葉彩娟
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)
隨著我國(guó)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展,在黃土地區(qū)修建的鐵路逐漸增多,正在修建或?qū)?lái)擬建設(shè)的新線鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)普遍提高,城際鐵路日益發(fā)展壯大,路基工程的建設(shè)必須滿足承載力及沉降控制的要求,保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全、舒適及快捷[1]。在飽和黃土地基上修建鐵路,飽和黃土濕陷性已消失或部分消失,土體處于軟塑~流塑狀態(tài),承載力低,壓縮量很大,路基沉降完成時(shí)間長(zhǎng),需要采取有效的控制措施。近年來(lái)針對(duì)黃土地基的沉降觀測(cè)研究主要集中在濕陷性黃土地基方面,對(duì)飽和黃土地基的研究相對(duì)較少,而鐵路修建過(guò)程中面臨的飽和黃土地基越來(lái)越多,因此對(duì)飽和黃土地基的處理措施進(jìn)行研究具有重要的意義,工程應(yīng)用前景廣闊。
在蘭州至中川機(jī)場(chǎng)城際鐵路建設(shè)中,采用水泥摻量為12%,16%,20%的水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理并觀測(cè)其沉降。本文運(yùn)用雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法[2]預(yù)測(cè)復(fù)合地基沉降,研究水泥土攪拌樁復(fù)合地基的加固效果,解決該線路基工程建設(shè)中的地基處理技術(shù)難題,同時(shí)可供類似地基的工程建設(shè)參考。
蘭州至中川機(jī)場(chǎng)鐵路是《國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》調(diào)整中具有地區(qū)開發(fā)性、在區(qū)域路網(wǎng)中起骨干作用的鐵路線,是連接蘭州主城區(qū)和蘭州新區(qū)的重要交通紐帶。該鐵路線路全長(zhǎng)60.515 km,Ⅰ級(jí)雙線鐵路,其中西固城至中川機(jī)場(chǎng)段設(shè)計(jì)時(shí)速為160 km/h。
試驗(yàn)工點(diǎn)選在DK48+430—DK49+030路堤段,該地段為飽和黃土地基,淺層地基土的物理性質(zhì)如下:砂質(zhì)黃土,潮濕~飽和,含水率17.24%~36.33%,孔隙比0.88~0.99,水位埋深2~10 m。采用水泥土攪拌樁加固飽和黃土地基,水泥土攪拌樁的水泥摻量為12%,16%,20%,樁徑0.5 m,樁長(zhǎng)8~12 m,樁間距1.3 m,樁頂鋪設(shè)0.5 m厚加筋碎石墊層。
試驗(yàn)段地基為典型的飽和黃土,并含有少量的有機(jī)質(zhì)。其特征為:
1)承載力低。黃土潮濕~飽和,飽和為主。潮濕時(shí)天然地基基本承載力為100 kPa,飽和時(shí)天然地基基本承載力為43~62 kPa。
2)壓縮性大。壓縮模量為2.0~10.0 MPa,壓縮系數(shù)為0.20~0.50 MPa-1,黃土具有很大的壓縮性。
3)含水率高。試驗(yàn)工點(diǎn)地下水位較淺,黃土含水率為17%~37%。
4)靈敏度高,為5~8。
為研究不同水泥摻量的攪拌樁復(fù)合地基處理效果,在試驗(yàn)段內(nèi)布置了若干斷面進(jìn)行沉降觀測(cè)[3],選取其中3個(gè)典型斷面的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
DK48+480斷面、DK48+820斷面、DK48+610斷面線路中心沉降板編號(hào)分別為1#,2#,3#,水泥土攪拌樁的水泥摻量分別為12%,16%,20%。水泥土攪拌樁復(fù)合地基施工完成并鋪設(shè)碎石墊層之后,在線路中心處進(jìn)行鉆孔埋設(shè)安裝單點(diǎn)沉降計(jì),注漿并安裝沉降板。應(yīng)用JMZX-3001型便攜式智能綜合測(cè)試儀進(jìn)行單點(diǎn)沉降計(jì)讀數(shù)的采集。沉降板埋設(shè)斷面如圖1所示。
圖1 沉降板埋設(shè)斷面示意
圖2 路堤荷載時(shí)間沉降關(guān)系曲線
采用雙曲線法[4-5]、三點(diǎn)法[6]和Asaoka法[7]對(duì)1#,2#及3#沉降板的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)分析。對(duì)比分析擬合預(yù)測(cè)效果并對(duì)沉降進(jìn)行預(yù)測(cè),探討不同水泥摻量的水泥土攪拌樁在飽和黃土地基中的加固效果,研究路基沉降的發(fā)展規(guī)律。
路堤荷載下1#,2#,3#沉降板沉降曲線、雙曲線法、三點(diǎn)法及Asaoka法擬合曲線見圖3。
圖3 不同沉降板的沉降曲線及擬合曲線
由圖3可知,采用雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法預(yù)測(cè)的沉降擬合曲線與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的沉降曲線基本一致,3種方法能夠反映路堤荷載下水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降的變化趨勢(shì),預(yù)測(cè)的最終沉降S∞較為可靠。
1#,2#,3#沉降板各方法的沉降預(yù)測(cè)評(píng)估指標(biāo)分別見表1、表2及表3。
表1 1#沉降板的預(yù)測(cè)評(píng)估指標(biāo)
從表1、表2及表3可以看出,雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法預(yù)測(cè)沉降的相對(duì)誤差均能滿足小于等于5%的要求,擬合曲線的相關(guān)系數(shù)也能滿足大于0.92的要求,預(yù)測(cè)全部沉降數(shù)值接近。
表2 2#沉降板的預(yù)測(cè)評(píng)估指標(biāo)
對(duì)比分析可知,1#和2#沉降板雙曲線法預(yù)測(cè)沉降的相對(duì)誤差較小,方差之和較小,相關(guān)系數(shù)較大,擬合效果較好,宜選用雙曲線法對(duì)其沉降進(jìn)行預(yù)測(cè);3#沉降
表3 3#沉降板的預(yù)測(cè)評(píng)估指標(biāo)
板三點(diǎn)法預(yù)測(cè)沉降的相對(duì)誤差較小,方差之和較小,相關(guān)系數(shù)較大,擬合效果較好,選用三點(diǎn)法對(duì)3#沉降板的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。1#,2#及3#沉降板的預(yù)測(cè)沉降、剩余沉降及全部沉降見表4。
表4 1#,2#及3#沉降板的預(yù)測(cè)沉降、剩余沉降及全部沉降 mm
從表4可以看出:1#沉降板預(yù)測(cè)的全部沉降為121.9 mm,路堤填筑完成6個(gè)月時(shí),已完成的沉降占全部沉降的89%,12個(gè)月時(shí)為94%,18個(gè)月時(shí)為95%,24個(gè)月時(shí)為96%;2#沉降板預(yù)測(cè)的全部沉降為117.2 mm,路堤填筑完成6個(gè)月時(shí),已完成的沉降占全部沉降的92%,12個(gè)月時(shí)為95%,18個(gè)月時(shí)為96%,24個(gè)月時(shí)為97%;3#沉降板預(yù)測(cè)的全部沉降為79.2 mm,路堤填筑完成6個(gè)月時(shí),已完成的沉降占最終沉降的86%,12個(gè)月時(shí)為92%,18個(gè)月時(shí)為96%,24個(gè)月時(shí)為98%。
綜上所述,飽和黃土地基采用水泥土攪拌樁處理后,填筑完成6個(gè)月內(nèi)已完成的沉降占全部沉降的85%以上,填筑完成2年內(nèi)完成的沉降占全部沉降的96%以上,復(fù)合地基沉降主要發(fā)生在路基填筑期間及填筑完成后半年內(nèi)。
TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定路基的沉降應(yīng)滿足設(shè)計(jì)時(shí)速160 km的Ⅰ級(jí)鐵路路基沉降不應(yīng)大于20 cm,沉降速率不應(yīng)大于5 cm /年。鐵建設(shè)[2005]140號(hào)《新建時(shí)速200~250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[9]規(guī)定路基的沉降應(yīng)滿足設(shè)計(jì)時(shí)速200 km的鐵路路基沉降一般地段不大于15 cm,沉降速率不大于4 cm /年。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定有砟軌道正線路基沉降應(yīng)滿足設(shè)計(jì)時(shí)速250 km 的鐵路路基沉降一般地段不大于10 cm,沉降速率不大于3 cm /年;設(shè)計(jì)時(shí)速300,350 km的鐵路路基沉降一般地段不大于5 cm,沉降速率不大于2 cm /年。
該線為時(shí)速160 km的Ⅰ級(jí)鐵路,通過(guò)沉降觀測(cè)及預(yù)測(cè)分析得出斷面DK48+480、斷面DK48+820與斷面DK48+610的沉降和沉降速率,見表5。
表5 有砟軌道路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)
由表5可知,斷面DK48+480、斷面DK48+820及斷面DK48+610的沉降及沉降速率均能達(dá)到設(shè)計(jì)速度為160~250 km/h有砟軌道鐵路路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。表明在飽和黃土地區(qū)使用水泥摻量為12%,16%及20%的水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降能夠達(dá)到該鐵路設(shè)計(jì)的路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn),并且能夠滿足鐵路適當(dāng)提速對(duì)路基沉降的要求。
相同路堤荷載下,水泥摻量較高的水泥土攪拌樁復(fù)合地基最終沉降較小,路基最終沉降為S∞12%>S∞16%>S∞20%,說(shuō)明水泥土攪拌樁的水泥摻量越高,復(fù)合地基的沉降及沉降速率越小,其沉降控制效果也越好。
1)運(yùn)用雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法預(yù)測(cè)水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降并進(jìn)行曲線擬合,雙曲線法和三點(diǎn)法的擬合效果較好,預(yù)測(cè)沉降誤差較小,能夠反映復(fù)合地基的沉降發(fā)展趨勢(shì)。
2)路堤荷載下水泥土攪拌樁加固飽和黃土復(fù)合地基的沉降主要發(fā)生在路基填筑期間及填筑完成后半年內(nèi)。
3)水泥摻量對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降影響較明顯,相同路堤荷載下水泥摻和比越高,復(fù)合地基沉降越小,沉降控制效果越好,復(fù)合地基的最終沉降也越小。
4)采用水泥摻量為12%,16%及20%的水泥土攪拌樁加固飽和黃土復(fù)合地基的沉降能夠達(dá)到該鐵路路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。從滿足該線運(yùn)營(yíng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮,推薦采用水泥摻量12%的水泥土攪拌樁處理飽和黃土地基。
5)從滿足鐵路適當(dāng)提速時(shí)對(duì)路基沉降的要求考慮,水泥摻量為12%,16%的水泥土攪拌樁復(fù)合地基可在時(shí)速160,200 km/h的Ⅰ級(jí)鐵路路基工程中應(yīng)用,水泥摻量為20%的水泥土攪拌樁復(fù)合地基可在時(shí)速250 km/h有砟軌道鐵路路基工程中應(yīng)用。