張 振，劉洪偉，葉觀寶，饒烽瑞，戚得健

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院 地下建筑與工程系 / 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施已然不能滿足日益增長(zhǎng)的交通流量需求。為了解決這一問(wèn)題，最常用的辦法是對(duì)既有線路（公路、鐵路）進(jìn)行路基拓寬以增設(shè)復(fù)線[1-5]。然而，新舊路基結(jié)合部差異沉降控制一直是路基拓寬工程中關(guān)注的核心問(wèn)題。

目前，主要采取兩種方式來(lái)解決新舊路基之間的不均勻沉降：采用地基處理方法加固拓寬路堤下地基，以減小新建路基的變形[6-11]；采用輕質(zhì)填料減少新建路堤自重，以減小地基的附加應(yīng)力[12-13]。氣泡輕質(zhì)土是將預(yù)制泡沫與水泥漿均勻混合，亦可摻入其他骨料（如黏土和砂），后經(jīng)澆筑養(yǎng)護(hù)形成的一種含有大量封閉氣孔的輕質(zhì)土工材料。因其自身具有輕質(zhì)性、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)、自立性好等優(yōu)點(diǎn)，在路基拓寬工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[14-17]。然而，將氣泡輕質(zhì)土應(yīng)用于高鐵拓寬路基的研究較少，采用輕質(zhì)土拓寬能否滿足高鐵運(yùn)行對(duì)軌道的平順性和路基差異沉降控制要求有待進(jìn)一步研究。

本文開(kāi)展了氣泡輕質(zhì)土高鐵拓寬路基的離心模型試驗(yàn)。對(duì)比分析了采用常規(guī)填料和氣泡輕質(zhì)土填料拓寬后的新老路堤沉降、地基土中孔隙水壓力和土壓力的變化規(guī)律。本文的研究成果對(duì)指導(dǎo)氣泡輕質(zhì)土在高鐵路基拓寬工程中的應(yīng)用具有指導(dǎo)價(jià)值。

1 離心機(jī)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與模型材料

本次離心試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)TLJ-150型土工離心機(jī)，最大離心加速度為50 g。模型試驗(yàn)相似比為1∶50。模型箱內(nèi)部尺寸為 900 mm×500 mm×700 mm（長(zhǎng)×寬×高），模型箱一側(cè)為透明有機(jī)玻璃板，以便于在試驗(yàn)過(guò)程中觀察路基變形情況。

試驗(yàn)材料主要包括砂土、軟土和氣泡輕質(zhì)土三部分。砂土層采用細(xì)砂。軟土采用高嶺土、重晶石粉和水按1∶1∶1配置而成。常規(guī)路堤填料采用細(xì)砂和上述人工軟土按質(zhì)量比10∶1配置而成。氣泡輕質(zhì)土由水泥、空氣泡沫和水組成。表1列出了模型試驗(yàn)中材料的基本物理力學(xué)參數(shù)。

表1 離心模型試驗(yàn)材料參數(shù)Table 1 Material parameters of centrifugal model test

1.2 試驗(yàn)方案

本次離心模型試驗(yàn)共設(shè)置兩組：CMT-1為常規(guī)填料拓寬，CMT-2為氣泡輕質(zhì)土拓寬。圖1為模型試驗(yàn)示意圖。在每組試驗(yàn)中都布設(shè)了激光位移計(jì)、微型孔壓計(jì)和微型土壓力計(jì)（如圖1所示），用來(lái)監(jiān)測(cè)路基拓寬過(guò)程中地基土（軟土）的沉降，孔壓消散情況和土壓力的變化。

圖1 離心模型試驗(yàn)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of centrifugal model test

每一組離心模型試驗(yàn)分3個(gè)階段：（1）地基自重固結(jié)階段：將填筑好的軟土模型箱在50 g的離心加速度下運(yùn)行16 h，完成自重固結(jié)，50 g條件下，相當(dāng)于原型地基土經(jīng)過(guò)約4.6年的自重固結(jié)；（2）原線路運(yùn)營(yíng)階段：暫停離心機(jī)，在模型箱一側(cè)填筑原路基，在路基頂面放置荷載鐵塊，啟動(dòng)離心機(jī)，在50 g條件下運(yùn)行11 h，相當(dāng)于原路基成型后經(jīng)過(guò)約3.2年的固結(jié)以模擬高鐵路基實(shí)際運(yùn)行工況；（3）拓寬路基運(yùn)營(yíng)階段：暫停離心機(jī)，在模型箱原路基坡面一側(cè)繼續(xù)填筑拓寬路基，在拓寬路基頂面放置荷載鐵塊，啟動(dòng)離心機(jī)，在50 g條件下運(yùn)行6.5 h，相當(dāng)于拓寬路基成型后經(jīng)過(guò)約1.9年的固結(jié)以模擬高鐵路基拓寬后的運(yùn)行工況。

1.3 模型制作

模型制作前，在模型箱內(nèi)壁四周涂一層凡士林，而后鋪設(shè)一層塑料薄膜以減小側(cè)壁摩阻力。同時(shí)在模型箱的4個(gè)角插入PVC管，用來(lái)收集地基土在固結(jié)過(guò)程中排出的水。針對(duì)本次離心試驗(yàn)的軟土，含水量選擇33%時(shí)，泥漿流動(dòng)性較好，且自重固結(jié)過(guò)程中排出的水量也較少。模型箱底部鋪設(shè)一層50 mm厚的細(xì)砂模擬硬土層。將配置好的軟土泥漿倒入模型箱中，填筑厚度為450 mm，靜止24 h。地基土完成50 g下的自重固結(jié)后，清除積水，將地基土修平至400 mm厚。

模型地基準(zhǔn)備完成后，填筑模型原路堤。原路堤高150 mm，底部寬250 mm，坡度為1∶1。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)規(guī)定，無(wú)砟軌道的高鐵列車分布寬度為 3 m，包括高鐵軌道結(jié)構(gòu)和高鐵荷載產(chǎn)生的總荷載為67.5 kN/m2。因此本次試驗(yàn)在路堤頂面放置高度 20 mm、寬度 30 mm、密度為7.6 g/cm3的鐵塊，以模擬路堤上方的總荷載[18]。完成原路堤階段運(yùn)營(yíng)模擬后，暫停離心機(jī)，在原路基坡面一側(cè)填筑拓寬路基。拓寬路堤頂部與原路堤齊平，底部寬300 mm，坡度為1∶1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔隙水壓力

表2匯總了各階段結(jié)束時(shí)各點(diǎn)的超孔隙水壓力。在地基土自重固結(jié)階段，地基土中超孔隙水壓力已趨近于 0，地基土已基本完成自重固結(jié)。在原路堤運(yùn)營(yíng)階段，地基土中超孔隙水壓力亦趨近于0，說(shuō)明在既有路堤及高鐵荷載作用下地基土已基本完成固結(jié)變形。

表2 各階段最終超孔壓監(jiān)測(cè)值Table 2 Final values of excess pore pressure in each stage kPa

圖2為拓寬路基運(yùn)營(yíng)階段地基土中超孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線。隨著離心機(jī)加速至50 g，地基土中超靜孔隙水壓力逐漸升高，且拓寬路堤正下方地基土中超孔壓升高較高（W2和W4），隨后逐漸消散。采用常規(guī)填料拓寬，W2和W4測(cè)點(diǎn)的超靜孔壓增量為110 kPa和65 kPa；而采用氣泡輕質(zhì)土拓寬，W2和 W4測(cè)點(diǎn)的超靜孔壓增量為 60 kPa和30 kPa，減小了約50%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CMT-1中各測(cè)點(diǎn)的殘余超靜孔壓為 5～17 kPa，CMT-2中各測(cè)點(diǎn)的殘余超靜孔壓僅為1～7 kPa，可以認(rèn)為地基已基本完成固結(jié)。采用氣泡輕質(zhì)土進(jìn)行路堤拓寬，由于其輕質(zhì)性，顯著減小了由于路基拓寬在地基土中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，同時(shí)相同運(yùn)營(yíng)時(shí)間后，地基土中的殘余超靜孔隙水壓力也更小。

圖2 拓寬路基階段超孔壓消散Fig. 2 Dissipation of excess pore pressure during embankment widening

2.2 沉降與差異沉降

圖3為原路堤運(yùn)營(yíng)和拓寬路基運(yùn)營(yíng)階段路堤頂面沉降隨時(shí)間發(fā)展曲線。由于在既有路堤和拓寬路堤填筑時(shí)控制相對(duì)密度為70%，常規(guī)填料路堤本身的壓縮量已很小，而對(duì)于輕質(zhì)土填料路堤，其總荷載為氣泡輕質(zhì)土材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的6%，其對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)下的材料應(yīng)變約為0.1‰，因此，可以認(rèn)為在拓寬路堤運(yùn)營(yíng)階段，路堤產(chǎn)生的沉降和差異沉降主要是由于軟土路基變形引起的。CMT-1和CMT-2在原路堤運(yùn)營(yíng)階段的最終沉降基本一致，分別為27.58 mm和30.28 mm（激光位移計(jì)實(shí)測(cè)值），說(shuō)明試驗(yàn)操作和模型制作具有較好的可重復(fù)性。拓寬路堤運(yùn)營(yíng)階段不僅會(huì)造成拓寬路堤的沉降，而且會(huì)引起既有路堤的附加沉降，且采用氣泡輕質(zhì)土引起的新老路堤沉降約為采用常規(guī)填料的50%。拓寬路堤運(yùn)營(yíng)階段，CMT-1和CMT-2中原路堤和拓寬路堤產(chǎn)生的差異沉降分別為1.86%和0.87%（見(jiàn)表3）。

圖3 路基沉降圖Fig. 3 Settlement of embankment

表3 路堤沉降與差異沉降Table 3 Settlement and differential settlement of embankment

3 土壓力分布

圖4為拓寬路堤引起的地基土總應(yīng)力增量分布云圖。地基土總應(yīng)力增量云圖采用隨機(jī)網(wǎng)格法將各土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)離散成數(shù)據(jù)矩陣。由圖可知，云圖分布與監(jiān)測(cè)值基本一致。路基拓寬引起的附加應(yīng)力主要集中在新老路基交界處靠近拓寬路堤一側(cè)，同時(shí)，仍會(huì)引起原路堤下土中附加應(yīng)力的增加，但對(duì)原路堤地基土的附加應(yīng)力影響較小。采用氣泡輕質(zhì)土拓寬后，地基中的附加應(yīng)力增量約為常規(guī)填料的50%，高于氣泡輕質(zhì)土與常規(guī)填料的密度比0.41。這主要是因?yàn)槁返添斆骅F塊的影響。采用氣泡輕質(zhì)土作為拓寬路基填筑材料，可以有效地減少拓寬路堤對(duì)地基土造成的附加應(yīng)力。

圖4 路堤拓寬引起的地基土壓力增量分布圖Fig. 4 Distribution of earth pressure increment caused by embankment widening

4 結(jié) 論

（1）路堤拓寬時(shí)會(huì)造成拓寬路堤正下方地基土中超孔壓顯著升高。采用氣泡輕質(zhì)土進(jìn)行路堤拓寬，地基土中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力約為常規(guī)填料的50%，同時(shí)相同運(yùn)營(yíng)時(shí)間后，地基土中的殘余超靜孔隙水壓力也更小。

（2）拓寬路堤運(yùn)營(yíng)階段不僅會(huì)造成拓寬路堤的沉降，而且會(huì)引起既有路堤的附加沉降，采用常規(guī)填料和氣泡輕質(zhì)土填料引起的新老路堤差異沉降分別為1.86 %和0.87%。

（3）路基拓寬引起的附加應(yīng)力主要集中在新老路基交界處靠近拓寬路堤一側(cè)，仍會(huì)引起原路堤下土中附加應(yīng)力的增加，但對(duì)原路堤地基土的附加應(yīng)力影響較小。采用氣泡輕質(zhì)土拓寬后，地基中的附加應(yīng)力增量約為常規(guī)填料的50%。