陶明安

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

近年來高鐵建設過程中，受征地拆遷、站房工程批復滯后與站前工程不同步、橋隧重難點工程施組調(diào)整及運架梁通道等因素的制約，路基工程預壓或靜置期不足的現(xiàn)象時有發(fā)生。依據(jù)有關規(guī)范的要求，需要采取針對性的措施以加速或控制沉降，確保工后沉降滿足軌道鋪設要求[1-3]。在路基填筑完成后，出現(xiàn)沉降觀測期不足的情況時，超載預壓技術是一種相對經(jīng)濟高效的沉降控制補強措施[4-6]。

在普速鐵路或公路工程建設過程中，一方面對預壓期不足下的超載設計理論重視不夠，設計階段超載參數(shù)(高度、底寬等)多為定性設置且缺乏嚴格的計算，導致補強的原則不夠明確、出具的方案不具有針對性和可靠性[7-9]。另一方面，重點研究施工階段通過基于變形觀測的沉降評估來確定卸載預壓土的時機。比較常用的卸載控制方法有：工后沉降法、荷載比法[10]、有效應力面積比法、沉降速率法[11]等，其中工后沉降法在剩余預壓期后評估的剩余沉降量更大且需要更多的堆載時間；荷載比例法常采用高度比例法進行計算，但底寬和坡率不同導致兩者并不匹配且不同荷載形式下基底的附加應力特征亦不相同；有效應力面積比法雖然克服了上述缺陷，但在等載工況下時，等沉降全部發(fā)生后再卸載仍然偏保守?；谇罢叩姆囱莩两迪禂?shù)法，用超載工況下的沉降修正系數(shù)推算等載工況下的實際沉降，忽視兩者計算深度范圍內(nèi)壓縮模量當量值的不同；沉降速率法由于控制的是變形輔助指標，因此存在一定的工后沉降超標風險。

由于工后沉降控制標準較低(一般地段為200～300 mm)，加之工程建設工期敏感度不高，過往超載設計與卸載方法尚能指導普速鐵路和公路工程的后續(xù)補強施工。而高速列車對高速鐵路軌道的平順性要求高，導致工期和工后沉降控制較為嚴格，在施工階段需要充分借助沉降觀測和評估才能最終確定后續(xù)卸載和鋪軌時機[12-13]，以滿足毫米級別的沉降控制標準。以上種種特征都對高速鐵路的超載補強設計理念和方法提出了更高的要求。

綜上，高速鐵路在建設領域中由于沉降觀測期不足，缺乏超載補強設計的相關理論和成熟的設計、計算方法，因此，迫切需要從定性階段轉(zhuǎn)化為定量階段?；诔d預壓需提前卸載至等載預壓的理念和沉降固結(jié)計算理論，建立高速鐵路路基工程沉降觀測期不足超載補強的原則和設計方法，可為今后類似項目提供技術參考與借鑒。

1 基于超載沉降量化計算的補強實施原則

依據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》6.10.1條的有關規(guī)定[2]，并非全部路基工程預壓或靜置期不滿足6個月的強制要求時，都必須采取補強措施。在超載補強設計與計算時，首先要明確超載補強的判定標準，在給定的剩余預壓期或靜置期(小于6個月)內(nèi)，原設計荷載工況條件下路基工程的工后沉降是否滿足規(guī)范中15 mm的要求，進而提出如下補強實施原則。

(1)經(jīng)計算不需補強情況

地基條件良好，在原設計荷載工況和剩余預壓或靜置期內(nèi)，工后沉降小于 15 mm 時，一般情況下不需要再次進行堆載補強?？紤]到巖土參數(shù)的離散性和計算經(jīng)驗的不足，以及實施堆載預壓的可行性(土源、架梁和施工通道等)，對經(jīng)計算不需補強工點可進行定性加強預壓。

(2)經(jīng)計算需堆載補強情況

在原設計荷載工況和剩余預壓或靜置期內(nèi)，工后沉降大于 15 mm 時，需要再次進行堆載補強。

此外，當路基基底為強風化或弱風化基巖時，或地基采用樁基+筏板的樁板地基結(jié)構(gòu)形式時，樁底由于進入強風化基巖，地基幾乎沒有沉降，因此僅需要消除路基填料本身的沉降量即可，而對于對填筑高度較大或換填較深的需要輔以定性預壓措施，加強沉降觀測，保證沉降觀測數(shù)據(jù)量滿足沉降評估的需要。

2 沉降計算理論依據(jù)

目前，高速鐵路路基工程地基處理領域主要采用的方法有挖除換填、樁基+樁帽的樁網(wǎng)復合地基、樁基+筏板的樁板地基結(jié)構(gòu)形式等[14-15]。其中，樁網(wǎng)復合地基沉降計算依據(jù)《鐵路工程地基處理技術規(guī)程》[16]和《建筑地基處理技術規(guī)范》[17]的有關規(guī)定，采用基于布辛奈斯克解和復合模量的分層總和法進行沉降計算；樁板結(jié)構(gòu)地基沉降計算依據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》[18]的相關規(guī)定，樁板結(jié)構(gòu)地基采用基于實體深基礎法的分層總和法進行沉降計算。

地基沉降的固結(jié)度計算依據(jù)《鐵路工程地基處理技術規(guī)程》和《建筑地基處理技術規(guī)范》的有關規(guī)定，一級或多級等速加荷條件下地基的平均固結(jié)度計算采用高木俊介法計算，對于復合地基加固區(qū)而言，可簡化采用周邊土層的固結(jié)度進行計算，排水路徑涉及不同固結(jié)系數(shù)土層時，可按照等效排水時間換算排水距離[19]。

3 超載補強計算方法研究

3.1 超載預壓須提前卸載至等載

如圖1所示，等載和超載條件下地基的總沉降分別為ΔH1和ΔH6，則存在

ΔH1<ΔH6

(1)

按照太沙基固結(jié)理論可知，相同的地基條件下，土體發(fā)生沉降的時間效應——固結(jié)度相同，假定到預壓截止日T1，地基平均固結(jié)度都為U1，則存在

ΔH2=(1-U1)ΔH1<ΔH7=(1-U1)ΔH6

(2)

與此前分析的一致，一直超載下去在預壓期結(jié)束后直接預測的工后沉降反而會更大，與超載預壓的初衷相違背，而從總沉降數(shù)據(jù)曲線中剔除超載因素的技術手段精度有限，故超載預壓需要提前卸載至等載，并結(jié)合卸載后實測的沉降變形數(shù)據(jù)進行回歸擬合推算工后沉降。

圖1 超載卸載至等載的沉降曲線計算示意

3.2 超載卸載時機的確定

沉降觀測周期和數(shù)據(jù)量決定著沉降評估的準確性，提前太多時間卸載，則超載持續(xù)時間太短，加速沉降的效果減弱。而臨近評估期再卸載，等載觀測期時間短、數(shù)據(jù)量少，則會影響工后沉降評估的精度和準確性，結(jié)合以往項目的經(jīng)驗，多數(shù)路基工程預壓或靜置期仍有3～5個月的時間，一般等載沉降數(shù)據(jù)觀測期宜為1～2個月。

3.3 超載卸載時沉降標準的確定

如圖1所示，等載工況下預壓截止日后的工后沉降為ΔH2，則有

ΔH2>15 mm

(3)

超載工況下超載卸載日后的工后沉降為ΔH8，等載觀測期的沉降為ΔH4，等載觀測期結(jié)束至預壓截止日后的工后沉降為ΔH9，便推導出

ΔH8=ΔH4+ΔH9

(4)

按照規(guī)范工后沉降評估標準要求

ΔH9≤15 mm

(5)

超載工況下卸載時發(fā)生的沉降為

ΔH1-ΔH8=ΔH1-ΔH4-ΔH9≥H1-ΔH4-15

(6)

設等載工況下的設計荷載為P，超載工況下的荷載為P+ΔP，則等載觀測期的沉降ΔH4主要由設計荷載P下的壓縮沉降ΔH10和超載荷載ΔP下已壓縮變形的回彈量ΔH11構(gòu)成。

設預壓截止日T3時的地基平均固結(jié)度為U3，則有

ΔH10=(U1-U3)ΔH6

(7)

設預壓截止日T3時超載荷載ΔP下已壓縮變形為ΔH12，則有

ΔH12=U3(ΔH6-ΔH1)

(8)

土體的卸荷回彈變形往往具有時間效應[20]，這里假定卸載回彈變形的時間效應滿足太沙基一維固結(jié)原理，從卸載起算固結(jié)起始時間，設時間T2內(nèi)的固結(jié)度為U2，則有

ΔH11=U2ΔH12=U2U3(ΔH6-ΔH1)

(9)

由ΔH4=ΔH6+ΔH1進一步推導出

ΔH4=(U1-U3)ΔH6+U2U3(ΔH6-ΔH1)

(10)

4 超載補強設計流程介紹

下面結(jié)合圖2，對預壓期不足工況下超載補強設計流程做進一步說明。

圖2 預壓期不足超載補強設計流程

(1)結(jié)合當前施工進度與組織安排，明確高速鐵路路基工程的剩余預壓期T1，并基于等載觀測期T2進步推算超載預壓期T3=T1-T2。

(2)依據(jù)地基沉降計算中的分層綜合法和高木俊介法，計算剩余預壓期T1內(nèi)等載工況下的地基總沉降量ΔH1、工后沉降量ΔH2以及一直等載條件下對應于等載觀測期內(nèi)T2內(nèi)的地基沉降量ΔH3。

(3)基于卸載變形仍滿足固結(jié)規(guī)律的假定，計算超載卸載至等載后到等載卸載的這段期間內(nèi)(T2)地基所產(chǎn)生的沉降ΔH4。

(4)給定初始超載預壓高度H1和底寬B1，計算超載工況下卸載至等載時地基沉降控制標準：ΔH1-ΔH4-ΔH0，其中ΔH0為規(guī)范要求的工后沉降控制標準。

(5)計算超載預壓期T3內(nèi)超載工況下的地基沉降量ΔH5，若ΔH5≥ΔH1-ΔH4-ΔH0，則完成本次超載補強設計，反之，進一步調(diào)整H1和B1以使其滿足超載卸載至等載的沉降控制標準。

5 結(jié)論與建議

針對高速鐵路路基工程沉降觀測期不足，超載補強設計難以指導工程實踐的現(xiàn)狀，基于超載預壓須提前卸載至等載預壓的理念，系統(tǒng)構(gòu)建了超載預壓補強原則的設計與計算方法，在今后的工程應用中加以改進和完善的同時，有以下幾個方面需要引起足夠的重視。

(1)由于巖土參數(shù)的離散性、沉降的時效性以及理論計算精度的有限性，超載補強設計可以指導后續(xù)施工，但最終仍需以沉降觀測及評估結(jié)論來確定預壓土卸載時間和鋪設無砟軌道的施工時機。

(2)超載補強設計時，需要及時對工點內(nèi)地基和支擋結(jié)構(gòu)進行檢算，以確保在超載工況下，地基承載力、樁板結(jié)構(gòu)的筏板配筋以及擋墻的滑動穩(wěn)定性等指標滿足要求。

(3)超載補強措施的設計與施工還需要結(jié)合外部施工環(huán)境進行調(diào)整：一方面超載預壓位于臨近既有線段落時，為避免超載引起臨近既有線發(fā)生較大附加沉降，建議盡量減少既有線側(cè)的堆載預壓。通過調(diào)整超載預壓土的位置和高度來實現(xiàn)超載補強效果；另一方面在有站房和雨棚柱等站前、站后工程交叉施工的地段，應充分考慮其對堆載預壓施工的干擾和影響，并及時優(yōu)化超載補強相關參數(shù)。