gè)月沉降量?jī)H3～6 mm。

地基面下各深度的沉降量與軟土地基類型、軟土層厚度的關(guān)系十分密切。由于設(shè)計(jì)塑料排水板的深度已達(dá)至軟土層底部,主要的沉降量都發(fā)生在加固區(qū),加固區(qū)下的沉降量所占總沉降量的比例較少?，F(xiàn)將至第一年11月17日測(cè)得的各部分沉降匯總于表4。

表4 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法實(shí)測(cè)加固區(qū)與下臥層各部分沉降

從加固區(qū)和下臥層的沉降量可知,由于軟土層采用塑料排水板加固,下臥層沉降量較小,為11.3 cm,僅占總沉降的6.1％,這對(duì)于工后沉降的控制非常有利。

2.3 砂樁等載預(yù)壓加固法處理軟基的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

(1)砂樁等載預(yù)壓孔壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

砂樁地基孔隙水壓力-荷載-時(shí)間曲線見圖6。

圖6 砂樁等載預(yù)壓地基孔壓-荷載-時(shí)間曲線

整條孔壓曲線大致可分為三部分：

①加載初期,孔壓在加載期的上升及間歇期的下降均不明顯，說(shuō)明荷載較小時(shí)對(duì)孔壓的影響亦不大。

②加載中期,超孔壓在加載期的上升及間歇期的下降較明顯,說(shuō)明荷載增大后對(duì)孔壓的影響加大。

③加載后期,與加載次數(shù)對(duì)應(yīng),臺(tái)階多而密,但上升值與加載中期相比要小,原因可能是隨著路堤高度的增加,新增荷載傳遞至地基土中的附加應(yīng)力有所降低。

從砂樁地基的孔壓消散速率Vk與加載速率Vp關(guān)系來(lái)分析,隨著地基土體的固結(jié),比值Vk/Vp隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低,說(shuō)明在單位時(shí)間單位荷載作用下,孔壓消散量逐漸減小,此亦說(shuō)明固結(jié)排水作用不斷減弱。

(2)砂樁等載預(yù)壓沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析[6]

0+735斷面采用砂樁等載預(yù)壓加固法處理,砂樁用料為中粗砂,采用振動(dòng)式(振動(dòng)重復(fù)拔管)和沖擊式(雙管沖擊)兩種砂樁施工方法。砂樁頂鋪0.6 m厚砂墊層,內(nèi)鋪設(shè)一層土工格柵。預(yù)壓土柱高1.0 m,預(yù)壓放置時(shí)間不少于3個(gè)月。

砂樁等載預(yù)壓處理斷面分層沉降儀測(cè)試數(shù)據(jù)的地基土沉降-荷載-時(shí)間的關(guān)系曲線見圖7。

圖7 砂樁等載預(yù)壓地基分層沉降荷載-時(shí)間-沉降曲線

隨著荷載時(shí)間的增加,沉降也逐漸增加。沉降板及剖面沉降測(cè)出的沉降隨荷載和時(shí)間變化規(guī)律與分層沉降規(guī)律相同。砂樁地基的沉降速率在加載期間增大,而間歇期時(shí),沉降速率又減小,沉降速率曲線呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀。

分析表明,沉降增長(zhǎng)速率Vs隨平均加載速率Vp的增加而增加,但Vs/Vp的值則逐漸減小,說(shuō)明在單位時(shí)間單位荷載作用下,砂樁地基的沉降量逐漸減少,即固結(jié)排水作用不斷減弱。

從不同深度磁環(huán)的沉降曲線可以看出，沉降是由地表向下發(fā)展并主要發(fā)生在軟土層。表5是兩斷面分層沉降測(cè)試數(shù)據(jù)的匯總資料。從中可知,其中0+735斷面①、②地層的總分層沉降達(dá)233 mm,占總沉降的84.21％,而①、②地層總厚僅為6.75 m；而下臥層的沉降量?jī)H為22.7 mm,占總沉降的8.2％。

表5 砂樁等載預(yù)壓處理軟基實(shí)測(cè)分層沉降測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

3 三種軟基處理方法工后沉降估算和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3.1 三種加固方法下地基工后沉降估算對(duì)比[7-9]

根據(jù)加固方法的不同,采用不同方法對(duì)工后沉降進(jìn)行了計(jì)算：對(duì)于水泥攪拌樁地基，根據(jù)以往的過(guò)程經(jīng)驗(yàn),采用復(fù)合模量法進(jìn)行沉降計(jì)算；對(duì)于真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基、砂樁地基，采用Es及e-lgp等方法進(jìn)行沉降計(jì)算。

(1)水泥攪拌樁地基

參考秦沈客運(yùn)專線的經(jīng)驗(yàn),研究中以雙曲線法基本原理為基礎(chǔ),采用復(fù)合雙曲線法進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)。經(jīng)過(guò)沉降預(yù)測(cè)及與實(shí)測(cè)值的比較,采用復(fù)合雙曲線法進(jìn)行施工期間的沉降預(yù)測(cè)是可行的。經(jīng)計(jì)算,考慮雙線單荷列車荷載,攪拌樁復(fù)合地基的沉降約為2 cm,加上未考慮列車荷載的工后沉降,攪拌樁地基的工后沉降可滿足工后沉降小于5 cm的要求。

(2)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基

工后沉降由兩部分組成,即未完成的主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。由于下臥層透水性較差的粉質(zhì)黏土層厚度僅1.3～3.5 m,也很快完成了主固結(jié)沉降。至次年6月30日,兩斷面固結(jié)度已達(dá)100％,因此工后沉降僅為次固結(jié)沉降,為8.6 cm。

(3)砂樁等載預(yù)壓地基

總固結(jié)沉降等于砂樁加固區(qū)及加固區(qū)以下固結(jié)沉降量之和,由于砂樁地基軟土較淺,軟土厚度僅4 m左右,初步估計(jì)工后沉降的平均值為5.09～9.18 cm之間,可以滿足工后沉降小于10 cm的要求。

3.2 三種軟基加固方法下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

不同地基處理方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表6。

就技術(shù)而言,各種施工工藝均可以滿足工程的要求。軟土地基經(jīng)水泥攪拌樁處理后,填筑速率不受穩(wěn)定性控制,可以加快填筑速率，縮短工期,減少工后沉降明顯；采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土地基,路堤填筑不受穩(wěn)定性控制,工后沉降得到減少,但要注意其對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物的影響；采用砂樁等載預(yù)壓處理軟土地基,路堤穩(wěn)定性基本不受控制,工期較長(zhǎng),工后沉降相對(duì)較大,但價(jià)格相對(duì)低廉,地基具有排水固結(jié)和復(fù)合地基雙重作用。

表6 三種軟基加固方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4 結(jié)論

(1)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法和砂樁等載預(yù)壓法處理的地基下臥層沉降占總沉降的比例小于10％,對(duì)工后沉降較有利。

(2)攪拌樁地基工后沉降較小,可以滿足工后沉降5 cm的要求,砂樁等載預(yù)壓地基、真空預(yù)壓聯(lián)合堆載地基可以滿足工后沉降10 cm的要求。

(3)就經(jīng)濟(jì)性而言,砂樁等載預(yù)壓的單價(jià)最小,攪拌樁處理地基的單價(jià)最大,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理地基單價(jià)居中,但砂樁等載預(yù)壓處理的工期長(zhǎng),工期不易受控制。

(4)綜合各種指標(biāo),相對(duì)而言,水泥攪拌樁、真空預(yù)壓聯(lián)合堆載處理鐵路軟土路基的優(yōu)勢(shì)較明顯,建議高速鐵路地基處理中優(yōu)先考慮。

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