武廣鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基沉降評估技術(shù)

樂 紅,余 飛,韓 卓,周 偉

(中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

1 概述

超載預(yù)壓法是處理土層的方法之一。超載作為臨時荷載,在持續(xù)作用一定時間滿足使用荷載下的工后沉降要求后,須卸荷到使用荷載水平,其效果可以從超載卸除后地基在建筑物荷載作用下的后續(xù)變形大小得到反映,后續(xù)變形小,則處理效果好[1～2]。由于鐵路客運(yùn)專線無砟軌道鋪設(shè)對工后沉降提出了嚴(yán)格的要求,設(shè)計(jì)上多采用CFG樁、注漿、旋噴樁等措施對原軟土地基進(jìn)行加固處理,然后再通過超載預(yù)壓來加速地基土層的壓縮變形,以減小工后沉降。另外,超載預(yù)壓路基的一個關(guān)鍵問題是卸載時機(jī)的確定,它直接影響了超載預(yù)壓的工程效果[3～4]。

高速鐵路超載預(yù)壓路基的沉降變形評估與一般路基在控制標(biāo)準(zhǔn)上是一樣的,均要滿足《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》的相關(guān)要求[5],但由于超載預(yù)壓路基經(jīng)歷了二次堆載、預(yù)壓和卸載的過程,基底沉降變形觀測曲線會隨著荷載的變化而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,其卸載時機(jī)的合理性和工程沉降的計(jì)算分析較常規(guī)路基要復(fù)雜得多。

本文以武廣鐵路客運(yùn)專線堆載預(yù)壓路基沉降實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),總結(jié)分析超載預(yù)壓路基的沉降變形規(guī)律和特征,分別采用有效應(yīng)力面積比法和基于實(shí)測數(shù)據(jù)回歸擬合的卸載控制方程,對超載預(yù)壓路基的卸載時機(jī)和沉降進(jìn)行分析,探討與高速鐵路超載預(yù)壓路基沉降特征相適應(yīng)的沉降評估技術(shù)。

2 典型超載預(yù)壓段的變形特征

實(shí)測數(shù)據(jù)表明,大多數(shù)超載預(yù)壓路基段的沉降變形發(fā)展過程基本相同。其典型斷面的沉降變形過程曲線如圖1所示。

圖1 DK1 671+426.46典型堆載預(yù)壓后卸載斷面的沉降變形過程曲線

從圖1中可以看出,路基從填筑到卸載可分為三個階段：

第一階段：為堆載階段,堆載后沉降變形明顯增長,沉降速率增大,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為下凹曲線。

第二階段：為預(yù)壓階段,此時停止加荷載,但沉降變形繼續(xù)增長,沉降速率變緩,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為上凸曲線。

第三階段：為卸載階段,卸載后沉降速率明顯減小,沉降變形趨于穩(wěn)定,且未出現(xiàn)明顯的回彈跡象,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為一條平緩的曲線。

從以上變形規(guī)律可以看出,超載預(yù)壓路基的變形特征主要體現(xiàn)為：對于填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面,超載施加時,基底沉降變形發(fā)生突變,沉降過程曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)；對于路基本體和超載連續(xù)填筑完成的觀測斷面,沉降過程曲線相對光滑,與常規(guī)路基無明顯的差異；卸載后,沉降變形速率明顯減小,沉降變形很快趨于穩(wěn)定；對于填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面,由超載引起的沉降增量與超載之比,一般要小于路基本體填筑引起的沉降增量與本體荷載之比。上述變化規(guī)律反應(yīng)出堆載預(yù)壓措施能加速基底壓縮土層的變形,從而減小工后沉降是有效的。

3 沉降變形分析評估的技術(shù)要求和經(jīng)驗(yàn)

超載預(yù)壓路基段的沉降變形分析評估應(yīng)充分考慮以上變形特征,在滿足常規(guī)路基評估技術(shù)條件的基礎(chǔ)上,還應(yīng)充分考慮以下控制要求：

(1)超載高度和預(yù)壓時間

超載高度和預(yù)壓時間均要達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)預(yù)壓時間一般不小于6個月。

(2)沉降預(yù)測方法

在沉降預(yù)測方法的選擇上,不建議采用拓展雙曲線法。這主要是由于拓展雙曲線法引入了荷載系數(shù)的概念來反映荷載的變化,但其前提是加載量和加載速率基本相同,而超載浮土的填筑速度一般與路基本體填筑速度存在明顯差異,若采用拓展雙曲線法進(jìn)行預(yù)測分析,可能帶來較大的誤差。故不建議采用,可以選擇三點(diǎn)法、常規(guī)雙曲線法進(jìn)行預(yù)測。

(3)預(yù)測時間起點(diǎn)和時間段

對于路基本體填筑完成后直接進(jìn)行堆載的路段,沉降預(yù)測起點(diǎn)和時間段與一般路基無明顯的差異,即取填筑完成后或沉降曲線出現(xiàn)突變后的觀測數(shù)據(jù),進(jìn)行分析預(yù)測；對于路基本體填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面,由于超載會引起沉降曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),因此建議采用拐點(diǎn)之后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析。

(4)最終沉降量的預(yù)測計(jì)算

最終沉降量是指設(shè)計(jì)荷載條件下路基最后的沉降量,對于超載預(yù)壓路基,原則上應(yīng)根據(jù)卸載以后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析。但由于鐵路客運(yùn)專線路基已進(jìn)行過處理,在經(jīng)過堆載預(yù)壓后,其沉降變形量很小,甚至有可能發(fā)生回彈變形,采用卸載后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析的難度較大。若采用荷載系數(shù)來對前期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,卸載后會出現(xiàn)明顯的回彈變形,這與實(shí)際變形觀測結(jié)果存在較大的差異。因此,建議采用超載預(yù)壓階段的數(shù)據(jù)預(yù)測的最終沉降量代替設(shè)計(jì)荷載條件下的最終沉降量,很顯然超載條件下的最終沉降量要大于設(shè)計(jì)荷載條件下的最終沉降量,這對于工程是偏于安全的。

(5)工后沉降的計(jì)算

工后沉降是由鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)自重引起的沉降和鋪軌后至運(yùn)營完成所發(fā)生的沉降兩部分組成,即

(1)

式中：T0為預(yù)計(jì)鋪設(shè)無砟軌道時間點(diǎn)；T3為預(yù)定運(yùn)營完成的時間點(diǎn)(T3=T0+100年)；s(T3)-s(T0)為路基在鋪軌后至運(yùn)營完成所發(fā)生的沉降；sst為鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)自重發(fā)生的沉降。

對于超載預(yù)壓路基而言,超載一般明顯要大于結(jié)構(gòu)層荷載,在經(jīng)過較長時間的預(yù)壓并趨于穩(wěn)定后,其歷史荷載水平已經(jīng)超過了使用荷載水平,按超載條件下觀測數(shù)據(jù)預(yù)測的最終沉降量實(shí)際已包含了結(jié)構(gòu)層引起的沉降量。因此,對于超載預(yù)壓路基,當(dāng)采用超載預(yù)壓階段的數(shù)據(jù)預(yù)測最終沉降量時,不再計(jì)入結(jié)構(gòu)層引起的沉降量。而按超載階段的數(shù)據(jù)來預(yù)測鋪軌時間點(diǎn)沉降時,應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為路基本體荷載條件下的預(yù)測值,因此,應(yīng)在預(yù)測時間段的選擇上考慮卸載后的觀測數(shù)據(jù),實(shí)際操作過程中,當(dāng)卸載階段沉降已趨于穩(wěn)定或有回彈的情況下,可以取鋪軌前的最終觀測值代替。

根據(jù)以上原則,超載預(yù)壓路基的工后沉降按下式計(jì)算

(2)

式中：s(T3)超為按超載階段觀測數(shù)據(jù)計(jì)算的運(yùn)營完成時間點(diǎn)的沉降量；s(T0)卸為按卸載階段計(jì)算的預(yù)計(jì)鋪軌時間點(diǎn)的沉降量,當(dāng)卸載階段沉降已趨于穩(wěn)定或有回彈的情況下,可取鋪軌前的最終觀測值。

4 超載預(yù)壓路基沉降評估方法

根據(jù)武廣鐵路客運(yùn)專線到目前為止沉降變形觀測數(shù)據(jù)來看,除部分軟土路基堆載預(yù)壓段的地基沉降變形量級在40～50 mm,大部分路基基底沉降變形小于15 mm,即總體而言,武廣鐵路客運(yùn)專線路基的沉降變形量級相對較小。鑒于目前缺乏對高速鐵路超載預(yù)壓路基沉降評估方法的研究經(jīng)驗(yàn),建議分別采用有效應(yīng)力面積比分析方法和基于實(shí)測曲線回歸擬合的分析方法來對卸載時機(jī)的合理性和工后沉降進(jìn)行對比研究,以保證超載預(yù)壓路基的沉降變形評估的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.1 有效應(yīng)力面積比分析方法

有效應(yīng)力面積比R定義為：受壓土層范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)物荷載引起的附加總應(yīng)力面積與卸載前相同厚度土層內(nèi)預(yù)壓荷載引起的有效應(yīng)力面積之比。在對軟土地基、機(jī)場跑道等以沉降控制的結(jié)構(gòu)物長期觀測研究基礎(chǔ)上,《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2002)[6]給出了有效應(yīng)力面積比分析方法。

大量超載預(yù)壓地基處理的工程實(shí)踐表明,卸載后土體殘余變形不僅與卸載前土體的平均固結(jié)度有關(guān),而且與預(yù)壓荷載的超載比即超載量與設(shè)計(jì)荷載之比有關(guān)。一維壓縮變形條件下,有效應(yīng)力面積比R可簡化為

(3)

式中，Pf為設(shè)計(jì)荷載；ΔP為超載；U(t)為卸載時(t)壓縮層內(nèi)土的平均固結(jié)度。

對于基底總沉降量級s(∞)≤15 mm的情況,軟土地基20年土層殘余變形和有效應(yīng)力面積比R的相關(guān)關(guān)系見圖2。由圖2可知,當(dāng)R≤0.80時,卸載后土層的殘余變形為0或發(fā)生少量回彈。

應(yīng)該指出,圖2的相關(guān)關(guān)系主要來自沿海軟黏土砂井地基超載預(yù)壓的工程經(jīng)驗(yàn)。武廣鐵路客運(yùn)專線路基大量采用了CFG樁加固和換填等其他處理方式,其變形機(jī)理與傳統(tǒng)的固結(jié)過程不完全相同。但是,作為一種對工后沉降直接分析的補(bǔ)充,是值得嘗試的。而且以往大量實(shí)際工程表明,這是一種偏于保守的估算方法,預(yù)估的卸載時間要大于實(shí)際需要的時間,對于武廣鐵路客運(yùn)專線而言,是偏于安全的。

圖2 軟土地基20年土層殘余變形和有效應(yīng)力面積比R的相關(guān)關(guān)系

另外,使用荷載條件下的荷載比為

(4)

當(dāng)ξf確定后,有效應(yīng)力面積比R≤0.80條件實(shí)際上變?yōu)?/p>

(5)

即t時實(shí)際發(fā)生的沉降s(t)和預(yù)測最終沉降s(∞)的比應(yīng)≥ξf/0.8。對于路基沉降和變形觀測分析評估的強(qiáng)制性要求s(t)/s(∞)≥75%,由于s(t)/s(∞)≥ξf/0.8的條件一般情況高于75%。所以,此種情況只需用s(t)/s(∞)≥ξf/0.8的條件來控制,但應(yīng)核準(zhǔn)s(t)/s(∞)≥75%。

4.2 基于實(shí)測數(shù)據(jù)曲線回歸的分析方法

此種分析方法直接利用沉降變形觀測數(shù)據(jù),采用回歸擬合曲線預(yù)測計(jì)算工后沉降量,以評價(jià)當(dāng)前堆載或卸載條件下基底沉降變形是否滿足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

在計(jì)算工后沉降時,建議對擬合曲線預(yù)測設(shè)計(jì)荷載(包括上部軌道結(jié)構(gòu)自重)作用下的最終沉降值采用加權(quán)系數(shù)η=1.1,而在用擬合曲線預(yù)測卸載時的沉降變形值則采用加權(quán)系數(shù)η=0.91,以減小由于擬合曲線的不確定性引起的偏差。

根據(jù)鐵路客運(yùn)專線路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和要求,卸載時預(yù)測工后沉降應(yīng)滿足以下要求

(6)

即

(7)

式中：sR為根據(jù)擬合曲線計(jì)算的工后沉降值；[sR,p]為工后沉降控制值15mm,ξf為地基在鋪軌完成后(設(shè)計(jì)荷載下)的荷載水平,ξmax為地基最大荷載水平,即預(yù)壓階段ξmax=1.0；s(ξf,∞)為設(shè)計(jì)荷載條件下的最終沉降量,s(ξmax,tS)為堆載預(yù)壓條件下沉降觀測值。

式(6)即為基于工后沉降控制的卸載時機(jī)控制方程,即設(shè)計(jì)荷載條件下的最終沉降變形預(yù)測值(加權(quán)后)與超載條件下沉降觀測值(加權(quán)后)之差小于15mm。

5 工程應(yīng)用

選取武廣鐵路客運(yùn)專線DK1 671+426～DK1 672+850區(qū)間內(nèi)2段典型堆載預(yù)壓路基為分析對象,該路段地形以丘坡和谷地相間為主,地形起伏較大,丘坡自然坡度一般為10°～25°,植被較發(fā)育,谷地地形狹長,地勢較低洼,多辟為水田,分布水塘及居民?；椎貙忧闆r基本類似：丘坡上、谷地上覆黏土/粉質(zhì)黏土,軟塑～硬塑,下伏全風(fēng)化花崗巖。堆載預(yù)壓地段設(shè)計(jì)堆載高度分別為2.5m和3.0m,設(shè)計(jì)預(yù)壓時間為6～10個月,基底采用CFG樁和攪拌樁進(jìn)行地基處理,樁底持力層為全風(fēng)化花崗巖。,現(xiàn)采用上述2種分析方法分別進(jìn)行具體分析與評估。

采用有效應(yīng)力面積比分析方法,對路基工點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果列于表1,其中s(t)為超載條件下實(shí)際觀測沉降量,s(∞)為超載條件下預(yù)測最終沉降量。

表1 路基工點(diǎn)分析結(jié)果匯總(有效應(yīng)力面積比法)

從表1所列分析結(jié)果可以看出,堆載2～3個月后卸載,實(shí)際觀測總沉降量s(t)為2.88～8.12 mm,預(yù)測最終沉降量s(∞)為3.23～9.30 mm,其比值s(t)/s(∞)為0.83～0.88,而實(shí)際荷載比ξf/0.8為0.712～0.850,s(t)/s(∞)明顯要大于ξf/0.8,且s(t)/s(∞)>75%。因此,根據(jù)有效應(yīng)力面積比的分析結(jié)果,目前卸載后路基的工后沉降是能滿足控制要求的。

以下直接采用觀測數(shù)據(jù)計(jì)算工后沉降量,進(jìn)行定量分析以進(jìn)一步校驗(yàn)上述分析結(jié)果,計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 路基工點(diǎn)工后沉降分析結(jié)果匯總

從表2所列分析結(jié)果可以看出,計(jì)算工后沉降量為0.932～3.106 mm,明顯小于容許工后沉降控制值15 mm。另外,上述計(jì)算工后沉降的過程中,已引入了加權(quán)系數(shù)(安全系數(shù))η=1.1。因此,直接采用觀測數(shù)據(jù)來分析得到的工后沉降量遠(yuǎn)小于15 mm,滿足工后沉降控制要求,這與有效應(yīng)力面積比法分析的結(jié)果是一致的。

6 結(jié)論

以武廣鐵路客運(yùn)專線實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了超載預(yù)壓路基沉降規(guī)律及特征,系統(tǒng)地總結(jié)了與之相適應(yīng)的評估技術(shù)要求和經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,建議分別采用有效應(yīng)力面積比法和基于實(shí)測數(shù)據(jù)回歸擬合的分析方法,對超載預(yù)壓路基的卸載時機(jī)和工程沉降進(jìn)行對比驗(yàn)證分析,以提高沉降變形評估的準(zhǔn)確性和可靠性,最后結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了上述超載預(yù)壓路基評估技術(shù)的有效性和可行性,為鐵路客運(yùn)專線超載預(yù)壓路基的沉降變形評估提供一條有效的途徑。

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[6]JGJ79—2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].