雷文，王其合，鄭曉慧

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

滬杭高鐵運(yùn)營期橋梁地基處理效果評價

雷文，王其合，鄭曉慧

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

滬杭高鐵跨越濱海平原、湖沼平原和杭嘉湖平原，各地貌單元內(nèi)均衡分布特大橋8座。為探討滬杭高鐵運(yùn)營以來上部結(jié)構(gòu)的沉降變化規(guī)律，評價各特大橋地基的處理效果，評判各地貌單元地基土的壓縮特性，按照現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求，建立了全線線下沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)。本文對各特大橋沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，滬杭高鐵運(yùn)營期間大部分橋梁沉降已趨于穩(wěn)定，且沉降量遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。

滬杭高鐵 地貌單元 地基 壓縮特性 處理效果 沉降規(guī)律

高速鐵路設(shè)計(jì)過程中，為了保證軌道面的技術(shù)指標(biāo)及使用要求。針對鐵路沿線不同地質(zhì)條件，分別采用多種地基處理方式。而不同地基處理方式對高鐵上部結(jié)構(gòu)的沉降控制效果尚沒有一個綜合性的比較。

柳墩利［1］基于非飽和土理論，研究了鄭西高鐵在濕陷性黃土區(qū)域的地基處理方式。張茵濤等［2］采用物理模型方法，研究了地裂縫不同活動量對橋墩樁端應(yīng)力、橋上軌道變形、穩(wěn)定性等的影響。楊嘯等［3］研究了紅黏土地基的沉降特性，通過對比分析得到較為實(shí)用的紅黏土地基沉降計(jì)算方法及其沉降修正系數(shù)。肖漢等［4］指出兩種樁基沉降計(jì)算方法并不適用于樁板結(jié)構(gòu)的沉降計(jì)算。陳麟［5］基于哈大客運(yùn)專線軟土分布較為廣泛的特點(diǎn)，討論了軟土流變、復(fù)合地基變形、荷載特性以及加固效果。徐林榮等［6］探討了復(fù)合樁基在路基荷載下的承載機(jī)制和變形特性。劉志明［7］指出客運(yùn)專線的沉降變形主要由地基沉降確定，建議采用室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)擬合結(jié)果進(jìn)行沉降計(jì)算。李詩明［8］通過對滬杭高速鐵路金山北站過渡段施工方法和測量數(shù)據(jù)的研究，指出過渡段地基處理方式。杜立群［9］指出高速鐵路復(fù)合地基的工后沉降主要由下臥層引起。張建文等［10］指出非飽和土地基的瞬時沉降主要取決于地基土的飽和度，最終沉降基本相同。金海元等［11］通過對京滬高鐵沉降變形觀測的分析，指出水泥砂漿樁可以在較短時間內(nèi)滿足工后沉降要求。

既有研究從特定土體力學(xué)特性入手，評價相應(yīng)土體的地基處理方式，很好地保證了工程質(zhì)量，卻無法從宏觀角度控制各種地基處理方式的經(jīng)濟(jì)性。

本文以滬杭高鐵為例，針對鐵路沿線典型地貌單元，分析評判各相應(yīng)地基處理方式的工作原理及作用效果，結(jié)合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范，提出針對不同地貌單元最經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方式，對設(shè)計(jì)人員進(jìn)行同類型高鐵線路的基礎(chǔ)形式選擇、基礎(chǔ)參數(shù)確定、地基處理方式提供參考。

1 沿線地質(zhì)概況

滬杭高鐵由上海虹橋站出發(fā)，經(jīng)松江南、金山北進(jìn)入浙江境內(nèi)，過嘉善南、嘉興南、桐鄉(xiāng)、海寧西等站，由余杭引入杭州東站。沿線主要經(jīng)過上海市與浙江省兩大區(qū)域。

1.1 上海段地質(zhì)情況

滬杭高鐵在上海區(qū)域內(nèi)依次經(jīng)過濱海平原、湖沼平原I2區(qū)、最后由湖沼平原I1區(qū)進(jìn)入浙江境內(nèi)。

濱海平原由長江挾帶入海的泥砂經(jīng)波、潮、徑流作用沉積而成，沉積物主要由粉砂、粉砂質(zhì)黏土組成。湖沼平原屬太湖碟形洼地的東延部分。沉積物主要由黃褐色、灰色、灰黑色粉砂質(zhì)黏土組成。表層沉積物中富含陸相介形蟲、有殼變形蟲、輪藻、淡水軟體動物和植物碎屑等，表層土體有機(jī)質(zhì)含量高，土質(zhì)疏松，承載能力較差。

1.2 浙江段地質(zhì)情況

滬杭高鐵浙江段主要位于杭嘉湖平原內(nèi)。

杭嘉湖平原是浙江最大的堆積平原，表層沉積物以細(xì)顆粒泥砂(細(xì)粉砂、黏土)為主，屬河流湖泊堆積物，其南緣屬潮灘相沉積物，土質(zhì)粗而疏松，水系變稀，地形相對較高。地面形成東南高西北低，以太湖為中心的淺碟形洼地。根據(jù)浙江省地質(zhì)環(huán)境公報(bào)，截至2012年，杭嘉湖平原地面累計(jì)沉降量＞50 mm的沉降面積約4 200 km2，2012年沉降呈減緩趨勢，局部區(qū)域出現(xiàn)地面回升，年沉降＞10 mm的面積約15 km2，比2011年減少88% 。

1.3 沿線地貌單元

滬杭高鐵沿線各特大橋所屬的地貌單元見表1。各橋均采用鉆孔灌注樁進(jìn)行地基處理。

表1 滬杭高鐵沿線各特大橋工程地質(zhì)概況

2 各特大橋沉降監(jiān)測

為評價滬杭高鐵運(yùn)營期橋梁地基的處理效果，于2011年4月—2011年7月完成了全線的線下沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)的建立，按照規(guī)范要求首期監(jiān)測網(wǎng)連續(xù)進(jìn)行2次觀測，并以平均值作為首期觀測值;測量系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)，國家點(diǎn)信息采用2001年國家測繪局復(fù)測成果。沉降監(jiān)測時間見表2。

表2 沉降監(jiān)測時間

8期監(jiān)測中，共完成6 891個監(jiān)測點(diǎn)位的測量工作，測量采用的精度等級、方法、路線全部一致。全線監(jiān)測成果按照橋梁劃分區(qū)段，共分為松江特大橋、洞涇港橋、橫潦徑特大橋、跨滬杭高速特大橋、步云特大橋、嘉桐特大橋、桐海特大橋、海杭特大橋8個橋段。

3 沉降結(jié)果與分析

3.1 各大橋沉降監(jiān)測結(jié)果分析

由于線路左、右側(cè)橋墩的監(jiān)測成果是分開處理的，為了綜合評判各地貌單元的沉降特性，下表中各項(xiàng)參數(shù)中沉降量、累積沉積量和沉積速率取左、右側(cè)橋墩相應(yīng)參數(shù)的最大值，平均沉降量和平均沉降速率取絕對值的最大值。

1)松江特大橋

表3 松江特大橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

由表3可以看出:第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為2.7 mm，累積沉降量最大值為6.4 mm，平均沉降量0.1 mm，沉降速率最大值為0.37 mm/月，平均沉降速率0.01 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。

2)洞涇港橋

表4 洞涇港橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

由表4可以看出，第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為1.4 mm，累積沉降量最大值為3.8 mm，平均沉降量0.1 mm，沉降速率最大值為0.16 mm/月，平均沉降速率0.01 mm/月。較第6期監(jiān)測點(diǎn)無明顯變化，橋墩沉降量、沉降速率已趨于穩(wěn)定，建議洞涇港橋線下按照原周期監(jiān)測即可。

3)橫潦徑特大橋

由表5可以看出，第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為1.3 mm，累積沉降量的最大值為6.1 mm，平均沉降量為0，沉降速率最大值為0.37 mm/月，平均沉降速率為0.01 mm/月。較第6期監(jiān)測點(diǎn)無明顯變化，橋墩沉降量、沉降速率已趨于穩(wěn)定，建議橫潦徑特大橋線下按照原周期監(jiān)測即可。對于累積沉降量超過5.0 mm的地段，在后續(xù)測量中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)關(guān)注。

4)跨滬杭高速特大橋

表5 橫潦徑特大橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

表6 跨滬杭高速特大橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

由表6可以看出，第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為1.3 mm，累積沉降量最大值為7.6 mm，平均沉降量－0.1 mm，沉降速率最大值為0.23 mm/月，平均沉降速率－0.01 mm/月。與第6期監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，沉降有收斂跡象，按照原周期監(jiān)測即可。

5)步云特大橋

表7 步云特大橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

由表7可以看出，第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為1.5 mm，累積沉降量最大值為5.8 mm，平均沉降量－0.2 mm，沉降速率最大值為0.15 mm/月，平均沉降速率－0.02 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。對于累積沉降量超過5.0 mm的地段，在后續(xù)測量中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)關(guān)注。

6)嘉桐特大橋

由表8可以看出，第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為1.6 mm，累積沉降量的最大值為7.7 mm，平均沉降量為0，沉降速率最大值為0.21 mm/月，平均沉降速率為0，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。對于累積沉降量超過5.0 mm的地段，在后續(xù)測量中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)關(guān)注。

7)桐海特大橋

表8 嘉桐特大橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

表9 桐海特大橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

由表9可以看出，第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為2.8 mm，累積沉降量最大值為6.4 mm，平均沉降量0.2 mm，沉降速率最大值為0.29 mm/月，平均沉降速率0.02 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。

8)海杭特大橋

表10 海杭特大橋監(jiān)測點(diǎn)第7期沉降情況

由表10可以看出，第7期監(jiān)測點(diǎn)沉降量最大值為1.5 mm，累積沉降量最大值為1.5 mm，平均沉降量－0.2 mm，沉降速率最大值為0.20 mm/月，平均沉降速率－0.02 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。建議暫不調(diào)整觀測頻次，正常監(jiān)測即可，如遇環(huán)境條件發(fā)生變化或數(shù)據(jù)異常時增加觀測頻次。

3.2 監(jiān)測成果對比分析

1)各特大橋平均沉降速率對比

由圖1可以看出:

圖1 各特大橋平均沉降速率對比曲線

①沉降監(jiān)測初期，由于地基土孔隙比較大，孔隙水連通性較好，因此各特大橋的主固結(jié)沉降均在此階段完成，隨著時間的增加，平均沉降速率也達(dá)到最大值，之后隨著時間的增長，沉降速率越來越小直至達(dá)到最低值，此階段地基土主要發(fā)生彈性變形。隨著地基土變形量的繼續(xù)增加，達(dá)到了抗壓屈服強(qiáng)度，土體進(jìn)入塑性變形階段，由于土體所受應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致沉降速率有輕微的增長，隨即短期內(nèi)繼續(xù)降低，直至沉降穩(wěn)定。

②濱海平原松江特大橋，湖沼平原區(qū)I2區(qū)、I1區(qū)的洞涇港橋、橫潦徑特大橋、跨滬杭高速特大橋以及杭嘉湖平原的步云特大橋，均是在第5期即監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)建立后16個月時平均沉降速率有所回升，20個月時開始下降。杭嘉湖平原的嘉桐特大橋，亦是在第5期開始回升、在第6期達(dá)到最大值后開始下降。杭嘉湖平原的桐海特大橋、海杭特大橋則是在第6期開始回升，第7期亦有增大趨勢?？梢源俗鳛檠鼐€沉降分區(qū)的初步劃分依據(jù)。

③濱海平原松江特大橋、湖沼平原I2區(qū)、I1區(qū)的洞涇港橋和橫潦徑特大橋沉降速率曲線的變化趨勢相近，在沉降監(jiān)測網(wǎng)建立后2個月左右，沉降速率均達(dá)到最大值，分別為0.006，0.003和0.005 mm/d。湖沼平原I1區(qū)的跨滬杭高速特大橋和杭嘉湖平原的步云特大橋，是在7個月左右達(dá)到平均沉降速率的最大值，分別為0.008，0.002 mm/d。杭嘉湖平原的嘉桐特大橋、海杭特大橋，同樣在7個月左右達(dá)到平均沉降速率的最大值，分別為0.006 mm/d和0.003 mm/d。同一地貌單元內(nèi)的桐海特大橋，在10個月左右達(dá)到平均沉降速率的最大值0.004 mm/d。

2)全線平均沉降速率變化

滬杭高鐵沿線不同地貌單元沉積土層多為黏性土、粉土和砂類土，雖然土層沉積類型及沉積順序有差異，但各特大橋均采用鉆孔灌注樁進(jìn)行地基處理，選用承載力較好的砂類土作為樁基持力層。由于地基處理方式相同，不同地貌單元內(nèi)各特大橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力原理在差異中存在共性。故各特大橋平均沉降速率的平均值變化曲線，對于宏觀評價鉆孔灌注樁地基處理效果十分必要。

圖2為各觀測時期內(nèi)，沿線各特大橋平均沉降速率的平均值，通過Matlab數(shù)據(jù)處理軟件擬合，得出擬合曲線，各地貌單元內(nèi)地基土的沉降變化數(shù)據(jù)符合指數(shù)函數(shù)組合多項(xiàng)式分布。

圖2 全線各特大橋平均沉降速率的平均值變化曲線

假設(shè)以基準(zhǔn)網(wǎng)建立之日為時間原點(diǎn)，后期監(jiān)測月數(shù)為x，相應(yīng)監(jiān)測期各特大橋平均沉降速率的平均值為y，則x，y相互關(guān)系為

對式(1)求極限得

可見，隨著x的增加，y呈收斂狀態(tài)。由圖2可得，隨著時間的增長，在基準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)建立起5個月后，沿線橋梁沉降速率最大，10個月后逐漸降低，15個月后，沉降速率趨于0。由公式(2)可得，隨著時間的增加，沿線橋梁沉降量最終將達(dá)到穩(wěn)定。

3)各特大橋最大累積沉降量對比

通過對各特大橋平均沉降速率及平均沉降速率平均值的分析，了解了橋梁地基土的宏觀沉降變化趨勢。為了統(tǒng)籌分析各地貌單元內(nèi)不同橋梁的沉降特性，繪制了各特大橋最大累積沉降量對比圖(圖3)。

圖3 各特大橋最大累積沉降量對比

由圖3可以看出:湖沼平原I2區(qū)的洞涇港橋初期沉降完成最快，至第7期(觀測29個月后)最大累積沉降量最小，為3.8 mm?？梢姾悠皆璉2區(qū)的洞涇港橋的地基處理效果最佳。嘉桐特大橋和跨滬杭高速鐵路特大橋的最大累積沉降量相當(dāng)，分別為7.7 mm 和7.6 mm。結(jié)合圖1可得，雖然二者最大累積沉降量數(shù)值相當(dāng)，但與嘉桐特大橋相比，跨滬杭高速特大橋的最大平均沉降速率呈現(xiàn)前期略高、后期略低的分布規(guī)律，二者最終于29個月后趨于相等。可見湖沼平原I1區(qū)與杭嘉湖平原的土體力學(xué)特性相似，土體孔隙比和含水率等級相當(dāng)。然二地區(qū)土體固結(jié)系數(shù)差異較大，湖沼平原I1區(qū)土體排水條件較好，沉降速率較快，所以在觀測前期同一時刻的固結(jié)度大于杭嘉湖平原區(qū)土體，即前者的固結(jié)系數(shù)較大，后者的固結(jié)系數(shù)較小。

步云特大橋、嘉桐特大橋、桐海特大橋和海杭特大橋均位于杭嘉湖平原區(qū)。因土體沉降量由土體壓縮性、孔隙比、含水率等指標(biāo)確定。故由圖3可得:步云特大橋、桐海特大橋、海杭特大橋所在區(qū)域地基土固結(jié)系數(shù)相當(dāng)，均小于嘉桐特大橋，且觀測期最大累積沉降量亦小于嘉桐特大橋，可見嘉桐特大橋區(qū)域地基土的壓縮性較強(qiáng)，孔隙比較大、含水率較高。

濱海平原的松江特大橋，最大累積沉降量大于湖沼平原I2區(qū)的洞涇港橋，小于湖沼平原I1區(qū)的跨滬杭高速特大橋，可見濱海平原的地基土壓縮特性優(yōu)于湖沼平原I1區(qū)，劣于湖沼平原I2區(qū)。而由于橫潦徑特大橋同時位于湖沼平原I1區(qū)、湖沼平原I2區(qū)兩地貌單元內(nèi)，因此其地基土壓縮特性位于洞涇港橋和跨滬杭高速特大橋之間。從圖3可以看出，松江特大橋與橫潦徑特大橋的地基土壓縮特性相當(dāng)，然由于前者的平均沉降速率較大，故濱海平原區(qū)的地基土固結(jié)系數(shù)大于湖沼平原I1區(qū)和I2區(qū)。

4 結(jié)語

1)湖沼平原I2區(qū)的洞涇港橋地基土壓縮特性最好。其次為杭嘉湖平原的步云特大橋、桐海特大橋和海杭特大橋地基土。杭嘉湖平原的嘉桐特大橋地基土壓縮特性劣于湖沼平原I1區(qū)的跨滬杭高速鐵路特大橋地基土。濱海平原地基土的沉降特性優(yōu)于湖沼平原I1區(qū)，劣于湖沼平原I2區(qū)地基土。

2)滬杭高鐵各特大橋地基處理效果良好，地基土沉降趨于穩(wěn)定，最大累積沉降量均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3)文中所用沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)僅限于建立沉降監(jiān)測網(wǎng)3年以內(nèi)，隨著監(jiān)測周期的增加，需對各變化曲線的收斂特性做進(jìn)一步研究。

4)杭嘉湖平原內(nèi)存在三個沉降分區(qū)，各分區(qū)內(nèi)分別有步云特大橋、嘉桐特大橋和桐海特大橋，需做進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任審編 葛全紅)

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《鐵道建筑》編輯部

TU472

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.19

1003－1995(2015)10－0090－05

2015－01－21;

2015－08－28

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目(集14－20)

雷文(1988—)，男，助理工程師，碩士。