李波（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251）

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華北地區(qū)高速鐵路松軟土地基變形特性

李波
（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251）

摘要華北地區(qū)是我國(guó)松軟土分布的主要地區(qū)之一，松軟土地基條件下路基工后沉降控制是高速鐵路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本文依據(jù)工程地質(zhì)條件將華北地區(qū)松軟土劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)分區(qū)，依據(jù)已建和在建鐵路工程地質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)松軟土的物理、力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)松軟土地基變形特性加以研究。結(jié)果表明:Ⅱ區(qū)的工后沉降及總沉降均最小，其次是Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)，Ⅴ區(qū)最大；在路堤填筑工況（不考慮列車荷載的影響）下，0～6個(gè)月期間沉降發(fā)展較為迅速，填筑完成后沉降仍在緩慢發(fā)展，路基填筑后約4年沉降基本穩(wěn)定；在列車荷載工況（考慮列車荷載的影響）下，0～6個(gè)月期間內(nèi)沉降發(fā)展較為迅速，在路基填筑后約3年沉降基本穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞華北地區(qū)；高速鐵路；松軟土；工程地質(zhì)分區(qū)；地基變形

我國(guó)軟土分布十分廣泛，濱海平原、河口三角洲、湖盆地周圍、山間谷地均有分布。其中華北地區(qū)軟土的分布面積占到了我國(guó)軟土總面積的1 /3。這里經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集。隨著京津城際、京滬高鐵、京石客專、津秦客專等高速鐵路的開通運(yùn)營(yíng)，華北地區(qū)形成了四通八達(dá)的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)。

由于軟土成因類型復(fù)雜，分布范圍廣泛，在工程實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到軟土地基及由此引起的工程問題。在填土自重和列車荷載作用下，地基將產(chǎn)生較大沉降，尤其是工后沉降較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足高速列車安全平穩(wěn)運(yùn)行的要求。因此，路基沉降特別是松軟土路基的不均勻沉降變形問題便成為高速鐵路設(shè)計(jì)所需考慮的主要控制因素［1-3］，對(duì)松軟土地基變形進(jìn)行深化研究意義重大。

1華北地區(qū)松軟土工程地質(zhì)分區(qū)

華北地區(qū)松軟土主要分布在太行山以東、燕山以南至沿海華北以東平原區(qū)的第四系全新統(tǒng)沖積、海積層中。全新統(tǒng)沖洪積層中也有分布，但其厚度、埋深、層數(shù)都較沖積、海積層要小，并呈越往東越大的總體趨勢(shì)。太行山以西、燕山以南的華北丘陵山區(qū)、黃土高原區(qū)普遍分布較少，僅在一些溝谷、洼地、河流區(qū)局部存在，不具普遍性和規(guī)律性。

華北各地區(qū)地質(zhì)、地貌條件不同，成因類型多，即使同一種土相同的物性指標(biāo)，不同地區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變歷史所賦予土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是不同的，但是其地理分布又具有一定的區(qū)域特性。松軟土的分布及物質(zhì)組成和工程特性主要受地形地貌和巖土成因控制，據(jù)此將華北平原松軟土分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ共5個(gè)區(qū)，見圖1。

圖1　華北平原松軟土工程地質(zhì)分區(qū)

各區(qū)具體分布如下：

Ⅰ區(qū)。分布在太行山以東及燕山以南的山麓地區(qū)，土壤不發(fā)育，多為裸露砂礫石地層，極少見松軟土層。由眾多坡積殘積和洪積裙連接而成。

Ⅱ區(qū)。分布在太行山往東至新鄉(xiāng)、邯鄲、藁城、保定、大興一帶，燕山往南至大興、玉田、豐南、灤縣一帶。地表是黏性土、粉土狀物質(zhì)（灤河洪積扇主要是細(xì)、粉砂），地表以下是具各種大型交錯(cuò)層理的粗砂、礫石。由漳河、滹沱河、永定河、灤河等河流的洪積扇形成。

Ⅲ區(qū)。分布在太行山?jīng)_洪積區(qū)前緣至濮陽、邯鄲、辛集、廊坊、寶坻一帶，燕山以南沖洪積區(qū)前緣至樂亭、唐海一帶。以第四系黏性土為主，含粉、細(xì)砂。主要由黃河、漳河、滹沱河、永定河、潮白河、灤河等河流的沖積扇組成。

Ⅳ區(qū)。分布在自Ⅲ區(qū)前緣往東至北鎮(zhèn)、無棣、滄州、天津、廊坊、寶坻、玉田、豐南、唐海一帶。以第四系黏性土為主，含淤泥質(zhì)土及粉、細(xì)砂。主要由黃河、漳河、滹沱河多次決口改道、反復(fù)泛濫充淤形成。

Ⅴ區(qū)。分布在北鎮(zhèn)、無棣、滄州、天津、廊坊、寶坻、玉田、豐南、唐海、樂亭一帶以東和以南直至海岸。以第四系淤泥質(zhì)土、黏性土為主，含粉、細(xì)砂。主要為中-全新世高海平面以后的歷次海進(jìn)過程中沉積的海相沉積物，及海退過程中古潮白河、海河、古永定河沖積物覆蓋在海退地上的沖積物組成。

2華北地區(qū)松軟土物理力學(xué)特性

松軟土介于一般可塑性土至軟土之間，具有天然含水率大、孔隙比大、中～高壓縮性、強(qiáng)度低、呈軟塑狀態(tài)等工程特性。在不同的工程地質(zhì)分區(qū)內(nèi)由于其微地貌、成因不同，松軟土在平面和垂向的分布情況，表現(xiàn)的物理、力學(xué)性質(zhì)也不同。

為研究華北平原區(qū)松軟土的特性，收集、統(tǒng)計(jì)、分析了華北以東平原區(qū)京滬高速鐵路、京津城際鐵路、津秦客運(yùn)專線、京石客運(yùn)專線、津保鐵路、邯黃鐵路等多項(xiàng)已建和在建工程項(xiàng)目的工程地質(zhì)勘察報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)松軟土分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2. 1松軟土基本物理性質(zhì)

華北平原松軟土層的物性指標(biāo)參考取值見表1。

表1　華北平原松軟土層的物性指標(biāo)參考取值

華北地區(qū)松軟土以黏土、粉質(zhì)黏土、粉土為主。黏土的天然含水率最大，粉質(zhì)黏土次之，粉土最小。液限也呈現(xiàn)出從黏土到粉土逐漸減小的趨勢(shì)；重度較小，在17～25 kN/m3；孔隙比較大，一般均＞0. 5。

2. 2松軟土基本力學(xué)性質(zhì)

華北平原松軟土層的強(qiáng)度指標(biāo)參考取值見表2。

表2　華北平原松軟土層的強(qiáng)度指標(biāo)參考取值

由表2可知，華北地區(qū)壓縮性高，壓縮系數(shù)在0. 31～0. 68，內(nèi)摩擦角粉質(zhì)黏土大于黏土，黏聚力差別不大，基本在21～46 kPa。

3　華北地區(qū)松軟土變形特性

松軟土變形特性十分復(fù)雜，準(zhǔn)確估計(jì)不同區(qū)域、成因及分布特征的松軟土的地基變形量難度較大。本文結(jié)合工程地質(zhì)分區(qū)及工程特性研究結(jié)果，選取典型地層條件和計(jì)算參數(shù)，通過理論計(jì)算及數(shù)值分析方法，初步研究華北地區(qū)松軟土地基變形特征。

3. 1理論計(jì)算

依據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001—2005）的地基沉降理論解析方法，針對(duì)不同分區(qū)的區(qū)域土層特征，考慮路基荷載作用及車輛荷載作用2種工況［4-7］，選取京石客專定州段、邯黃線巨鹿段、津保線勝芳段、邯黃線黃驊港段對(duì)Ⅱ區(qū)～Ⅴ區(qū)的地基土變形特征進(jìn)行研究。

根據(jù)以往其他工程計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比的經(jīng)驗(yàn)，在與實(shí)測(cè)總沉降進(jìn)行的對(duì)比中，復(fù)合模量法總沉降的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值最為接近。尤其是對(duì)路基面寬度較大的斷面，但對(duì)于路基面寬度相對(duì)較小的斷面，計(jì)算值總體偏大，離散性相對(duì)較高，但在各種方法中仍是最小的且偏于安全。復(fù)合模量法有非常好的工程實(shí)踐基礎(chǔ)，在CFG樁樁筏基礎(chǔ)沉降計(jì)算中較為實(shí)用。

復(fù)合地基的分層與天然地基分層相同，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ可表示為

式中：fak為基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值；fspk為復(fù)合地基承載力特征值。

復(fù)合地基承載力特征值，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)也可按下式估算。

式中：m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，如無經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0. 75～0. 95，天然地基承載力較高時(shí)取大值；fsk為處理后樁間土承載力特征值，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，無經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取天然地基承載力特征值。

Ra的取值應(yīng)符合下列規(guī)定：①當(dāng)采用單樁載荷試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將單樁豎向極限承載力除以2；②當(dāng)無單樁載荷試驗(yàn)時(shí)，可按下式估算。

式中：up為樁的周長(zhǎng)；n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi，qp分別為樁周第i層土的側(cè)阻力、樁端端阻力特征值。lsi為第i層土的厚度。復(fù)合地基最終沉降量s可按下式計(jì)算。

式中：n1為加固區(qū)范圍內(nèi)土層分層數(shù)；n2為沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)土層總的分層數(shù)；p0為對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久值組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量；zi，zi - 1分別為基底以下第i和第i - 1層土底面至基底的距離；-ai，-ai - 1分別為基底面計(jì)算點(diǎn)至第i和第i - 1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，可由《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007— 2011）附錄查得。φs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定，無地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)壓縮層內(nèi)平均壓縮模量確定。

本次理論分析的計(jì)算模型根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果，參照該區(qū)域內(nèi)相應(yīng)工點(diǎn)的地層分布狀況，將該區(qū)域的地層分布等效為若干組平行土層。路堤堆載及車輛荷載作用下，各分區(qū)沉降量計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖2。

圖2　各分區(qū)沉降量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖2可知：未采取任何措施的情況下，Ⅱ區(qū)的工后沉降量及總沉降量均最小，其次是Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)，Ⅴ區(qū)最大；Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)的工后沉降量及總沉降量均偏大，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)相對(duì)明顯偏小，約為Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)的1 /2。這與由第四系沖積平原形成的松軟土（Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)）逐漸向?yàn)I海沖積-海積平原形成的松軟土（Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)）地基過渡的分布特征有直接關(guān)系。

3. 2數(shù)值分析

3. 2. 1計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

通過數(shù)值分析方法，基于大型通用有限元軟件FLAC3D，選取津保線試驗(yàn)段地基作為本次數(shù)值分析的研究對(duì)象，對(duì)該段落內(nèi)的DK24 + 550處路基進(jìn)行地基土變形沉降特征研究。本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，計(jì)算參數(shù)見表3。

橫斷面計(jì)算范圍：X方向取200 m，Y方向取48 m。路堤填筑工況模型和列車荷載工況模型分別劃分為1 955個(gè)單元和1 963個(gè)單元，模型網(wǎng)格與材料分區(qū)見圖3。

3. 2. 2計(jì)算結(jié)果及分析

1）路堤填筑工況

路堤填筑工況地基沉降曲線見圖4?？梢姡鼗两翟诼返烫钪陂g即0～6個(gè)月內(nèi)沉降發(fā)展較為迅速，填筑完成后沉降仍在緩慢發(fā)展，直到大概在路基填筑后4年沉降基本穩(wěn)定。路堤中心工后沉降值為164 mm。數(shù)值分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果大致吻合。

2）列車荷載工況

列車荷載工況地基沉降曲線見圖5?？梢姷鼗两翟诼返烫钪陂g即0～6個(gè)月內(nèi)沉降發(fā)展較為迅速，填筑完成后的沉降與不考慮列車荷載工況相比發(fā)展較快，在列車荷載作用下引起的附加沉降量約為27 mm，大概在路基填筑后3年沉降基本穩(wěn)定。路堤中心工后沉降值為186 mm。數(shù)值分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果大致吻合。

表3　計(jì)算參數(shù)

圖3　模型網(wǎng)格與材料分區(qū)

圖4　路堤填筑工況地基沉降曲線

圖5　列車荷載工況地基沉降曲線

4　結(jié)論

本文以華北地區(qū)松軟土分布特征及工程地質(zhì)分區(qū)研究為基礎(chǔ)，選取華北地區(qū)松軟土分布區(qū)中的4個(gè)分區(qū)，分析幾條在建和已建的鐵路工程勘察資料，并通過模擬分析總結(jié)了松軟土基本特性和變形特性，初步提出了研究區(qū)內(nèi)松軟土設(shè)計(jì)參數(shù)取值。主要結(jié)論如下：

1）未采取任何措施的情況下，Ⅱ區(qū)的工后沉降及總沉降均最小，其次是Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)，Ⅴ區(qū)最大；Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)的工后沉降及總沉降均偏大，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)相對(duì)明顯偏小，約為Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)的1 /2。這與由第四系沖積平原形成的松軟土（Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)）逐漸向?yàn)I海沖積-海積平原形成的松軟土（Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)）地基過渡的分布特征有關(guān)。

2）在路堤填筑工況下，不考慮列車荷載的影響，地基沉降在路堤填筑期間即0～6個(gè)月內(nèi)沉降發(fā)展較為迅速，填筑完成后沉降仍在緩慢發(fā)展，大概在路基填筑后4年沉降基本穩(wěn)定。在列車荷載工況下，地基沉降在路堤填筑期間即0～6個(gè)月內(nèi)沉降發(fā)展較為迅速，大概在路堤填筑后3年沉降基本穩(wěn)定。

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（責(zé)任審編李付軍）

Deformation Characteristics of High Speed Railway Loose and Soft Foundation in North China

LI Bo
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）

AbstractT he north China area is one of the main areas with soft soil. Subgrade foundation settlement control is key to the design of high speed railway. Based on engineering geological conditions，north China loose and soft soil area was classified asⅠ～Ⅴ5 zones. According to engineering geological data of constructed and constructing railways，soft soil physical and mechanical indexes were statistically analyzed. T hrough theoretical calculation and numerical simulation soft soil foundation deformation characteristics were studied. T he results showed that zone II settlement was minimum，followed by ZoneⅢ，ⅣandⅤ. Under the embankment gravity load，during the period of 0～6 months foundation settlement developed rapidly，till about 4 years later settlement became stable. Under the embankment gravity load and train load，during the period of 0～6 months settlement developed rapidly，till about 3 years later settlement became stable.

Key wordsNorth China；High speed railway；Loose and soft soil；Engineering geological zoning；Foundation deformation

中圖分類號(hào)U213. 1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 29

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0108-05

收稿日期：2015-12-06；修回日期：2016-03-12

作者簡(jiǎn)介：李波（1973—），男，高級(jí)工程師。