姚裕春 李安洪 袁碧玉

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.成都信息工程大學， 成都 610103)

海南環(huán)島高速鐵路是世界上首條環(huán)島式海洋鐵路，設計速度250 km/h，其中?？谥撩捞m機場采用無砟軌道，美蘭機場至三亞采用有砟軌道。海南島地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候，年降水量在 1 000～2 600 mm之間，每年5～10月總降水量達 1 500 mm左右；此外海南是我國臺風登陸最頻繁的省份之一，每年平均有5個及以上的臺風在這里登陸，較強級別的就有1～3個，需要研究強降雨、強臺風對鐵路路基邊坡的影響及路基邊坡加固防護措施。 海南地基土層主要為花崗巖全風化層，需要研究花崗巖全風化層路基的沉降特性及修建高速鐵路的地基處理技術。海南環(huán)島高速鐵路所經(jīng)過地區(qū)大部分為花崗巖地層，花崗巖全風化層屬C組細粒土，不能直接作為高速鐵路路基填料，需要研究其改良用作高速鐵路路基填料的適用性和應用條件。海南環(huán)島高速鐵路是我國首條城際旅游客運專線，需要結合海南自然、人文環(huán)境把該鐵路建設為“景觀長廊、生態(tài)鐵路”。美蘭機場1.73 km控制性 U型槽工程，需要解決高烈度地震、高地下水位、砂性地層強涌水、U型槽高懸臂長拉槽等技術難題。

本文主要從花崗巖全風化層地基處理技術，強降雨、強臺風路基邊坡加固技術，花崗巖全風化層填料改良技術三個方面進行介紹。

1 花崗巖全風化層地基處理技術

海南環(huán)島高速鐵路地基大多為花崗巖全風化層，對于柔性基礎下全風化花崗巖地層地基沉降特性的研究較少，以往對全風化花崗巖性質(zhì)的研究，地域范圍主要集中在福建、廣東等地，且研究內(nèi)容主要集中在花崗巖全風化層的分布特征、工程分類、地基承載力、強度指標及填料改良方面[1-9]。沉降控制是高速鐵路主要控制因素之一，開展高速鐵路花崗巖全風化層地基處理技術研究，既可滿足高速鐵路的沉降變形控制要求，又能避免實測沉降明顯小于計算沉降造成工程浪費，還可有效指導工期受限情況下合理、經(jīng)濟的工程加固措施的選擇。

1.1 花崗巖全風化層物理力學性質(zhì)[10]

1.1.1花崗巖全風化層液塑限

選擇DK 67+640、DK 67+650、DK 108+923、DK 108+927斷面進行了6組液、塑限試驗，結果如表1所示。試驗結果表明，全風化層的天然含水率w在16.7%～34.0%之間，塑限WP在17.7%～31.4%之間，液限WL在26.0%～49.3%之間，塑性指數(shù)IP在6.1～17.9之間，天然密度ρ在1.88～2.11 g/cm3之間?；◢弾r全風化層的均勻性較差，塑性指數(shù)、液限、塑限隨埋深的增大逐漸減小，地表5～8 m呈現(xiàn)出粘性土性質(zhì)，隨地基埋深的增加，地基呈現(xiàn)出粉土的性質(zhì)。

表1 液塑限試驗結果表

1.1.2花崗巖全風化層顆粒組成

海南環(huán)島高速鐵路花崗巖全風化層主要成分是石英和高嶺石，膠結物主要為游離氧化物，土中大、小孔隙發(fā)育，細顆粒部分具有較好的塑性，粗顆粒部分為花崗巖風化碎屑，同時含有大量粗砂和礫粒。顆粒種類分布廣泛，試驗得到的顆粒級配曲線如圖1所示[10]。不均勻系數(shù)Cu在 28.9～178.2之間，曲率系數(shù)Cc在0.13～0.78之間，表明全風化花崗巖的顆粒分布不均勻，粒徑范圍變化較大，主要為細砂以下粒組和中砂以上粒組。

圖1 全風化花崗巖顆粒組成圖

對比福建、廣東花崗巖全風化層顆粒分布情況[11]，結果表明，海南環(huán)島高速鐵路全風化花崗巖的顆粒分布規(guī)律與廣東地區(qū)的全風化花崗巖接近，但細粒土含量略高；與福建地區(qū)全風化花崗巖相比，其粘粒含量偏低，孔隙比小，土體密度大，壓縮性不高。

1.1.3花崗巖全風化層壓縮試驗

對海南環(huán)島高速鐵路飽和花崗巖全風化層進行了6組土樣的固結壓縮試驗，試驗結果如表2所示。得到全風化層地基土的壓縮系數(shù)a0.1-0.2在0.141～0.284 MPa-1之間，為中低壓縮性土[12]，壓縮模量Es0.1-0.2在3.5～6.8 MPa之間。鑒于固結試驗得到的壓縮模量較低，建議采用標準貫入試驗結果[8]。花崗巖全風化層的內(nèi)摩擦角為24.09°～34.7°，粘聚力為9.5～62.7 kPa。

表2 固結壓縮試驗結果表

1.2 花崗巖全風化層路基沉降特性

1.2.1沉降特性離心模型試驗

采用現(xiàn)場花崗巖全風化層地基土開展了路基沉降特性離心模型試驗模擬[13]，模擬路基填高5 m、填筑時間100 d、放置時間90 d。試驗模擬了3種地基條件：試驗Ⅰ為天然地基，試驗Ⅱ為天然地基+強夯處理，試驗Ⅲ為地基表層4.5 m厚軟土采用水泥攪拌樁處理+全風化層地基，試驗結果如表3所示。

表3 離心模型試驗結果表

1.2.2沉降特性數(shù)值模擬

采用數(shù)值分析方法模擬了DK 67+630、DK 67+666、DK 79+065、DK 79+399路基的沉降特性，4個斷面的模擬條件如表4所示。各個斷面在不同填筑期、90 d放置期及運營后的沉降-時間關系曲線如 圖2所示，沉降變形數(shù)值模擬結果如表5所示。

結果表明，在填土荷載初期，沉降大致呈線性變化，隨著時間的推移，填土荷載逐漸增加，路基填筑完成放置3個月的工后沉降滿足有砟軌道高速鐵路工后沉降的要求，但不滿足無砟軌道鐵路工后沉降要求。

表4 數(shù)值模擬情況表

表5 數(shù)值模擬結果表

1.2.3沉降特性現(xiàn)場監(jiān)測

對DK 67+630、DK 67+666、DK 79+065、DK 79+399路基的沉降進行了現(xiàn)場監(jiān)測，現(xiàn)場路基填筑時間約為205～210 d，4斷面現(xiàn)場實測的沉降-時間關系曲線如圖3所示，沉降變形現(xiàn)場觀測結果如表6所示。

圖2 各斷面數(shù)值模擬沉降-時間關系圖

圖3 各斷面現(xiàn)場實測沉降-時間關系圖

表6 現(xiàn)場實測結果表

1.3 高速鐵路花崗巖全風化層地基處理原則

從表3、表5和表6可以看出，花崗巖全風化層路基在施工+放置期的沉降完成比例可達75%～90%，施工期完成沉降明顯高于GB 50007-2002《建筑地基基礎設計規(guī)范》中等壓縮性土的20%～50%。離心模型試驗中，路堤填筑期完成總沉降的比例較小，其原因在于：模型制作時，花崗巖全風化層存在液化現(xiàn)象。數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的工后沉降基本滿足無砟軌道高速鐵路的要求。綜合分析，提出中低壓縮花崗巖全風化層地基的處理原則。

(1)有砟軌道高速鐵路

路基分層填筑完成后放置3～6個月，路基的沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定，有砟軌道地基處理原則如表7所示。

表7 有砟軌道地基處理原則表

由于海南環(huán)島高速鐵路全風化花崗巖屬中低壓縮性土，地基承載力較高，若沉降計算結果滿足表7，則可不需進行地基處理，高填方地段和過渡段可采用沖擊碾壓、重型碾壓對地基表層進行處理，然后即可填筑路堤工程；當沉降計算結果表明需進行地基處理時，一般可采用CFG樁進行加固，當?shù)鼗韺由细灿兴绍浲粱蜍浲粒页两涤嬎憬Y果滿足表7地基不需加固處理條件時，通常對表層松軟土或軟土采取挖除換填、水泥土攪拌樁、CFG樁等復合地基措施進行處理。

(2)無砟軌道高速鐵路

在路基分層填筑完成后，放置時間不少于6個月，監(jiān)測的工后沉降基本滿足無砟軌道沉降控制要求。由于地基淺層5～8 m表現(xiàn)為粘性土性質(zhì)，且淺層沉降量大，同時考慮淺層地基土的不均勻性以及降雨等因素對地基淺層的影響，對地基淺層5～8 m采用強夯、堆載預壓、CFG樁等措施進行處理。對于地基表層存在松軟土、軟土的地段和過渡段，地基的處理深度應加大，且宜聯(lián)合堆載預壓措施。中低壓縮的全風化層可作為樁基的持力層。

2 強降雨、強臺風路基邊坡加固防護技術

海南雨量充沛，強臺風頻發(fā)，強降雨會使填筑路堤邊坡的表層土產(chǎn)生侵蝕，嚴重時造成邊坡失穩(wěn)，強臺風會使邊坡護坡植物的樹枝折斷，甚至連根拔起，從而影響鐵路的正常運營。研究強降雨和強臺風對路基邊坡的影響及邊坡加固防護措施對指導海南環(huán)島高速鐵路建設具有重要意義。

2.1 強降雨路基邊坡植被護坡技術

通過降雨模型試驗模擬了骨架護坡、骨架結合草本植物護坡、骨架結合灌木護坡及裸露邊坡在強降雨情況下的穩(wěn)定性。

模型試驗結果表明：邊坡骨架的設置把邊坡坡面分成了多個徑流區(qū)域，故可降低徑流的速度，減弱徑流的沖刷能力，骨架護坡可適當降低支骨架的間距；降雨強度越大對邊坡土體的侵蝕力越大，降雨徑流攜帶的土體主要是由降雨的濺蝕作用產(chǎn)生的，坡面設置植被防護，可有效減輕坡面侵蝕作用；草本植物和灌木均具有良好的護坡抗侵蝕效果，但單獨設置不能形成較為穩(wěn)定的生態(tài)群落，并易衰退，宜兩者結合方能達到長久穩(wěn)定的護坡效果。

圖4 路堤迎風坡面的風壓分布圖(Pa)

2.2 強臺風路基邊坡植被護坡技術

采用數(shù)值分析方法模擬了無自然森林和有自然森林兩種情況下的路堤風場。模擬計算中，環(huán)境溫度設為20 ℃，入口風速取30 m/s，路堤模型高度取為7 m，坡度1∶1.5，路基面寬度13.4 m，有自然森林情況，假設樹林高度為10 m。

(1)無自然森林情況

無自然森林情況下路堤迎風坡面的風壓分布如圖4所示。從圖4可以看出，臺風通過7.0 m高路堤邊坡時，在爬坡的過程中，風速逐漸增大，并在迎風面的路肩位置達到最大值，風速比平均值提高約60%，對邊坡本身及行車都會造成很大影響。邊坡背風面風速較小。

(2)有自然森林情況

有自然森林的路堤在迎風坡面的風壓分布如圖5所示。從圖5可以看出，有自然森林條件下，路基邊坡的風速和風壓較無自然森林時明顯降低。海南環(huán)島高速鐵路鐵路沿線密林分布較多，樹木高度也常在10 m以上，故可以有效降低臺風對路堤邊坡的影響。

圖5 路堤邊坡的風壓分布圖(Pa)

2.3 強降雨、強臺風路基邊坡加固技術

通過強降雨對路基邊坡侵蝕影響及強臺風對路基邊坡風壓分布影響的模擬分析，結合植物生長特點，提出強降雨、強臺風路基邊坡加固防護技術原則。

(1)設置護坡骨架可減弱徑流的沖刷能力，強降雨地區(qū)宜減小護坡骨架間距，骨架內(nèi)宜結合草本植物及灌木措施，以實現(xiàn)長久穩(wěn)定的護坡效果。

(2)路基邊坡迎風面的路肩附近是受風力影響最大的位置，邊坡防護應選擇抗風能力強的植物，并且需經(jīng)常修剪，控制冠幅，以提高其抗風能力。

(3)鐵路沿線宜栽植自然森林，能明顯降低強風對鐵路路基邊坡穩(wěn)定和行車安全的影響，發(fā)揮良好的抗風效能。

(4)海南環(huán)島高速鐵路路基宜選擇銀合歡結合莖稈柔韌、冠幅不大的低矮灌木對路基邊坡進行防護。

3 花崗巖全風化層填料改良技術

海南環(huán)島高速鐵路所經(jīng)過地區(qū)，地基表層土大部分為花崗巖全風化層，多為C組細粒土，不能直接作為高速鐵路路基填料，須改良后才能填筑使用。因此，需研究花崗巖全風化層用作高速鐵路路基基床底層和路堤本體填料的適應性。

3.1 花崗巖全風化層改良試驗

由于海南島缺乏石灰材料，并考慮旅游島的環(huán)境保護，故海南環(huán)島高速鐵路選擇采用摻加水泥的方案進行改良。全線選取了多組有代表性的花崗巖全風化層C組填料進行改良試驗研究[14]，水泥摻量分別采用3%、 5%、7%，通過試驗提出適宜的改良方案。

改良水泥采用P.042.5普通硅酸鹽水泥，無側限抗壓強度試驗采用5 cm×5 cm的試件尺寸，改良填料的養(yǎng)護時間為7 d和28 d，標準養(yǎng)護。

擊實試驗表明，水泥摻量<3%時，改良土的最佳含水量變化較小，水泥摻量>3%時，改良土的最佳含水量逐漸增大，水泥摻量7%左右時，改良土的最佳含水量比改良前增大約1%～2%，改良土的最佳密度隨水泥摻量的增大略有增大。試驗11號、15號、18號樣品分別在3%、5%、7%水泥摻量情況下的7 d和28 d無側限抗壓強度如圖6所示。

圖6 不同水泥摻量的無側限抗壓強度圖

從圖6可以看出，低液限的花崗巖全風化層采用水泥改良效果良好，隨著水泥摻量的增加，無側限抗壓強度逐漸增大，但增長率逐漸放緩，摻3%水泥改良土28 d的無側限抗壓強度在250～400 kPa之間，摻5%水泥改良土28 d的無側限抗壓強度在840～880 kPa之間，摻7%水泥改良土28 d的平均無側限抗壓強度可達1 227 kPa。

鑒于海南環(huán)島高速鐵路降雨量大、降雨時間長，路基基床表層結構采用級配碎石填筑，滲水性好，為保證路基基床底層具有足夠的強度和長期穩(wěn)定性，并保證路基邊坡具有較好的抗強降雨沖刷能力，設計時，路基基床底層花崗巖全風化層采用摻5%的水泥改良，路基本體采用摻3%的水泥改良。

3.2 花崗巖全風化層改良土現(xiàn)場施工

改良土路基的填筑應選擇非雨季施工，施工如偶遇降雨，需對路基進行下雨前后的質(zhì)量對比檢測。通過對路基未防護邊坡、土工格柵加固邊坡不同位置挖探試坑，檢測雨水作用的浸潤深度和不同深度處的含水率情況?，F(xiàn)場檢測表明：

(1)降雨后，路基基床表層以下改良土層的含水率增加。邊坡邊緣鋪設土工格柵后，含水率比未防護情況有所低，水穩(wěn)性得到提高，故全風化花崗巖填筑路基，高度大于3 m時，邊坡兩側宜分層鋪設土工格柵加固并加強排水。

(2)降雨時間較短時，少量雨水對全風化花崗巖改良土路基的沉降影響較小，但當路基面有積水且積水時間較長時，積水會逐漸滲透到改良土路基填筑體中，改良土會出現(xiàn)一定程度的軟化，對路基沉降變形控制造成較大的影響，因此，全風化花崗巖改良土填筑路基施工過程中，不得長期放置和積水，改良土不宜用作浸水路基填料。

4 結論

海南環(huán)島高速鐵路建設需解決花崗巖全風化層的地基處理，強降雨、強臺風路基邊坡的加固防護和花崗巖全風化層的填料改良三個關鍵技術問題。本文通過室內(nèi)試驗、模型試驗、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測等系統(tǒng)研究，得出以下主要結論：

(1)海南環(huán)島高速鐵路花崗巖全風化層地基土的壓縮系數(shù)在0.141～0.284 MPa-1之間，為中低壓縮性土，地基具有快速收斂的特性，施工+放置期的沉降完成比例可達75%～90%。固結試驗得到的壓縮模量較低，宜采用標準貫入試驗結果。

(2)花崗巖全風化層地基路堤，控制路堤填筑速率并放置3～6個月，路基沉降逐漸趨穩(wěn)；有砟軌道高速鐵路地基一般可不作處理，只對高填方地段和過渡段進行淺層處理；無砟軌道高速鐵路一般地段應對地基淺層5～8 m進行處理，高填方地段和過渡段應采用CFG樁加大處理深度，并宜聯(lián)合堆載預壓措施。地基表層存在軟土、松軟土時，花崗巖全風化層可作為上部加固處理措施的持力基礎。

(3)強降雨、強臺風路基宜采用小間距骨架結合草本植物及灌木措施進行邊坡防護，路堤邊坡迎風面路肩附近是受風力影響最大的位置，路堤邊坡迎風面路肩宜選擇銀合歡結合莖稈柔韌、冠幅不大的低矮灌木。

(4)花崗巖全風化層摻5%和3%的水泥進行改良可滿足高速鐵路基基床底層和路堤本體的填料要求，填筑高度大于3 m的路基邊坡兩側宜采用土工格柵加固并加強路基排水，改良土不宜用于浸水路基填料。