陶 燦 饒 雄 滕煥樂 曹成度

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

高速鐵路軌道的平順性是優(yōu)化輪軌效應(yīng)的關(guān)鍵，也是確保行車安全和旅客舒適度的重要因素之一。為了運營安全及平穩(wěn)，高速鐵路對軌面的平整狀態(tài)有嚴(yán)格的要求，而結(jié)構(gòu)物的工后沉降對軌道平順性有直接的影響?！惰F路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9230—2016)規(guī)定，一般路基工后沉降要求小于15 mm。[1]

近年來，為解決沉降問題，多采用CFG樁、注漿旋噴樁等措施對地基進行加固處理，然后再通過堆載預(yù)壓來加速地基土層的壓縮變形，以減小工后沉降[4]。國內(nèi)許多學(xué)者對不同地質(zhì)情況下路基的沉降特性做了大量的研究。裴立軍等對不同的黃土地基路基段開展沉降監(jiān)測，得到黏質(zhì)黃土地區(qū)一般在3～4個月內(nèi)沉降發(fā)展較快，之后逐漸變緩，6個月以后路基沉降趨于穩(wěn)定的結(jié)論[5];劉浩等通過對京滬高鐵陽澄湖地區(qū)軟土的蠕變特性和次固結(jié)特性的實驗研究，認為堆載預(yù)壓不僅可以減小軟土的主固結(jié)沉降，還能夠有效地減少工后沉降[6]；牛富俊對青藏鐵路路橋過渡段的沉降趨勢進行分析，認為粉土、粉質(zhì)黏土等細顆粒類土的沉降量明顯高于其他類土，中粗砂類、礫石土的沉降量為中等，風(fēng)化巖石、砂巖、片巖等的沉降量最小或幾乎為零，表明路基土體類型是影響沉降量的因素之一[3]。以京沈高鐵安匠站路基段建設(shè)期間的沉降過程和沉降趨勢為研究對象，研究路基基底土質(zhì)對路基沉降特性的影響，對于重新認識不同土質(zhì)的沉降特性以及如何控制工后次沉降有一定參考價值。

2 路基沉降原理

2.1 土壤壓縮固結(jié)原理

土的固結(jié)是指土體受外力作用，其應(yīng)力狀態(tài)改變時，土體體積逐漸壓縮，同時部分水量從土體中排出，外加應(yīng)力相應(yīng)地從孔隙水(與氣)傳遞到土骨架上，孔隙水壓力逐漸消散至零，直到變形達到穩(wěn)定為止[7]，更確切地說，是土體在荷載作用下，孔隙壓力降低，有效應(yīng)力增加，土體壓縮的過程[8]。一般來說，e值越小，土越密實，壓縮性越低；e值越大，土越疏松，壓縮性越高[9]。孔隙比公式為

(1)

其中e為孔隙比，Vs是土壤體積，Vv是孔隙體積。

圖1中，Vs為土粒體積，在堆載預(yù)壓加載前后保持不變，在堆載預(yù)壓后，土壤被壓縮后導(dǎo)致孔隙體積變化，孔隙比產(chǎn)生變化，整個過程遵循以下公式

(2)

圖1 土壤固結(jié)過程示意

對土壤施加縱向荷載后，孔隙水得以逐漸排出，有效壓力增大，土體強度增加，從而達到地基處理的目的。根據(jù)有效應(yīng)力理論，土質(zhì)因滲透固結(jié)增加的強度與附加總應(yīng)力增量和固結(jié)度的乘積成正比(假定固結(jié)過程中土的內(nèi)摩擦角為不變的常數(shù))。因此，壓縮固結(jié)是引起地基沉降的最直接原因(理論沉降量為S)[10]。

按照一般規(guī)律，土壤粒徑越小，透水性越弱，受外力時越容易變形，強度越小。

2.2 土壤固結(jié)速率和壓縮模量

土壤固結(jié)速率是指土層發(fā)生主固結(jié)的快慢程度，主要取決于土的固結(jié)系數(shù)。土的壓縮模量Es表示土的壓縮性，Es越小，土的可壓縮性越大，孔隙水消散速率越快；反之Es越大，土的可壓縮性越小，孔隙水消散速率越慢[11]。

太沙基一維固結(jié)模型和理論研究的是飽和土中有效應(yīng)力和孔隙應(yīng)力的不同比值及與總應(yīng)力的關(guān)系，在實際工程中，遇到的多為非飽和土。非飽和土是一種三相體系，除包含不可壓縮的固相土粒和液相水外，還含有一定數(shù)量的可壓縮氣體。飽和土與非飽和土的固結(jié)理論彼此相關(guān)，非飽和土的固結(jié)理論是對飽和土固結(jié)理論的拓展和延伸[12]。路基的堆載預(yù)壓可認為是非飽和土的三維固結(jié)問題。

2.3 路基沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)路基主體工程完工后觀測期應(yīng)大于3個月，且這3個月沉降波動幅度在3.0 mm之內(nèi)、沉降變形觀測值在±2 mm之內(nèi)、最后4次(且觀測時間不少于一個月)觀測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)連續(xù)下沉現(xiàn)象時，簡稱“小變形測點”，可判定為“通過”，不予曲線擬合，可進行無砟軌道施工，但必須繼續(xù)觀測驗證；當(dāng)測點沉降變形大于3 mm時，必須進行曲線擬合(簡稱“曲線擬合測點”)，當(dāng)曲線擬合測點同時滿足以下條件時，可以判定滿足無砟軌道鋪設(shè)條件[13-14]。

(1)工后沉降不宜超過15 mm。

(2)根據(jù)路基實際荷載情況及觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)作回歸分析及預(yù)測，綜合確定沉降變形的趨勢，曲線回歸的相關(guān)系數(shù)應(yīng)不低于0.92。

(3)軌道(道床)鋪設(shè)前最終預(yù)測應(yīng)符合其預(yù)測準(zhǔn)確性的基本要求，即橋梁主體施工完成至無砟軌道鋪設(shè)前，沉降預(yù)測時間應(yīng)滿足

S(t)/S(t=∞)≥75%

式中，S(t)為預(yù)測時實際發(fā)生的沉降量/mm；S(t=∞)為預(yù)測總沉降值/mm。

3 觀測研究段概述

3.1 工程概況

京沈高鐵是連接?xùn)|北和華北地區(qū)的重要紐帶，設(shè)計速度350 km/h，全線設(shè)計為無砟軌道線路。本次研究段為安匠站DIK159+440～DIK160+594.95段路基，位于承德市承德縣鞍匠鄉(xiāng)境內(nèi)，該段為中低山山間盆地地貌，地形起伏不大，植被發(fā)育，交通較為便利。根據(jù)勘探資料，本段地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、卵石土、粗礫土，土層厚22.7～27.7 m，下伏侏羅系上統(tǒng)片麻巖，分布情況如表1、圖2和圖3。

表1 安匠站基底土質(zhì)組成

DIK159+440～DIK160+594.95段路基為填方，從上到下依次為0.5 m厚C35混凝土，0.76 m厚C20混凝土，0.69 m厚級配碎石(摻5%水泥)；以下基床底層范圍內(nèi)填筑0.75 m厚的A、B組土，混凝土基床兩側(cè)填筑A、B組土，總厚度2.7 m。DIK159+880～DIK160+217段基底主要為粗礫土、卵石土、漂石土和片麻巖；DIK159+880～DIK160+217段基底主要為粗礫土、卵石土、粉質(zhì)黏土和片麻巖。

圖2 DIK159+880—DIK160+217段地質(zhì)斷面

圖3 DIK160+300～DIK160+500段地質(zhì)斷面

3.2 堆載預(yù)壓段沉降實施情況

安匠站DIK159+880～DIK160+217段共設(shè)9個沉降觀測斷面，DIK160+300～DIK160+500段共設(shè)7個沉降觀測斷面，按照設(shè)計和規(guī)范要求，每個沉降觀測斷面基底設(shè)置一個沉降板，布置于雙線路基中心。為施加整體基床荷載以加速基底沉降，在DIK159+880～DIK160+217段和DIK160+300～DIK160+500段基床底層頂面使用預(yù)壓塊、預(yù)壓土實施堆載預(yù)壓。預(yù)壓土堆高3 m，單延米體積為25.8 m3，單延米質(zhì)量為46.44 t，橫向邊坡坡度為1∶1，端部縱向邊坡坡度為1∶2并向外延伸。堆載示意如圖4。

圖4 堆載預(yù)壓示意(單位：m)

4 沉降結(jié)果分析

4.1 實測沉降結(jié)果分析

根據(jù)施工安排，DIK159+880～DIK160+217段在2016年12月14日開始堆載，DIK160+300～DIK160+500于2016年10月18日開始堆載。堆載時間如表2。

堆載過程中各斷面沉降量如表3。

4.2 兩段路基沉降曲線預(yù)測擬合結(jié)果

對實測沉降數(shù)據(jù)采用雙曲線模型和灰色系統(tǒng)GM(1，1)模型進行曲線擬合。結(jié)果表明，兩種模型的預(yù)測相關(guān)系數(shù)均達到了0.92以上，預(yù)測工后沉降量差別為0.02～3.87 mm。S(t)/S(∞)和工后沉降的預(yù)測結(jié)果表明，所有沉降板均到達穩(wěn)定狀態(tài)，各項指標(biāo)均滿足《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》中對于路基沉降穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)中的要求。這兩段路基在堆載預(yù)壓后均達到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，滿足無砟軌道鋪設(shè)的前提條件。預(yù)測結(jié)果見表4。

表2 堆載時間分布

表3 堆載沉降情況

4.3 兩段路基沉降情況對比分析

如圖5所示，DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段路基各測點沉降量的監(jiān)測結(jié)果表明，DK160+300～DK160+500段沉降量為17.25～51.35 mm，DIK159+880～DIK160+217段沉降量在2.38～8.53 mm，DK160+300～DK160+500段所有沉降板的沉降量比DIK159+880～DIK160+217段沉降量要大至少2倍，DK160+300～DK160+500段沉降量最大的160358L1號沉降板，其在堆載預(yù)壓期間的沉降量為51.35 mm(超出DIK159+880～DIK160+217段沉降量最大的160085L1號沉降量的6倍以上)。兩段路基間隔僅83 m，采用了相同的地基處理和堆載預(yù)壓方法，每延米預(yù)壓土方量相同，并可以近似假設(shè)這兩段路基所處的氣候水文環(huán)境一致。由圖2和圖3的比較發(fā)現(xiàn)，DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段的主要區(qū)別在于基底土質(zhì)，DK160+300～DK160+500段沉降量較大主要是粉質(zhì)黏土相較于漂石土的孔隙比更大，土壤可壓縮性大，從而導(dǎo)致DK160+300～DK160+500段整體基底土壤可壓縮性更高，從而產(chǎn)生了更大的沉降量。

圖5 DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段沉降量比較

4.4 兩段路基沉降速率分析

由圖6可知，DK160+300～DK160+500段沉降達到穩(wěn)定需275～297d，DIK159+880～DIK160+217段沉降達到穩(wěn)定需120～197d，DK160+300～DK160+500段沉降達到穩(wěn)定的天數(shù)較DIK159+880～DIK160+217段多78～177 d。由圖7可知，DK160+300～DK160+500段的沉降速率明顯比DIK159+880～DIK160+217段要大，DK160+300～DK160+500段需要更長的時間來完成土壤的壓縮固結(jié)沉降，其孔隙水壓力消散速率比DIK159+880～DIK160+217段要大。DK160+300～DK160+500段和DIK159+880～DIK160+217段主要區(qū)別為基底土質(zhì)(粉質(zhì)黏土和漂石土)，可以推測出粉質(zhì)黏土的固結(jié)系數(shù)比漂石土要小，沉降速率較大。

圖6 DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段達到穩(wěn)定的天數(shù)

圖7 DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段沉降速率

5 結(jié)論

(1)堆載預(yù)壓能夠有效加快路基沉降速率，使其達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2)基底土質(zhì)類別對于堆載預(yù)壓后的路基沉降量和沉降速率有一定的影響。

(3)在相同的堆載預(yù)壓載荷下，基底粉質(zhì)黏土相較于卵石土、粗礫土和漂石土等其他土類，具有抗壓強度較低，孔隙比較大，壓縮模量較小，加荷后沉降量較大的特點。

(4)粉質(zhì)黏土加荷后的沉降速率相較于漂石類土大，需要更長的時間來完成土壤的壓縮固結(jié)沉降，以達到基底沉降穩(wěn)定的狀態(tài)。

(5)在工程實踐中，對基底為厚層粉質(zhì)黏土的路基段，應(yīng)采取措施及時處理，以防止其沉降隱患影響工程質(zhì)量。

[1] TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S]

[2] 王祥.高速鐵路軟土地基的差異沉降試驗研究[J].鐵道工程學(xué)報，2015，32(3):11-15

[3] 牛富俊，林戰(zhàn)舉，魯嘉濠，等.青藏鐵路路橋過渡段沉降變形影響因素分析[J].巖土力學(xué)，2011，32(S2)：372-377

[4] 余飛，樂紅，韓卓，等.鐵路客運專線超載預(yù)壓路基變形特征與卸載時間確定方法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010(2)：22-27

[5] 裴立軍，吳連海.黏質(zhì)黃土地基路基靜置時間對工后沉降的影響[J].鐵道工程學(xué)報，2010，27(8)：47-51

[6] 劉浩，李亮，趙煉恒，等.京滬高速鐵路陽澄湖段軟土的蠕變特性和次固結(jié)特性試驗研究[J].鐵道學(xué)報，2012，34(2)：86-93

[7] 黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京：水利水電出版社，1983

[8] 殷宗澤，等.土工原理[M].北京：中國水利水電出版社，2007

[9] 鄧綬林.地學(xué)辭典[M].石家莊：河北教育出版社，1992

[10] 陳忠求，葉曲成.排水固結(jié)法加固軟土路基合理填土速率的確定[J].鐵道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，2001，21(11)：22-23

[11] 林鵬，許鎮(zhèn)鴻，徐鵬，等.軟土壓縮過程中固結(jié)系數(shù)的研究[J].巖土力學(xué)，2003，24(1)：106-108

[12] 夏碧濤.淺析飽和土與非飽和土固結(jié)理論[J].城市建設(shè)理論研究，2012(9)

[13] Q/CR 9230—2016 鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程[S]

[14] TB 10601—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范[S]