李 鑫
(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)
深厚軟土普遍存在于我國東北地區(qū),表現(xiàn)為明顯的“三高兩低”特性(高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低滲透性、低強(qiáng)度)[1]。隨著高速鐵路大規(guī)模建造,如何正確分析地基深厚軟土力學(xué)特性以及有效控制路基地基沉降,已經(jīng)成為高速鐵路設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵性技術(shù)之一[2]。
為解決軟土“三高兩低”工程問題,雷華陽等針對天津?yàn)I海地區(qū)吹填土的工程力學(xué)特性進(jìn)行廣泛的研究,利用室內(nèi)載荷試驗(yàn)和數(shù)值模擬開展對雙層軟黏土地基的承載特性及破壞模式研究[3-4];豆紅強(qiáng)借助有限元軟件,研究超高填方路堤荷載下傳統(tǒng)復(fù)合地基樁體的受荷模式及路基穩(wěn)定性[5];邵國霞依托于路基工程,開展多種復(fù)合地基處理深厚軟土路基的現(xiàn)場試驗(yàn),并研究不同墊層條件下管樁復(fù)合地基受力和變形規(guī)律[6]。為進(jìn)一步研究軟土地基路基物理力學(xué)特性,依托東北地區(qū)某新建350 km/h的高速鐵路路基工程,通過一系列宏觀試驗(yàn),并結(jié)合工后沉降檢算,提出適用于該片區(qū)的地基加固手段。
代表性工點(diǎn)位于開峰林場1號大橋與開峰林場2號大橋之間,線路以填挖相間通過,地形略有起伏,大部分為林區(qū),植被茂密;線路中心最大填高為5.56 m,路堤邊坡最大高度為8.0 m,線路中心最大挖深為3.25 m,路塹邊坡最大高度為3.50 m,工點(diǎn)線位平面位置如圖1所示。
圖1 工點(diǎn)平面位置
上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土,層厚8 m,硬塑,σ0=120~160 kPa;粉質(zhì)黏土,層厚2 m,硬塑,σ0=160 kPa。第四系下更新統(tǒng)坡洪積層黏土,層厚4 m,硬塑,σ0=180 kPa;粉質(zhì)黏土,層厚4 m,硬塑,σ0=180 kPa。下伏第四系下更新統(tǒng)玄武巖,強(qiáng)風(fēng)化σ0=500 kPa,弱風(fēng)化σ0=1 000 kPa?,F(xiàn)場工點(diǎn)鉆探取樣如圖2所示。
圖2 鉆探取樣
路基區(qū)域內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水,勘測期間地下水埋深為1.40~9.10 m(高程785.04~798.94 m),主要由大氣降水補(bǔ)給,水位季節(jié)變化幅度2.0~3.0 m,地下水對鐵路混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。
土壤最大凍結(jié)深度1.98 m;
地震動峰值加速度:0.05g(Ⅵ度);
特殊巖土:表層黏性土具中等膨脹性。
為對工點(diǎn)范圍內(nèi)地基土的物理特性進(jìn)行研究,選取DK387+140處鉆探土樣進(jìn)行天然含水率、天然密度、初始孔隙比、飽和度、液塑限等物理指標(biāo)測試[7-8]。
表1揭示了松軟土各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨地基深度變化的規(guī)律,土樣的天然密度隨著深度變化不大,天然密度在1.89~1.92 g/cm3范圍內(nèi)波動,土樣飽和度均在85%以上,表明高飽和度是軟土的共同特點(diǎn)[9];天然含水率隨深度逐漸提高,在深度8 m處達(dá)到最高值,8 m以下土樣含水率呈下降的趨勢,14 m深度的土樣含水率降至最低;初始孔隙比隨深度的變化規(guī)律與含水率變化規(guī)律相似,土樣在2~8 m區(qū)間范圍內(nèi),指標(biāo)逐漸上升,在8 m處到達(dá)峰值,8 m深度以下,初始孔隙比與飽和度逐漸降低,在14 m位置處降至最低。這可能是由于各深度軟土處于不同的固結(jié)狀態(tài)[10],從而導(dǎo)致數(shù)值的差異。
表1 試驗(yàn)土樣基本物理參數(shù)
液性指數(shù)是判斷土軟硬狀態(tài)的指數(shù),用于確定黏性土的狀態(tài)和極限承載能力[11]。圖3為各深度土樣液性指數(shù)隨深度的變化情況,可以看出,在表層0~4 m范圍內(nèi),液性指數(shù)≤0.25,土體處于硬塑狀態(tài);4~12 m范圍內(nèi)液性指數(shù)大多在0.25~0.32之間,處于可塑狀態(tài);14 m以下,液性指數(shù)達(dá)到最低值0.18,這時土體處于硬塑狀態(tài)。由此可見,表層土體(0~4 m)相較于中層土體(4~12 m)為一硬殼層[12]。底層土體(>14 m)的液性指數(shù)最低,這與上述含水率、孔隙比的變化規(guī)律相吻合,同一種土含水量越大則液性指數(shù)越大,土質(zhì)越軟。進(jìn)一步說明同一種軟土,由于所處固結(jié)狀態(tài)不同,在不同深度范圍各項(xiàng)物理特性指標(biāo)在一定范圍浮動。
圖3 液性指數(shù)隨土層深度變化曲線
為進(jìn)一步探究地基土力學(xué)特性隨土層深度的變化規(guī)律,選取DK387+140、DK387+150兩處土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn),試樣制備如表2所示,試樣及試驗(yàn)儀器如圖4所示。
表2 試驗(yàn)土樣制備
圖4 試樣及試驗(yàn)儀器
在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中,不對試塊側(cè)邊加以限制,而實(shí)際上,地基土具有側(cè)限抗壓強(qiáng)度,故無側(cè)限抗壓強(qiáng)度只是一種理論試驗(yàn)值[13]。圖5描述了鉆探土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律,可以看出,兩處土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度變化的趨勢相似,在0~8 m深度范圍內(nèi),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度不斷下降,在8 m位置處最低(約50 kPa);在8~14 m的深度范圍內(nèi),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷上升,在14 m深度處的強(qiáng)度與表層強(qiáng)度接近(接近70 kPa),其原因可能是深度4~8 m位置處存在軟弱夾層,致使土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在8 m附近最低。
圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨土層深度變化曲線
黏聚力的大小直接反應(yīng)出土體顆粒之間的相互吸引力[14],圖6為土樣黏聚力隨土層深度變化的曲線,兩處土樣在0~8 m深度范圍內(nèi),黏聚力不斷下降,在8 m位置處黏聚力為最低點(diǎn),強(qiáng)度下降約20%。8 m以下,黏聚力逐漸回升,14 m處黏聚力恢復(fù)到表層硬殼層的強(qiáng)度。這可能是由于表層土(0~4 m)與底層土體(>14 m)固結(jié)程度較高,孔隙水壓力消散程度較高,土顆粒之間的間距較小,因此土體顆粒之間的相互吸引力較高。土的內(nèi)摩擦角是評價土體抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo),圖7揭示了內(nèi)摩擦角隨土層深度的變化曲線,與黏聚力隨土層深度的變化規(guī)律相似,在0~8 m深度范圍內(nèi),內(nèi)摩擦角隨土層深度不斷降低,下降約1/4;自8 m深度以下,內(nèi)摩擦角數(shù)值不斷回升,在深度14 m處,達(dá)到最高值,其數(shù)值約為8 m處的2倍。
圖6 黏聚力隨土層深度變化曲線
圖7 內(nèi)摩擦角隨土層深度變化曲線
壓縮模量是衡量土體壓縮性高低的一個重要指標(biāo),也是用來計(jì)算地基沉降的一個重要參數(shù)[15]。圖8描述了土樣壓縮模量隨取樣深度的變化規(guī)律,可以看出,整體上地基土的壓縮模量在4~15 MPa范圍內(nèi),屬于中壓縮性土,取樣深度在0~8 m范圍變化時,壓縮模量隨深度增加不斷下降,在8 m位置處,僅為6 MPa,接近高壓縮性土與中壓縮性土的界限值;8 m深度以下,土樣壓縮模量逐漸上升,在14 m位置處壓縮模量約為11 MPa,相較于8 m位置的土樣,壓縮模量提高近一倍;這與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力隨深度的變化規(guī)律一致,證實(shí)4~8 m位置處存在軟弱夾層的可能性。
圖8 壓縮模量隨土層深度變化曲線
對于350 km/h高速鐵路無砟軌道路基,規(guī)范要求一般地段工后沉降≤15 mm,橋臺臺尾過渡段工后沉降≤5 mm。選取DK387+140處作為代表性斷面進(jìn)行沉降驗(yàn)算,因DK387+140斷面不在過渡段范圍內(nèi),沉降按15 mm控制,沉降檢算采用《規(guī)范》推薦法。
(1)
工后沉降與樁長的關(guān)系曲線如圖9所示,結(jié)果顯示,樁長為8~16 m時,工后沉降隨著樁長變化線性降低,采用8 m樁長時,工后沉降高達(dá)50 mm,這是由于地基土在8 m深度附近存在軟土夾層,致使沉降不能滿足規(guī)范要求,當(dāng)CFG樁長增加至16 m時,工后沉降降至15 mm,工后沉降降低約70%,這說明CFG樁穿透軟弱土層至持力層后,工后沉降滿足規(guī)范要求,當(dāng)樁長繼續(xù)增加時,工后沉降變化不大,考慮到工程造價的因素,該區(qū)域的最優(yōu)樁長為16 m。
圖9 工后沉降隨樁長變化曲線
(1)研究區(qū)深厚軟土地基表層土體(0~4 m)為一個硬殼層;中層土體(4~12 m)為軟弱夾層;底層土體(>14 m)的液性指數(shù)最低,固結(jié)程度最高。
(2)在0~8 m深度范圍內(nèi),土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量等強(qiáng)度指標(biāo)不斷下降,在8 m位置處降至最低;8~14 m的深度變化范圍內(nèi),強(qiáng)度指標(biāo)不斷上升,在14 m深度處達(dá)到峰值。
(3)采用樁徑0.40 m,樁間距1.8 m的CFG樁進(jìn)行軟土地基加固處理時,工后沉降隨著樁長的增加線性降低,本工點(diǎn)的最優(yōu)樁長為16 m。