王璦琳,崔俊杰,韓志霞,張 強

(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430205； 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

高速鐵路路基結(jié)構(gòu)的變形主要由兩部分組成：路基本體變形、地基沉降，其中路基本體變形包括填料的壓密變形及列車荷載引起的彈性變形。根據(jù)已有資料，路基本體變形一般為路基高度的0.1%～0.5%，填筑完成1年后趨于穩(wěn)定[1]；列車荷載引起的彈性變形，一般不到0.22 mm[2]。因此，高速鐵路路基沉降控制的研究重點是地基沉降控制。

對于高速鐵路而言，現(xiàn)行鐵路行業(yè)的地基土分類標準[3]已經(jīng)不適應(yīng)其路基沉降控制的需要。文獻[4]依托京滬、寧安、張呼、吉琿等國內(nèi)多條高速鐵路，采用綜合勘察、特種土工試驗結(jié)合現(xiàn)場試驗與沉降變形監(jiān)測等方法，進行了地基土的工程特性與分類研究，基于高速鐵路路基沉降變形控制之目的，提出了將地基土按照壓縮系數(shù)a0.1-0.2劃分為低、中低、中高、高壓縮性等4類。

在高速鐵路路基勘察設(shè)計中，經(jīng)常遇到的地基承載力在150 kPa以上的黏性土、粉土、砂類土、碎石類土以及全風(fēng)化巖等土質(zhì)地基，其壓縮系數(shù)一般介于0.1～0.3 MPa-1，多屬中低壓縮性土。該類土質(zhì)地基的變形隨時間發(fā)展特性與飽和軟黏土有很大的不同，其實測沉降值遠低于理論計算結(jié)果[5]。本文擬結(jié)合國內(nèi)多個高速鐵路的建設(shè)、科研實踐，對中低壓縮性土地基沉降計算的有關(guān)問題進行比較系統(tǒng)的研究，其研究結(jié)論有助于優(yōu)化高速鐵路路基地基沉降控制設(shè)計、降低工程投資。

2 中低壓縮性土的工程特性

我國地域遼闊，中低壓縮性土分布廣泛，在平原區(qū)大多為沖洪積、沖湖積成因，在低山丘陵區(qū)及其前緣一般為沖坡積、坡殘積成因。通過對京滬、寧安、吉琿、張呼等高速鐵路多個試驗工點勘察資料的分析(表1)，中低壓縮性土具有如下工程特性[5-9]：

從各土層物理指標看，天然含水率較低，主要在20%～25%；孔隙比較小，主要在0.64～0.86；飽和度在90%～92%，屬高飽和度土。從各土層變形指標看，壓縮系數(shù)較小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1；壓縮模量較大，在8.43～11.61 MPa；另外，中低壓縮性土普遍具有超固結(jié)特性，其超固結(jié)比最大達21.4。

表1 中低壓縮性土物理力學(xué)指標統(tǒng)計

3 中低壓縮性土變形的時間效應(yīng)

3.1 土體變形的狀態(tài)類別

地基土的物理狀態(tài)相同時，在不同應(yīng)力水平下，其塑性變形將呈現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律。即地基的變形特性與其所受的應(yīng)力水平密切相關(guān)，在較小的應(yīng)力水平下塑性變形較小且很快趨于穩(wěn)定，隨著應(yīng)力水平的增加變形逐漸增大、變形速率加快。另一方面，地基的變形特性與其自身的物理力學(xué)特性也是密切相關(guān)的。不同強度的地基土在相同的荷載條件下，呈現(xiàn)出不同的變形隨時間發(fā)展規(guī)律。

近年來，羅強等研究提出：長期荷載作用下地基土的塑性變形演化呈現(xiàn)為快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞和快速破壞等4個狀態(tài)類別[10](圖1)，并建立了基于變形速率為核心指標，以負冪函數(shù)為數(shù)學(xué)表達式的變形狀態(tài)“冪次判別法”，見式(1)。

圖1 長期荷載作用下地基土的塑性變形狀態(tài)

(1)

式中，ε′(t)為塑性應(yīng)變速率；T1、T2為與材料和試驗條件有關(guān)的參數(shù)；p為函數(shù)的冪次。

p≥2時為快速穩(wěn)定狀態(tài)，1

3.2 土體變形狀態(tài)與應(yīng)力水平的關(guān)系研究

實際上，完全采用“冪次判別法”獲得土體塑性變形狀態(tài)閾值偏于嚴格，可以通過應(yīng)力水平和p值關(guān)系來判斷土體的變形狀態(tài)。研究中，采用取自吉圖琿鐵路的中低壓縮性粉質(zhì)黏土土樣，通過基于變形時間效應(yīng)的三軸試驗、壓縮試驗、單元結(jié)構(gòu)模型試驗等，驗證了土體隨著應(yīng)力水平的增加，其變形演化呈現(xiàn)快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態(tài)，并確定了這4種狀態(tài)與其所受的應(yīng)力水平的關(guān)系，應(yīng)力水平采用荷載比k(峰值偏應(yīng)力和極限承載力的百分比)來描述，詳見表2。

4 中低壓縮性土地基的壓縮層厚度研究

地基的壓縮層厚度受基礎(chǔ)寬度、基底附加應(yīng)力、地基土性和地層結(jié)構(gòu)等多種因素影響，理論分析和實測結(jié)果均表明：基底附加應(yīng)力一定時，地基壓縮層的深度隨基礎(chǔ)寬度的增加而增長，但增速逐漸減緩，最終接近于常數(shù)；對一定寬度的基礎(chǔ)，地基壓縮層的深度則隨基底附加應(yīng)力提高而增大。

表2 吉圖琿鐵路中低壓縮性粉質(zhì)黏土的變形狀態(tài)與

長期以來，我國鐵路行業(yè)主要采用應(yīng)力比控制法確定地基壓縮層厚度，高速鐵路地基壓縮層厚度按0.1倍應(yīng)力比法取值，其他鐵路按0.2倍應(yīng)力比法取值，確定的壓縮層下有軟土?xí)r，應(yīng)繼續(xù)增加計算深度[11-12]。目前規(guī)范[11-14]對于壓縮層厚度的確定方法，主要是沿用了軟土地基壓縮層厚度的確定方法，未考慮地基變形的時間效應(yīng)和地基土強度等因素，對高速鐵路中低壓縮性土地基而言，需作進一步的深入研究。

4.1 具有變形時間效應(yīng)的地基壓縮層厚度研究的基本思路

根據(jù)中低壓縮性土變形的時間效應(yīng)研究，地基土的塑性變形演化隨著其所受附加應(yīng)力水平的提高呈現(xiàn)為快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞和快速破壞4個狀態(tài)類別。以土質(zhì)地基為例，當?shù)鼗砻娴母郊雍奢d一定時，隨著地基深度的增加地基中的附加應(yīng)力將會逐步衰減，地基中的土體將會處于不同的變形狀態(tài)。當?shù)鼗_到某一深度時，其土體變形就會達到快速穩(wěn)定狀態(tài)，即該深度以下地基在相應(yīng)附加應(yīng)力下的塑性變形會快速完成，不會對路基的工后沉降造成影響，我們就稱此范圍為地基變形具有時間效應(yīng)的區(qū)域，其下地基為不具有時間效應(yīng)的區(qū)域，具有變形時間效應(yīng)的區(qū)域即為該附加荷載作用下的地基壓縮層范圍[5]。

確定具有變形時間效應(yīng)的地基壓縮層厚度的基本原理是：以地基承受的豎向附加應(yīng)力和豎向自重應(yīng)力之和作為荷載條件；以水平自重應(yīng)力為提供抗剪強度的小主應(yīng)力，根據(jù)變形狀態(tài)強度參數(shù)，參照莫爾-庫倫準則，得到相應(yīng)的臨界大主應(yīng)力沿深度的變化曲線，即變形狀態(tài)強度線。根據(jù)荷載與變形狀態(tài)強度線的關(guān)系，將地基由上自下劃分為具有變形時間效應(yīng)和不具有變形時間效應(yīng)區(qū)域(圖2)。其中，變形具有時間效應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的地基厚度hI，即為具有變形時間效應(yīng)的壓縮層厚度。

圖2 具有變形時間效應(yīng)的地基壓縮層厚度確定示意

4.2 變形狀態(tài)強度參數(shù)的計算

通過對表2土體變形狀態(tài)與應(yīng)力水平關(guān)系的相關(guān)試驗成果的綜合判定，吉圖琿鐵路中低壓縮性粉質(zhì)黏土變形的4種狀態(tài)的3個閾值可按荷載比認定為：10%，70%，90%。在三軸試驗中，荷載比k為3個變形狀態(tài)系數(shù)kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%時，對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)即為極限狀態(tài)摩爾圓的最小主應(yīng)力不變(圍壓未變)，偏應(yīng)力(摩爾圓直徑)為極限狀態(tài)最大偏應(yīng)力(極限摩爾圓直徑)乘以對應(yīng)的變形狀態(tài)系數(shù)kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%，此時可得到變形狀態(tài)系數(shù)kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%時對應(yīng)的3條公切線，即為該土樣的3條變形狀態(tài)分界線。

圖3 變形狀態(tài)強度參數(shù)計算原理

(2)

(3)

4.3 具有變形時間效應(yīng)的地基壓縮層厚度的計算方法

在具有變形時間效應(yīng)的壓縮層厚度研究時，假設(shè)地基為均質(zhì)地基，地基在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力作用下的變形狀態(tài)處于快速穩(wěn)定變形狀態(tài)；考慮中低壓縮性地基土的超固結(jié)特性，地基土的側(cè)向土壓力系數(shù)λ=1，則小主應(yīng)力(水平自重應(yīng)力)等于地基的豎向自重應(yīng)力。

這樣，可以按快速穩(wěn)定變形狀態(tài)強度參數(shù)ci和φi(其中i=I)，采用式(4)計算變形狀態(tài)強度線；根據(jù)式(5)的荷載強度-變形狀態(tài)關(guān)系，按式(6)計算具有變形時間效應(yīng)的壓縮層厚度hI。

(4)

(5)

γhI+σz=γhItan2(π/4+φI/2)+

2cItan(π/4+φI/2)

(6)

4.4 基于工程應(yīng)用的中低壓縮性土地基的壓縮層厚度確定方法

實踐中，地基是分層的非均質(zhì)體，不同類型的工程結(jié)構(gòu)對沉降控制的要求也不盡相同，我國不同行業(yè)的工程技術(shù)人員，在實際工作中結(jié)合各自的工程特點，對地基的壓縮層厚度做了很多的研究[15-20]。為盡可能符合鐵路工程技術(shù)人員的設(shè)計習(xí)慣，簡化計算方法，有必要與現(xiàn)行鐵路規(guī)范[11-12]確定壓縮層厚度的應(yīng)力比法進行對照研究。

對吉圖琿鐵路的中低壓縮性土地基，考慮計算地基變形的時間效應(yīng)，按上述方法采用快速穩(wěn)定變形狀態(tài)線確定的地基壓縮層厚度hI如表3所示。同時，采用現(xiàn)行規(guī)范，按應(yīng)力比分別取0.1、0.2、0.3和0.5計算的地基壓縮層厚度Zn一并列入表中進行對比。

表3 變形時間效應(yīng)法和應(yīng)力比法確定的地基壓縮層厚度對比 m

圖4 應(yīng)力比法和變形時間效應(yīng)法計算路堤地基壓縮層厚度的對比

具有變形時間效應(yīng)的地基壓縮層厚度hI隨H變化，與應(yīng)力比法確定的地基壓縮層厚度Zn變化規(guī)律一致，近似呈線性增長。如圖4所示，hI與按ψ=0.2應(yīng)力比法確定的壓縮層厚度基本一致，因而對于類似吉圖琿鐵路中低壓縮性土地基的壓縮層厚度，可采用0.2倍應(yīng)力比值法確定。

5 研究結(jié)論

在高速鐵路路基勘察設(shè)計中，經(jīng)常遇到地基承載力在150 kPa以上的黏性土、粉土以及全風(fēng)化巖等土質(zhì)地基，多屬中低壓縮性土。中低壓縮性土普遍具有天然含水率較低、孔隙比較小以及超固結(jié)等工程特性，其壓縮系數(shù)較小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1，壓縮模量較大，在8.43～11.61 MPa；但其飽和度介于90%～92%，屬高飽和度土。在高速鐵路路基沉降分析與控制時，應(yīng)充分考慮其變形的時間效應(yīng)。

采用取自吉圖琿鐵路的中低壓縮性粉質(zhì)黏土土樣，通過基于變形時間效應(yīng)的三軸試驗、壓縮試驗、單元結(jié)構(gòu)模型試驗等，驗證了土體隨著應(yīng)力水平的增加，其變形演化呈現(xiàn)快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態(tài)。對類似的中低壓縮性土地基，其4種狀態(tài)的3個閾值可按荷載比分別認定為：10%，70%，90%。

對于高速鐵路路基沉降控制而言，由于其工后沉降控制標準非常嚴格，在具有變形時間效應(yīng)的壓縮層厚度研究時，認為地基在自重應(yīng)力及附加應(yīng)力的作用下其變形狀態(tài)應(yīng)處于快速穩(wěn)定變形狀態(tài)，并據(jù)此確定地基具有變形時間效應(yīng)的區(qū)域和壓縮層厚度。為便于鐵路工程設(shè)計人員使用，通過對比研究得出：高速鐵路中低壓縮性土地基的壓縮層厚度，可采用0.2倍應(yīng)力比值法確定。