某鐵路車站軟土地基的沉降變形特性＊

柴躍進

(中鐵六局集團有限公司，北京100036)

由于軟土具有抗剪強度低、壓縮性高、滲透性小等特點，軟土路基在填土、軌道結(jié)構和列車荷載作用下，引起的路基沉降具有沉降量大，側(cè)向變形大，變形時間長等特點。要保證鐵路路基的穩(wěn)定和運營安全必須控制其沉降不超過規(guī)定范圍。對此，規(guī)范明確規(guī)定［1］，Ⅰ級鐵路工后沉降量不大于20 cm，路橋過渡地段工后沉降小于10 cm，沉降速率小于5 cm/a。為了使路基沉降達到要求，必須對軟土路基在附加荷載作用下沉降大小和沉降完成時間進行計算，如不滿足要求，則需對軟土地基進行加固處理，使之滿足要求。由于影響沉降計算的因素較多，沉降計算的精度不足以控制工后沉降。施工期必須按設計要求進行對沉降進行動態(tài)觀測。通過對沉降觀測數(shù)據(jù)分析評估，驗證或調(diào)整設計措施，使路基、橋涵、隧道等工程達到規(guī)定的變形控制要求。分析、推算出最終沉降量和工后沉降，合理確定軌道開始鋪設時間，確保鐵路軌道結(jié)構鋪設質(zhì)量［2］。本文以廣珠貨運鐵路江門站為例，計算了軟土地基加固前后沉降變化，并與現(xiàn)場觀測結(jié)果進行對比，研究了該地區(qū)沉降變形規(guī)律，以便為鐵路的施工和運營提供依據(jù)。

1 工程概況

廣州－珠海沿線的軟土類型大都屬于珠江三角洲相軟土，對該地區(qū)軟土的工程特性、形成條件和加固方法已經(jīng)有很多的研究成果［3－11］。研究表明:該地區(qū)軟土具有厚度大(最厚達42 m)含水量高(高達100．8%)，孔隙比大(最大為 2．8)，高壓縮性(壓縮系數(shù)高達4．40 MPa－1)，強度低(十字板抗剪強度6～15 kPa)，滲透性差(滲透系數(shù)為10－7～10－8cm/s)［11－12］。

在廣州－珠海地區(qū)，無論是高速公路、鐵路還是其他工程，軟基處理地基采用的方法多樣，如排水固結(jié)法、復合地基法、土工合成材料加筋法、化學加固法、振沖置密法、換填法等，但主要是堆載預壓排水固結(jié)法［11］。

研究地區(qū)為新建廣珠貨運鐵路江門南站軟土路基。里程:DK119+700～DK123+000，該段地貌為沖積平原區(qū)，地形平坦開闊，多數(shù)為魚塘。路基以路堤形式通過，填土高度2～7 m不等。從上至下主要地層如下。

人工填筑土;厚0～4 m;

淤泥和淤泥質(zhì)黏土，流塑～軟塑為主，厚7～35 m;

粗砂、礫砂，松散～稍密，厚0～20．5 m;

硬塑黏土，厚0～7．0 m;

淤泥質(zhì)黏土，流塑～軟塑，厚0～3．5 m;

泥質(zhì)砂巖風化帶。

研究地段軟基處理的方式有水泥攪拌樁、塑料排水板+真空預壓。

2 地基沉降計算

以斷面DK120+500為例，計算工填土和軌道結(jié)構及列車荷載作用下沉降。

2．1 計算斷面地層與計算參數(shù)

斷面DK122+500如圖1所示，軟弱地層物理力學性質(zhì)如下。

淤泥:容重 γ =15．7 kN/m3，壓縮模量 Es=1.7 MPa，黏聚力 C=6．1 kPa，內(nèi)摩擦角 φ =3．1°，水平固結(jié)系數(shù)Ch=1．26 cm2/ks，豎向固結(jié)系數(shù)Cv=1．24 cm2/ks，厚 10．3 m。

軟塑黏土:容重γ=18 kN/m3，壓縮模量Es=3．5 MPa，黏聚力 C=18 kPa，內(nèi)摩擦角 φ =20°，厚6．1 m。

淤泥層采用塑料排水帶(真空預壓)加固區(qū)(間距1．0 m)。

圖1 DK120+500橫斷面圖Fig．1 Calculated section diagram of DK120+500

2．2 軟土地區(qū)路堤基底的最終沉降量計算

軟土地區(qū)路堤基底的最終沉降量S是指地基從受到荷載應力作用起到沉降完全終止的總沉降量。由形變沉降(瞬時沉降)Sd、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降Ss組成。一般而言，鐵路軟基的沉降量由兩部分組成:施工期沉降和工后沉降。施工期沉降是地基在路基填土和軌道結(jié)構荷載作用下，在地基內(nèi)部產(chǎn)生應力和變形，從而引起路堤下沉，這部分沉降主要為瞬時沉降和主固結(jié)沉降。工后沉降主要是因孔隙水壓力消散而產(chǎn)生的主固結(jié)沉降與因土骨架蠕變產(chǎn)生的次固結(jié)沉降組成。

主固結(jié)沉降Sc是由主固結(jié)產(chǎn)生的沉降，是沉降的主要部分。主固結(jié)沉降用分層總和法計算［14］。

形變沉降(瞬時沉降)和次固結(jié)沉降可按相應公式進計算，但通常計算主固結(jié)沉降，然后按工程統(tǒng)計的經(jīng)驗公式計算總沉降［14］。

式中:m為考慮地基側(cè)向變形及其他影響因素的系數(shù)，采用真空預壓排水固結(jié)加固的地基總沉降S;S=1．2Sc［14］。

在計算中，列車和軌道荷載換算土柱高度按規(guī)范［1］計算。附加應力 Po按下列公式計算［16］。

式中:P為每延米列車及軌道結(jié)構重量之和;b為路基面寬一半;m為路堤邊坡坡率;γ為填土容重。

如表1所示，分別計算了在路堤填土荷載作用下和在路堤填土+軌道結(jié)構+列車荷載作用下最終沉降量。

表1 最終沉降量計算表Table 1 Calculated ultimate settlement cm

從表1可以看出:軟土地基沉降量大，沉降量達到1．28 m，沉降主要是路堤填土造成的。在增加軌道結(jié)構+列車荷載作用下沉降增加了43．14 cm。

2．3 沉降與時間關系研究

某時刻t沉降量St等于某時刻固結(jié)度Ut乘以總(最終)沉降量。

(1)不設豎向排水體時，某時刻t固結(jié)度Ut按如下公式計算［15］:

(2)設豎向排水體時一級或多級等速加載條件下，當固結(jié)時間為t時，對應總荷載的地基平均固結(jié)度Ut可按下式計算［14］:

式中:Ut為t時間地基的平均固結(jié)度;qi為第i級荷載的加載速率(kPa/d);∑Δpi為各級荷載的累加值(kPa);Ti和Ti－1分別為第i級荷載加載的起始和終止時間(從零點起算)(d)。當計算第i級荷載加載過程中某時間t的固結(jié)度時，Ti改為t;α和β為參數(shù)，根據(jù)地基土排水固結(jié)條件采用不同計算式［14］。

斷面DK120+500加固前后沉降與時間關系計算值如表2。從表2可看出:在施工期預壓和排水固結(jié)后，軟土地基大大加速了固結(jié)過程。在未加固前，需施工后12 a才能達到固結(jié)度85．7%，剩余沉降為128．82－110．42=18．4 cm，才能滿足 1 級鐵路工后沉降不大于20 cm要求。加固后施工240 d后，剩余沉降為 128．82 －111．78=17．04 cm，即可滿足1級鐵路工后沉降不大于20 cm要求。通過在施工期預壓和排水固結(jié)，可使軟基完成大部分或絕大部分的沉降，使鐵路運營期間不致產(chǎn)生超過規(guī)定的沉降。同時，也可增加地基土的抗剪強度，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。

表2 斷面DK120+500沉降與時間關系計算值Table 2 Calculated settlement of the section with time

圖2 沉降與時間關系圖Fig．2 Settlement－ time curve of the section

從沉降實測值可以看出:實測沉降與理論計算值大致吻合，但由于理論計算與實際施工條件有差異，再加上軟土地基本身的復雜性，兩者并不完全一致。首先表現(xiàn)在實際沉降值略大于計算值，如理論計算最終沉降值為128．82 cm，而觀測穩(wěn)定值達到140 cm;其次，實際沉降值在大致地基加固后2 a后才趨于穩(wěn)定，時間長于計算值(240 d左右)。

2．4 軟土地基沉降有限元計算與分析

有限單元法是將路基、路堤和軌道結(jié)構及列車荷載作為一個整體來分析，將其劃分網(wǎng)格，形成離散體結(jié)構，在荷載(路堤和軌道結(jié)構及列車荷載)作用下計算得到路基、路堤各點的位移和應力。有限元法除了可以采用非線彈性、彈塑性、黏彈—塑性等多種描述土體應力—應變關系的模型外，目前也己能考慮到較為復雜的土體本構關系，如考慮流變的黏彈—塑性模型，考慮損傷效應的彈塑性損傷模型等。此外，有限單元法還可以考慮復雜的邊界條件、土體應力－應變關系的非線性特性、土體的應力歷史、水與骨架上應力的藕合效應等，可以模擬現(xiàn)場逐級加荷和處理超填土問題，能考慮側(cè)向變形、三維滲流對沉降的影響，并能求得任一時刻的沉降、水平位移、孔隙水壓力和有效應力變化等［11，16］。

由于路堤是線形結(jié)構物，計算可以采用平面應變假設。本次有限元計算分析采用二維彈塑性模型，兩側(cè)地基為x方向約束，地基底部為x和y方向約束。地基兩端為無限單元，其他為有限單元，分析區(qū)域共劃分若干個四邊形和三角形等參單元。

軟弱地基在附加荷載(包括路基填土荷載和上部結(jié)構及列車荷載)作用下發(fā)生變形，包括水平和垂直變形，本次有限元分析只對垂直變形(沉降)進行研究。

圖3 沉降變形等值線圖Fig．3 Settlement isogram of the section

沉降變形等值線圖見圖3。由圖3可以看出:計算斷面在附加荷載作用下，路基各個部位都有不同的沉降量，斷面中心處(即Ⅰ線下)地面中心沉降量最大，最大變形達1．31 m，路肩次之，路基兩側(cè)邊坡坡腳處沉降量最小。斷面實測沉降曲線也得到同樣的結(jié)論，如圖4所示。其沉降曲線形狀類似于盆底狀，在接近路肩處至坡腳處，由于附加荷載應力減少，沉降量也呈衰減趨勢，發(fā)展趨勢并沒有在坡腳處終止，但并不會很大，而且基本上沒有很大的變化。

圖4 實測路基橫斷面不同觀測點沉降曲線Fig．4 Measured settlement of different positon of the section

3 結(jié)論

(1)地基沉降主要是路堤填土造成的，在增加軌道結(jié)構+列車荷載作用下沉降有不同程度增加。

(2)加固前軟弱地基在路基填土和上部結(jié)構荷載作用下沉降大，完成固結(jié)時間長。淤泥層采用塑料排水帶(真空預壓)加固后，固結(jié)時間大大縮短，在加固后240 d以內(nèi)能滿足1級鐵路工后沉降小于20 cm和沉降速率小于5 cm/a要求。從沉降實測值可以看出:實測沉降與理論計算值大致吻合，但由于理論計算與實際施工條件有差異，再加上軟土地基本身的復雜性，兩者并不完全一致，實際沉降值略大于計算值，實際沉降值在大致地基加固2 a后才趨于穩(wěn)定，時間長于計算值。

(3)地面沉降變形最大點位于地面1線中心點，路肩次之，往兩側(cè)沉降變形減少，路基兩側(cè)邊坡坡腳處沉降量最小。

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