哈大鐵路客運專線軟土路基高強(qiáng)土工格柵應(yīng)用技術(shù)研究

徐換財，江阿蘭，王長江

(1.中鐵九局集團(tuán)有限公司，沈陽 110013;2.大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

高強(qiáng)土工格柵由于其抗拉強(qiáng)度大、變形小的特點，被廣泛地應(yīng)用于軟基處理和處置路基的不均勻沉降，特別是新舊路基不均勻沉降的處理，鋼塑格柵代替塑料格柵處理的效果更好，是處理路基不均勻沉降的首選材料。在軟土基中采用鋼塑復(fù)合土工格柵進(jìn)行加筋處理，它的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于軟土路基的排水;在路堤填土荷載下，軟土中的水分滲出，促使軟土固結(jié)，路基承載力提高。軟土路基與鋼塑復(fù)合土工格柵共同作用形成嵌鎖體系，受到車載時，兩側(cè)豎向應(yīng)力加大，從而使基底的豎向應(yīng)力趨于均勻。本次主要是通過對該復(fù)合地基處理地段的地基沉降、路基基底土壓力、土工格柵拉應(yīng)力、路基橫向位移進(jìn)行連續(xù)觀測，來確定采用高強(qiáng)土工格柵進(jìn)行加固處理后，CFG樁樁間土較之未進(jìn)行加固處理的差異。

以哈大客運專線新沈陽站路基DK369+345.1～DK369+720施工段為研究對象，采用埋設(shè)豎向沉降板及橫向剖面管、土壓力盒及拉力傳感器的方式完成施工期沉降檢測、壓力分析及土工格柵作用情況模擬分析，取得了理想的模擬效果，為今后類似的工程提供了寶貴的經(jīng)驗。

選取位于哈大客運專線新沈陽站的施工段作為模擬工點。線路在該施工段以填方通過，且所經(jīng)地勢較為平坦，設(shè)計路堤中心最大填高為5.69 m，邊坡最大高度5.91 m。土質(zhì)為黏土、粉質(zhì)黏土、中砂、細(xì)圓礫土，且地下水具有硫酸鹽侵蝕性。主要的路基處理加固方式為:CFG樁加固和頂部鋪設(shè)0.7 m厚的水泥級配碎石墊層，內(nèi)鋪兩層高強(qiáng)土工格柵(300 kN)。其上路基中心最大填筑高度8.16 m，邊坡最大高度8.23 m。路基填筑時間為7月5日到8月21日，從7月5日到9月9日對該復(fù)合地基處理地段的地基沉降、路基基底土壓力、土工格柵拉應(yīng)力、路基橫向位移進(jìn)行了連續(xù)觀測(特殊情況除外)。

1 地基沉降監(jiān)測

1.1 豎向沉降監(jiān)測點布置

本段工程路基基底沉降監(jiān)測主要通過埋設(shè)豎向沉降標(biāo)實現(xiàn)，并安設(shè)剖面沉降管。豎向沉降管布置:特殊處理了5個斷面(DK369+345、DK369+420、DK369+520、DK369+620、DK369+720)，每個斷面設(shè)置 3 個沉降標(biāo)，分別在路基中心和左右路肩位置，如圖1所示;其他幾個斷面在路基中心位置布置1個豎向沉降標(biāo)。沉降板布置在土工格柵的上方，沉降觀測采用電子水準(zhǔn)儀按照二等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。剖面沉降管在褥墊層頂面開槽埋設(shè)。

圖1 高填方路基豎向沉降管布置示意

1.2 沉降監(jiān)測結(jié)果

豎向沉降板及橫向剖面管的安置時間為7月15日，8月21日路基填筑結(jié)束，此次整理數(shù)據(jù)是7月15日至9月9日連續(xù)沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，經(jīng)過對誤差及偏差點的科學(xué)處理，繪制出觀測時間-沉降量曲線，現(xiàn)將各曲線列舉如圖2、圖3所示，剖面沉降探頭位置-沉降量關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖2 DK369+345斷面2號點沉降曲線

圖3 DK369+520斷面1號點沉降曲線

通過對實測曲線的分析，得出如下沉降特征:

(1)隨著填土高度及時間的增加，地基的沉降不斷增大。在施工結(jié)束后的20 d沉降繼續(xù)增加，沉降曲線斜率依然很大，還沒有收斂的跡象;

(2)在該段監(jiān)測時間內(nèi)，地基的沉降相對比較均勻，基本在50 mm之內(nèi);

圖4 剖面沉降各測點沉降量與時間關(guān)系

(3)路基中心總沉降曲線與左右路肩沉降曲線斜率變化基本一致，說明差異沉降滿足精度要求。

2 土壓力監(jiān)測

土壓力監(jiān)測是通過埋設(shè)大量的土壓力盒來實現(xiàn)的。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，分析兩層土工格柵處理軟土地基后土壓力的分布情況以及樁土應(yīng)力比的時效性和不同荷載水平下的樁－土壓力的特性。

2.1 土壓力盒測點布置

本段工程取 5個監(jiān)測斷面(DK369+345.1、DK369+420、DK369+520、DK369+620、DK369+720)布置土壓力盒分析土壓力作用情況，布置方案如圖5所示，每個監(jiān)測斷面設(shè)置16個土壓力盒，分2層布置，分別布設(shè)在CFG樁處理后地基頂面和70 cm水泥級配碎石頂面。

每個斷面的土壓力盒從左到右分別編號為上1、上 2、上3、上4、上5、上6、上7、上8;下1、下2、下3、下4、下5、下6、下7、下8。

圖5 土壓力盒布置方案示意

2.2 土壓力監(jiān)測結(jié)果

下層土壓力盒的安置時間為7月5日，上層土壓力盒的安置時間為7月12日，8月21日路基填筑結(jié)束，此次整理數(shù)據(jù)從安置土壓力盒開始至9月9日連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，經(jīng)過對誤差及偏差點的科學(xué)處理，繪制出觀測時間－土壓力曲線。此處只列舉DK369+420斷面土壓力監(jiān)測結(jié)果，如圖6、圖7所示，其他斷面的土壓力特征類似。

DK369+420斷面下層土壓力監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

在DK369+420斷面上，土壓力盒的布置特點是2、4、6、8 號土壓力盒位于 CFG 樁頂，而 1、3、5、7 號土壓力盒位于樁間土上，通過對實測曲線的分析，得到如下土壓力特征:

圖6 DK369+420斷面(下層)時間-土壓力曲線

圖7 DK369+420斷面(上層)時間-土壓力曲線

(1)CFG樁較樁間土承受更大的土壓力;

(2)隨著填土高度的增加，土壓力逐漸增大。施工結(jié)束之后，地基的土壓力趨于穩(wěn)定;

(3)路基中心處填土高度最大，因此路基中心處的CFG樁承受最大的土壓力，大小為0.14 MPa。

DK369+420斷面上層土壓力監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

上層土壓力盒的布置與下層土壓力盒相對應(yīng)，均位于雙層土工格柵上方。通過對實測曲線的分析，得到如下土壓力特征:

(1)隨著填土高度的增加，土壓力逐漸增大，切成線性比例關(guān)系。施工結(jié)束之后，地基的土壓力趨于穩(wěn)定;

(2)褥墊層+雙層土工格柵處理后，同一平面上的土壓力分布較均勻。

將DK369+420斷面同一位置的上、下層土壓力繪制在一起進(jìn)行分析比較，如圖8所示。

圖8 DK369+420斷面同一位置的上、下層土壓力對比

通過對實測曲線的分析，得到如下土壓力特征:

(1)下層土壓力數(shù)據(jù)中1、2、3、7號(樁間位置)數(shù)據(jù)比2、4、6、8號(樁頭位置)的數(shù)據(jù)小的多，說明下層土壓力主要由樁來承擔(dān)，樁間土承受較小的土壓力;

(2)DK369+420 斷面 1、3、5、7 號位置處土壓力數(shù)據(jù)，下層土壓力均較上層土壓力小;2、4、6、8號位置處土壓力數(shù)據(jù)，下層土壓力均較上層土壓力大。說明設(shè)置了土工格柵+褥墊層后，樁間土承受土壓力的能力增加，使得土壓力分布均勻，樁間土和樁共同受力;

(3)2、4、6、8號土壓力盒位置處，上下層土壓力具有相同的變化特征，即土壓力大小與填土高度成正比增加，填土結(jié)束后，土壓力大小基本恒定;

(4)CFG樁及樁間土的受力特征表明，雙層土工格柵+褥墊層較好地改善了CFG樁處理后表層受力不均勻現(xiàn)象，雙層土工格柵+褥墊層起到了很好的分布應(yīng)力的作用。

3 土工格柵拉力監(jiān)測

哈大鐵路客運專線蘇家屯段，為了滿足工期的要求，首次采用了300 kN的高強(qiáng)雙層土工格柵改善軟土地基工程，為了研究土工格柵承受的拉力大小，在試驗段上選擇若干段面通過安裝拉力測試傳感器來監(jiān)測土工格柵的工作狀況，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，分析土工格柵在路堤填筑過程中承受拉力情況。

3.1 拉力傳感器測點布置

本段工程取5個監(jiān)測斷面(DK369+345、DK369+420、DK369+520、DK369+620、DK369+720)布置拉力傳感器分析土工格柵的作用情況，其中3個斷面布置應(yīng)變片，2個斷面布置拉力計的方式。由于應(yīng)變片極易損壞，在施工過程中大量斷裂，測試結(jié)果基本失去工程意義，因此此處不列舉應(yīng)變片的測試結(jié)果。拉力計布置在上下兩層土工格珊上的適當(dāng)位置，如圖9所示。

圖9 拉力計沿橫斷面布置

3.2 拉力計監(jiān)測結(jié)果

下層拉力計的安置時間為7月5日，上層拉力計的安置時間為7月12日，8月21日路基填筑結(jié)束，此次整理數(shù)據(jù)從安置土壓力盒開始至9月9日連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果，拉力計測試結(jié)果為土工格柵在拉力作用下的位移大小，由于土工格柵的彈性模量未知，因此此處給出觀測時間-拉力計位移曲線。

DK369+420斷面拉力監(jiān)測結(jié)果如圖10所示，其中4號點拉力計施工過程中損壞。

DK369+520斷面拉力監(jiān)測結(jié)果如圖11所示，其中3號點拉力計施工過程中損壞。

圖10 DK369+420斷面拉力計位移曲線

圖11 DK369+520斷面拉力計位移曲線

DK369+420斷面拉力監(jiān)測結(jié)果匯總?cè)鐖D12所示。

DK369+520斷面拉力監(jiān)測結(jié)果匯總?cè)鐖D13所示。

圖12 DK369+420斷面拉力計位移曲線匯總

圖13 DK369+520斷面拉力計位移曲線匯總

通過對實測曲線的分析，得到如下土工格柵拉應(yīng)力特征:

在拉力計安裝后的前10 d，土工格柵的拉力變化較大，主要是受施工過程中車輛荷載的影響較大;而隨著時間的延長，無論土工格柵上方的填土是否增加，土工格柵承受的拉應(yīng)力幾乎不變。

4 結(jié)論

通過對路基填筑的施工期及施工期后20 d“土工格柵+褥墊層”處理的路基基地的沉降、土壓力、土工格柵拉應(yīng)力的連續(xù)監(jiān)測，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理得到如下結(jié)論。

CFG樁頂高程處，樁間土承受的土壓力較CFG樁小很多，如果不加任何處理直接填筑路基必將引起地基的不均勻沉降，而“雙層土工格柵+褥墊層”處理后的路基上方，土壓力均勻，說明該處理方式較好地改善了CFG樁及樁間土的受力狀況。

隨著填土高度及時間的增加，地基的沉降不斷增大。在施工結(jié)束后的20 d沉降繼續(xù)增加，斜率依然很大，還沒有收斂的跡象，說明地基沉降還未結(jié)束。在該段監(jiān)測時間內(nèi)，地基的沉降相對比較均勻，基本在50 mm之內(nèi)，說明該路段的地基處理施工情況良好。

土工格柵+褥墊層較好地改善了CFG樁處理后樁土應(yīng)力不均現(xiàn)象，起到分布應(yīng)力作用，使樁及樁間土均勻受力，共同承受填土荷載的作用。土工格柵拉力計的測試結(jié)果證明，土工格柵在施工過程中承受的拉應(yīng)力基本不變，與承受的土壓力大小無關(guān)，因此只要保證施工前期在車輛荷載作用下土工格柵不被拉斷，就基本保證了土工格柵分布應(yīng)力的作用。