無砟軌道路基低壓縮性土沉降特性及地基加固方案分析

潘志剛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)明確規(guī)定：無砟軌道地段路基在無砟軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降應(yīng)滿足扣件調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求,工后沉降一般不應(yīng)超過扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm,路橋或路隧處的沉降差異不應(yīng)大于5 mm。

為了將路基工后沉降值控制在允許范圍內(nèi),對不滿足要求的地段應(yīng)根據(jù)地形和地質(zhì)條件、路堤高度、填料、工期等條件,采取合理的基底處理措施。當(dāng)前無砟軌道路基常見的處理措施有挖除換填、堆載預(yù)壓、CFG樁復(fù)合地基、樁承式路堤及樁板結(jié)構(gòu)等。

以某客運專線DK151+200～DK151+767段路基為例,根據(jù)沉降觀測資料,對圓礫土、卵石土等低壓縮性土沉降特性,以及合理選取地基加固方案進行了詳細的分析總結(jié)。

1 工點概況

1.1 工程地質(zhì)條件

DK151+200～DK151+767段路基地貌屬低山前緣緩坡,地形疏緩開闊,略有起伏,交通便利。地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：①Q(mào)4ml種植土,褐黃色,厚約0.4～2.6 m；②-1Q4al粉質(zhì)黏土,灰黃色,軟塑,厚約0.5～2.0 m；②-2Q4al淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰黑色,軟塑,厚約0.5～1.3 m,僅局部分布；③-1Q3al粉質(zhì)黏土,灰黃色,硬塑,厚約0.3～4.9 m；③-2-1Q3al細圓礫土,灰黃色,潮濕,中密,厚約0.5～2.6 m,僅局部分布；③-2Q3al粗圓礫土,灰黃色～黃褐色,潮濕,中密,厚約5.1～11.9 m；③-2-2Q3al卵石土,灰黃色,潮濕,中密,厚約1.8～13.2 m；④-1D3w粉砂巖,褐黃色,全風(fēng)化,厚約0.6～4.1 m；④-2D3w粉砂巖,灰白色～青灰色,強風(fēng)化,揭示層厚>3 m。其中③-2及其亞層為典型的低壓縮性土層,由于碎石類土難以采取原狀樣,故其檢算指標(biāo)壓縮模量Es參照相關(guān)規(guī)范進行經(jīng)驗取值。各主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

1.2 沉降估算

地基沉降可采用壓縮模量Es按分層總和法進行計算,通過推導(dǎo),路基工后沉降ΔS可按公式(1)計算

ΔS=φsS有荷-φsS無荷·U(1)

式中 ΔS——工后沉降,mm；

φs——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；

U——沉降完成比例(設(shè)計計算取值)；

S有荷——填土及軌道恒載產(chǎn)生的沉降,mm；

S無荷——由填土荷載產(chǎn)生的沉降,mm。

其中,沉降計算經(jīng)驗系數(shù)φs可根據(jù)壓縮模量參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB5007—2002)中附表進行線性內(nèi)插法計算取值。

因《客運專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》(鐵建設(shè)[2006]158號)中明確規(guī)定,路基填筑完成后應(yīng)有不少于6個月的觀測和調(diào)整期；按放置期半年考慮,各代表性斷面的工后沉降計算值見表2,從中不難看出：當(dāng)不采用預(yù)壓措施時,多數(shù)斷面估算得出的工后沉降均大于15 mm；而當(dāng)采用預(yù)壓措施時,估算得出的工后沉降均為負值,小于零,故而實際上可按零沉降考慮。

表2 各代表性斷面工后沉降計算值

1.3 地基加固處理方案

DK151+200～DK151+767段路基填高2.5～8.0 m,路基面寬13.6 m,邊坡坡率1∶1.5；于DK151+767處接橋臺設(shè)過渡段；地基處理結(jié)合現(xiàn)場地形、填高、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)類型,分別選取了挖除換填(淺層處理)、CFG樁等加固方案,并在路基填筑完成后進行堆載預(yù)壓,具體加固措施見表3。

表3 地基加固方案

2 現(xiàn)場觀測分析

2.1 現(xiàn)場沉降觀測

該段路基于2009年7月13日開始進行填筑,2009年12月29日填筑至路堤基床底層頂面,2010年1月1日開始進行堆載,1月16日堆載完成,截至2010年6月20日,在主體工程完工后的連續(xù)觀測時間已滿足規(guī)范要求的不少于6個月。代表性斷面的沉降-荷載-時間曲線見圖1、圖2及圖3。

圖1 DK151+250基底沉降-荷載-時間曲線

圖2 DK151+515基底沉降-荷載-時間曲線

圖3 DK151+660基底沉降-荷載-時間曲線

從圖中可以看出,該段路基的地基土在填筑預(yù)壓過程中,具有以下變形特征。

(1)在填筑期間,隨著路堤填土高度的增加,地基的沉降量不斷增大,并且沉降速率較快；

(2)當(dāng)堆載荷載完成后,在預(yù)壓期間,地基的沉降速率逐漸減小,且沉降量最終趨于穩(wěn)定。

2.2 觀測數(shù)據(jù)分析

假定下列各符號意義及單位如下：S∞—預(yù)測路基在鋪軌后的最終沉降量，mm；S填筑—路基主體工程填筑完成后的累計沉降量，mm；S堆載—路基堆載預(yù)壓6個月后的累計沉降量，mm；S鋪板—預(yù)測路基在鋪板時的沉降量，mm；S軌道—路基鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)后發(fā)生的沉降量，mm；V填筑—路基填筑期間的平均沉降速率，mm/d；V預(yù)壓—路基預(yù)壓期間的平均沉降速率，mm/d；而工后沉降ΔS還可以通過公式(2)表示

ΔS=S軌道+S∞-S鋪板(2)

根據(jù)現(xiàn)場觀測記錄數(shù)據(jù),結(jié)合以上代表性斷面的基底沉降—荷載—時間曲線圖,采用三點法進行總沉降預(yù)測,通過分析,可以看出：

(1)由于該段地基的主要土層結(jié)構(gòu)是由低壓縮性、強滲透性的③-2-1細圓礫土、③-2粗圓礫土及③-2-2卵石土組成,在路基主體填筑期間產(chǎn)生的沉降量約占預(yù)測總沉降量的74.6%,詳見表4,這表明,低壓縮性土的沉降在填筑期間已大部分完成。

表4 代表性斷面填筑期間沉降完成比例

(2)該段地基堆載預(yù)壓期間的平均沉降速率遠小于主體填筑期間的平均沉降速率,詳見表5,且在堆載預(yù)壓約2個月后,沉降曲線趨于平緩、收斂,這表明,對于類似地基條件,通過增加堆載預(yù)壓措施,可以對工后沉降進行有效、穩(wěn)定的控制。

表5 代表性斷面填筑期和預(yù)壓期沉降速率比值

(3)該段地基上覆淤泥質(zhì)黏土、軟塑～硬塑粉質(zhì)黏土累計層厚1～5 m,下臥圓礫土、卵石土層厚10～20 m,預(yù)壓6個月后,累計所完成沉降量約占總預(yù)測沉降量的91.5%,詳見表6。由于黏性土壓縮性高,滲透性弱,從而上覆黏土層所完成沉降比例較少(按80%計),故而下臥圓礫土、卵石土等低壓縮性地層在堆載預(yù)壓6個月后,其沉降完成比例(U)可按95%考慮。

表6 代表性斷面預(yù)壓6個月后沉降完成比例

(4)不同地段依次選取了振動碾壓、挖除換填及CFG樁并聯(lián)合堆載預(yù)壓等工程措施,結(jié)合后期沉降觀測,預(yù)測工后沉降均小于15 mm,為1.0～1.5 mm,接近于零沉降,詳見表7,表明該地基加固處理方案是可行和合理的。

表7 代表性斷面預(yù)測工后沉降值 mm

3 結(jié)論

通過分析DK151+200～DK151+767段路基地基加固處理方案及其工后沉降觀測數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論。

(1)對于土層結(jié)構(gòu)主要由低壓縮性、強滲透性的圓礫土、卵石土組成的地基,其沉降基本上在填筑期就已經(jīng)完成,完成比例約為75%。

(2)對于低壓縮性圓礫土、卵石土等地層,進行沉降檢算時,若路基預(yù)壓期為6個月,其沉降完成比例可按95%考慮。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行) [S].北京：中國鐵道出版社,2009.

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