劉志明

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

鐵路作為國民經(jīng)濟的大動脈，具有運力大、運費低的特點，在經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮了重大作用。而我國鐵路的密度明顯偏低，人均排名居于100位之后。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，目前交通運輸運力異常緊張，已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。鐵路客運快速與貨運重載難以兼顧，已無法滿足國內(nèi)客貨運輸需求，并嚴重影響旅客運輸質(zhì)量的提高。2004年，經(jīng)國務(wù)院審議通過了國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》。該規(guī)劃提出，鐵路運輸實施客貨分線，專門建設(shè)以“四縱”、“四橫”為主干的客運專線鐵路網(wǎng)。

客運專線對路基的穩(wěn)固性和軌道的狀態(tài)有相當高的要求，需要高度平順和穩(wěn)定的軌下基礎(chǔ)，控制變形是客運專線路基設(shè)計的關(guān)鍵[1]。在保證路基本體施工可靠性的前提下，客運專線的沉降變形主要由地基沉降確定[2]。

1 模量參數(shù)

關(guān)于地基沉降的計算方法有很多種[3]，但根據(jù)其應(yīng)用原理，相關(guān)理論計算方法主要區(qū)別在于計算土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系不同，即壓縮性指標不同，壓縮性指標主要指土體模量。

現(xiàn)場具體實際情況及大量實際試驗研究表明，在不同的壓力下，同一土體具有不同的壓縮模量 Es值[4]。在客運專線沉降計算中采用的壓縮模量應(yīng)考慮與地基的應(yīng)力范圍相匹配，針對不同的地基應(yīng)力范圍選取不同壓力范圍的壓縮模量值，根據(jù)應(yīng)力水平考慮地基壓縮模量，以期符合路堤填筑的實際情況。

土體模量參數(shù)主要通過現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)試驗兩方面完成。從實際情況來講，兩者各有優(yōu)劣?，F(xiàn)場原位試驗可以減少或避免由于取樣而帶來的擾動，更好地模擬現(xiàn)場情況，減少人為不必要影響，但也存在相關(guān)機理理論研究、現(xiàn)場試驗控制及相關(guān)試驗投入較大等不足。室內(nèi)試驗則通過室內(nèi)試驗設(shè)備對現(xiàn)場所取土樣進行試驗研究，該方法具有較好的理論支撐，相對操作過程易于控制，室內(nèi)試驗可重復進行，利于研究開展，但存在土樣擾動、試驗結(jié)果或多或少與現(xiàn)場脫離等方面問題。結(jié)合上述兩種方法所存在的優(yōu)缺點，選定膠濟客運專線青州取直段特征斷面分別進行簡單易行的室內(nèi)固結(jié)試驗和靜力觸探試驗，采用對比研究的方法，以得出合理可行的計算模量。

2 室內(nèi)固結(jié)試驗

本次試驗過程中，從取樣土體中選擇31組土樣進行固結(jié)試驗，分別進行13組粉土、8組粉質(zhì)黏土、10組黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土，以確定測段內(nèi)主要構(gòu)造土體的壓縮性指標。

試驗 過 程 中，分 別 在25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa荷載作用下，按規(guī)定時間順序測記試樣的高度變化。規(guī)定標準加荷時間為24 h一級，施加每級壓力后，每小時變形達0.01 mm時，測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標準，見表1。將整理的結(jié)果繪制出時間—應(yīng)變曲線，見圖1。

表1 土樣壓縮模量標準值Es MPa

圖1 時間—應(yīng)變曲線

通過整理固結(jié)試驗結(jié)果，可得出土體模量(應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系)、土體固結(jié)系數(shù)(應(yīng)力—時間關(guān)系)，將該結(jié)論應(yīng)用于沉降計算過程中，計算結(jié)果直接有效。

通過整理，分別確定相應(yīng)荷載作用下的壓縮模量，同時對比整理相關(guān)土體數(shù)據(jù)結(jié)論[5-6]，得出各土樣相應(yīng)應(yīng)力作用下的弦線模量及土體重度。整理試驗結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 粉土固結(jié)試驗壓縮模量標準值

參照上述試驗結(jié)果，得出土體相關(guān)壓縮模量標準值，以備后期沉降計算分析。同時采用雙曲線對壓縮模量曲線進行擬合，結(jié)果見表2。相關(guān)擬合曲線具有相當高的相關(guān)性，從而得出土體壓力P與壓縮模量Es呈現(xiàn)雙曲線線形關(guān)系，雙曲線公式為

式中，t1、t2為擬合系數(shù)。

圖3 粉質(zhì)黏土壓縮模量標準值

圖4 黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土壓縮模量標準值

表2 雙曲線擬合壓縮模量結(jié)果

3 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗首先要進行土層分層[7]。在本次處理過程中，為便利統(tǒng)計，將軟土與松軟土統(tǒng)一進行。對于測段內(nèi)所存在的粉質(zhì)黏土和黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土，暫無法分離，此處試驗結(jié)果中，統(tǒng)一歸類為粉質(zhì)黏土;其它土質(zhì)分類正常進行。相關(guān)土層壓縮模量從《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》規(guī)范查表得到。整理結(jié)果見表3。

通過表3可以看出，除粉質(zhì)黏土外，相關(guān)土層差異性不大，后期進行對比分析。

4 對比分析

通過對比分析，整理相關(guān)試驗結(jié)果，最終得出土體模量標準值，以便計算分析。整理現(xiàn)場靜力觸探結(jié)果，與室內(nèi)固結(jié)試驗Es100-200結(jié)果進行對比分析，具體情況見表4。

表4 地基加固處理前土體試驗模量結(jié)果

同時以具體斷面為例對土體壓縮模量進行對比分析，見表5。

通過對比室內(nèi)固結(jié)試驗結(jié)果與靜力觸探結(jié)果，計算相關(guān)變量標準差，發(fā)現(xiàn)除特殊區(qū)段由于土層判定存在差異性導致模量存在較大偏差外，兩者結(jié)果相應(yīng)較為相近，計算沉降量結(jié)果顯示同樣接近。

5 結(jié)論

1)室內(nèi)固結(jié)試驗土體壓力與壓縮模量結(jié)果呈現(xiàn)雙曲線線形變化關(guān)系。

2)室內(nèi)固結(jié)試驗與靜力觸探試驗結(jié)果較為接近，而由于靜力觸探試驗土層分層是由試驗參數(shù)確定的，因而存在一定偏差。

表5 DK219+100斷面壓縮模量、沉降值對比

3)針對常規(guī)計算采取室內(nèi)試驗確定地基土體模量指標過程中，統(tǒng)一選定100～200 kPa應(yīng)力間變形得出壓縮模量，通過擬合處理，最終結(jié)合地基土實際情況，以確定壓縮模量進行地基驗算，符合地基土體模量參數(shù)隨土體內(nèi)部應(yīng)力—應(yīng)變變化的實際特征情況。

[1]屈曉輝.客運專線鐵路路基設(shè)計技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2008.

[2]尤昌龍.客運專線路基沉降問題探討[J].鐵道標準設(shè)計，2006(7):8-10.

[3]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社，1996.

[4]范夢華.對土壓縮模量定義及相關(guān)問題的探討[J].路基工程，2006(6):62-54.

[5]馬履霞.土壓縮模量變化規(guī)律的探討[J].勘察科學技術(shù)，2006(3):42-60.

[6]方燾，刁心宏.填方路堤沉降計算方法探討[J].鐵道建筑，2009(6):77-79.

[7]LUNNET，ROBERTSONPK，POWELLJJM.Cone penetration Testing in Geotechnical Practice[M].Chapman ＆Hall，1997.