高速鐵路地基土壓縮模量確定方法比較研究

李 想

(青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西寧 810003)

高速鐵路地基土壓縮模量確定方法比較研究

李 想

(青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西寧 810003)

為掌握高速鐵路復(fù)合地基中天然土層壓縮模量準(zhǔn)確簡(jiǎn)便的確定方法,以武廣客運(yùn)專線12個(gè)試驗(yàn)斷面和京滬高速鐵路4個(gè)試驗(yàn)斷面路堤設(shè)計(jì)參數(shù)和地基處理情況為依據(jù),分別采用E1-2法和e-p曲線法確定各天然土層壓縮模量,計(jì)算地基沉降值并將其與實(shí)測(cè)沉降值進(jìn)行比較。結(jié)果表明:對(duì)于淺薄地層地基而言,路堤高度略大于5 m (不超過(guò)7.5 m)時(shí),E1-2法的計(jì)算沉降值與e-p曲線法相比誤差小于10%,路堤高度小于5 m時(shí),兩者誤差隨路堤高度減小而增大,但是控制在30%以內(nèi);為簡(jiǎn)化運(yùn)算,可以采用E1-2法代替e-p曲線法計(jì)算淺薄地層地基沉降;對(duì)于深厚地層而言,E1-2法計(jì)算沉降值明顯大于e-p曲線法,其誤差隨壓縮層厚度增大而增大,故不宜采用E1-2法計(jì)算深厚地層地基沉降。

高速鐵路;地基沉降;E1-2法;e-p曲線法;壓縮模量

1 概述

我國(guó)高速鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)地基沉降計(jì)算精度提出了更高的技術(shù)要求。而地基土層壓縮模量的合理確定,是準(zhǔn)確計(jì)算地基沉降的關(guān)鍵性因素。

由于土體是彈塑性體,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈非線性變化,其壓縮模量隨上覆壓力變化而變化[1-4],因此進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí),需根據(jù)土中應(yīng)力情況,以e-p曲線為依據(jù)來(lái)確定各壓力段天然土層壓縮模量,這種確定壓縮模量的方法稱為e-p曲線法。然而,在工程實(shí)踐中,往往忽略上覆壓力對(duì)土體模量的影響,選取土體100～200 kPa標(biāo)準(zhǔn)壓力段的壓縮模量進(jìn)行沉降計(jì)算,這種確定壓縮模量的方法稱為E1-2法[3]。

在實(shí)際工程的沉降計(jì)算中,往往為追求計(jì)算方法的簡(jiǎn)化,存在盲目忽略天然土體壓縮模量隨上覆壓力的變化而采用E1-2法計(jì)算沉降的現(xiàn)象。選取武廣客運(yùn)專線和京滬高速鐵路地基土層進(jìn)行沉降計(jì)算,通過(guò)將E1-2法與e-p曲線法的計(jì)算沉降值進(jìn)行對(duì)比,分別指出E1-2法的適用范圍和必須采用e-p曲線法的工程情況,并將修正計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性,所得結(jié)論對(duì)簡(jiǎn)便確定地基土層壓縮模量,并準(zhǔn)確計(jì)算高速鐵路地基沉降具有一定參考價(jià)值。

2 試驗(yàn)斷面基本情況概述

2.1 試驗(yàn)斷面路堤基本情況

武廣客運(yùn)專線計(jì)算分析采用的試驗(yàn)斷面共12個(gè),均位于株洲市南端,路基面寬13.6 m,路堤高度3.10～7.51 m,路堤填土重度20 kN/m3,路堤邊坡坡度1∶1.5,坡腳設(shè)高1.0 m,寬2.0 m干砌片石護(hù)道。京滬高速鐵路李窯試驗(yàn)段4個(gè)路堤試驗(yàn)斷面在鋪設(shè)基床表層之前進(jìn)行堆載預(yù)壓,此時(shí)路基面寬度14.8 m,路堤設(shè)計(jì)高度為7.15～7.35 m,路堤填土重度和邊坡坡度與武廣客運(yùn)專線相同。武廣客運(yùn)專線和京滬高速鐵路試驗(yàn)斷面分別如圖1、圖2所示。

2.2 土層物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)武廣客運(yùn)專線和京滬高速鐵路試驗(yàn)段均進(jìn)行了詳細(xì)地勘工作,其中武廣客運(yùn)專線12個(gè)斷面均分布硬塑黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,部分?jǐn)嗝孢€分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,其中fak為土層天然地基承載力。京滬高速鐵路4個(gè)斷面土層分布情況較為復(fù)雜,故選取其中一個(gè)斷面為代表性斷面(斷面(13)),其土層分布情況和各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 武廣客運(yùn)專線試驗(yàn)斷面示意(單位:m)

表1 武廣客運(yùn)專線地基土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 地基處理情況

武廣客運(yùn)專線試驗(yàn)斷面地基為淺薄地層,地下10 m深度范圍內(nèi)分布有巖質(zhì)堅(jiān)硬的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。斷面均采用CFG樁進(jìn)行地基加固,CFG樁穿透軟土,樁長(zhǎng)7.60～9.43 m,樁徑均為0.5 m,樁間距為1.4 m或1.5 m,采取正三角形布樁方式,樁頂鋪設(shè)0.6 m厚碎石墊層。京滬高速鐵路試驗(yàn)斷面屬于深厚地層,地下60 m深度處仍分布有黏性土和粉土。同樣采用CFG樁進(jìn)行地基加固,樁長(zhǎng)24 m,樁徑0.5 m,樁間距1.7～1.8 m,樁頂設(shè)置0.5 m厚鋼筋混凝土板。

表2 京滬高速鐵路斷面(13)土層物理力學(xué)參數(shù)

3 沉降計(jì)算數(shù)據(jù)分析

3.1 沉降計(jì)算理論

采用基于一維固結(jié)理論的分層總和法計(jì)算地基總沉降[5]:

式中,s為地基總沉降;Δpi為第i土層附加應(yīng)力增量;Esi為第i土層壓縮模量,加固區(qū)范圍內(nèi)取土層的復(fù)合模量;hi為第i土層厚度,n為壓縮層深度范圍內(nèi)土層數(shù)。

加固區(qū)土層復(fù)合模量按承載力比法確定[5- 8]:

式中,Ecs為加固區(qū)土層復(fù)合模量;Es為天然土層壓縮模量;ξ為模量提高系數(shù);fspk為土層復(fù)合地基承載力,按式(4)確定;fsk為處理后樁間土承載力,可取土層天然地基承載力。

式中,u為樁身周長(zhǎng);qsi、qp分別為樁側(cè)第i土層阻力和樁端阻力,按文獻(xiàn)[9]確定;li為樁周第i土層厚度;Ap為樁端面積,n0為加固區(qū)土層數(shù)。

3.2 試驗(yàn)斷面的計(jì)算沉降

由于武廣客運(yùn)專線地基是淺薄地層,其下分布有巖質(zhì)堅(jiān)硬的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。所以當(dāng)CFG樁樁長(zhǎng)小

式中,m為樁體置換率;Ra為單樁承載力,由式(5)確定;Ap為CFG樁橫截面面積;β為樁間土承載力折減系數(shù),這里取0.85。于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的土層深度時(shí),可以忽略強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層產(chǎn)生的沉降;當(dāng)樁長(zhǎng)大于泥質(zhì)砂巖深度時(shí),則需要考慮樁長(zhǎng)伸入泥質(zhì)砂巖的那一部分土層產(chǎn)生的沉降[10,11]。依據(jù)上述壓縮層厚度確定原則以及沉降計(jì)算理論,將武廣客運(yùn)專線12個(gè)試驗(yàn)斷面分別采用E1-2法和e-p曲線法計(jì)算其沉降值(分別記為s1和s2),并將二者進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表3。

表3 武廣客運(yùn)專線試驗(yàn)各斷面計(jì)算沉降值

當(dāng)路堤高度(即上部荷載)小于5 m時(shí),E1-2法比e-p曲線法計(jì)算沉降值偏小,兩者差異在10%～30%,并且路堤高度越小,差異越大;當(dāng)路堤高度略大于5 m (不超過(guò)7.5 m)時(shí),隨著路堤高度增加,E1-2法結(jié)果逐漸接近e-p曲線法的結(jié)果,并有超過(guò)的趨勢(shì),兩者之間的差異小于10%。

京滬高速鐵路地基屬于深厚地層,故壓縮層厚度確定方法有變形比法和應(yīng)力比法。其中應(yīng)力比法指地基中附加應(yīng)力衰減至自重應(yīng)力的10%或者20%處,以此處深度作為地基壓縮層厚度;變形比法的壓縮層厚度按照下式確定[12]

式中,Δsn為計(jì)算深度范圍內(nèi)從底面向上取1.0 m范圍內(nèi)的沉降值;Δsi為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的沉降值。

在采用變形比法和應(yīng)力比法(應(yīng)力比為0.1和0.2)確定壓縮層厚度的前提下,分別采用E1-2法和ep曲線法計(jì)算4個(gè)試驗(yàn)斷面沉降值,見(jiàn)表4。

將京滬高速鐵路4個(gè)試驗(yàn)斷面分別采用E1-2法和e-p曲線法的計(jì)算沉降值進(jìn)行對(duì)比,其最大差異高達(dá)50%,明顯大于武廣客運(yùn)專線淺薄地層兩種方法的差異。

3.3 E1-2法和e-p曲線法差異分析

對(duì)于武廣客運(yùn)專線淺薄地層而言,其壓縮層厚度較小,一般情況下小于10 m,計(jì)算深度范圍內(nèi)自重應(yīng)力在0～200 kPa變化。當(dāng)路堤高度為略大于5 m時(shí),以路堤填土平均重度為20 kN/m3計(jì)算,相當(dāng)于施加了略大于100 kPa的荷載,由于附加應(yīng)力沿土層深度衰減并在淺層衰減速度緩慢,故壓縮層厚度范圍內(nèi)各土層附加應(yīng)力增量在100 kPa左右,與標(biāo)準(zhǔn)壓力段的應(yīng)力增量100 kPa相比差異不大。因此,對(duì)于埋深較淺的土層,由于其自重應(yīng)力較小,而附加應(yīng)力增量適中,故按實(shí)際應(yīng)力范圍確定的土層天然壓縮模量小于標(biāo)準(zhǔn)模量;而對(duì)于埋深較深的土層,由于其自重應(yīng)力明顯超過(guò)了100 kPa,故按實(shí)際應(yīng)力范圍確定的天然壓縮模量大于標(biāo)準(zhǔn)模量。以武廣客運(yùn)專線斷面(1)為例,各土層實(shí)際壓力段與100～200 kPa壓力段壓縮模量對(duì)比如圖3所示,為說(shuō)明方便,假設(shè)采用e-p曲線法時(shí)各地基土層壓縮模量沿土層深度近似呈線性變化。

表4 京滬高速鐵路4個(gè)試驗(yàn)斷面計(jì)算沉降值

圖3 斷面(1)兩種方法確定壓縮模量比較

從圖3可以看出,斷面(1)壓縮層厚度為9.43 m,雖然在深度小于4 m的土層范圍內(nèi),采用E1-2法計(jì)算值比土體的實(shí)際壓力段壓縮模量偏大,但是深度大于4 m的范圍內(nèi),則偏小。故對(duì)于淺薄地層地基而言,當(dāng)路堤高度略大于5 m(不超過(guò)7.5 m)時(shí),采用E1-2法確定壓縮模量的沉降計(jì)算結(jié)果與e-p曲線法較為接近,誤差控制在10%范圍內(nèi),如斷面(1)～(7)。

但是當(dāng)路堤高度較小(小于5 m)時(shí),其施加在地基上的荷載小于100 kPa,地基各土層的附加應(yīng)力增量在經(jīng)過(guò)衰減之后就會(huì)更小,此時(shí)在一定地層深度內(nèi)實(shí)際壓力段各土層壓縮模量會(huì)明顯小于E1-2法計(jì)算值,即便存在少數(shù)斷面在地層較深處實(shí)際壓縮模量略大于E1-2法計(jì)算值,但是其壓縮層厚度內(nèi)大部分土層實(shí)際壓縮模量仍然處于小于E1-2法計(jì)算值的狀態(tài),故采用E1-2法計(jì)算值法計(jì)算沉降值會(huì)比e-p曲線法明顯偏小。路堤高度越低,二者差異越大。斷面(8)實(shí)際壓力段壓縮模量與E1-2法計(jì)算值對(duì)比如圖4所示。其壓縮層厚度范圍內(nèi)各土層E1-2法計(jì)算值均明顯大于e-p曲線法確定的實(shí)際壓縮模量,使得E1-2法計(jì)算值法計(jì)算沉降偏小,但是誤差仍然在30%以內(nèi)。

圖4 斷面(8)兩種方法確定壓縮模量比較

對(duì)于京滬高速鐵路深厚地層而言,其壓縮層厚度較大,雖然變形比法較應(yīng)力比法確定的壓縮層厚度明顯偏小,但是也大于20 m,按應(yīng)力比0.1確定的壓縮層厚度深達(dá)50 m。雖然京滬高速鐵路地下水位較高,但是當(dāng)土層埋深超過(guò)10 m時(shí),其自重應(yīng)力也會(huì)大于100 kPa。此時(shí),對(duì)于深度大于10 m的土層,其實(shí)際壓力段的壓縮模量大于E1-2法計(jì)算值,并且隨著深度的增加,其壓縮模量與E1-2法計(jì)算值差值越大。故對(duì)于深厚地層而言,采用E1-2法計(jì)算值法確定壓縮模量時(shí),沉降計(jì)算值會(huì)明顯大于e-p曲線法,并且隨著壓縮層厚度的增加,二者差異會(huì)越來(lái)越大。斷面(13)實(shí)際壓縮模量與E1-2法計(jì)算值對(duì)比如圖5所示。對(duì)于地層較淺的小部分土層而言,其e-p曲線法確定的壓縮模量小于E1-2法計(jì)算值;但是對(duì)于地層較深的大部分土層,其實(shí)際壓力段壓縮模量明顯大于E1-2法計(jì)算值。

圖5 斷面(13)兩種方法確定壓縮模量比較

綜上所述,對(duì)于淺薄地層地基而言,在采用E1-2法確定土層壓縮模量時(shí),CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算值與e-p曲線法相比,誤差在30%以內(nèi)。并且在路堤高度略大于5 m(不超過(guò)7.5 m)時(shí),誤差更小,一般小于10%;路堤高度小于5 m時(shí),誤差會(huì)隨著路堤高度的減小而逐漸增加。但是對(duì)于深厚地層而言,采用E1-2法計(jì)算地基沉降值明顯大于e-p曲線法,并且差異隨著壓縮層厚度的增加而增加,故E1-2法不適用于深厚地層計(jì)算沉降值。

3.4 修正計(jì)算沉降值與實(shí)測(cè)值

在采用分層總和法計(jì)算地基沉降時(shí),由于次固結(jié)變形和剪切變形等因素的影響,使得計(jì)算沉降值與實(shí)測(cè)值之間存在較大的差異,需要引入沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs對(duì)計(jì)算沉降值進(jìn)行修正,使其能夠反映地基的真實(shí)沉降。ψs隨當(dāng)量壓縮模量ˉEs變化規(guī)律如表5所示[5]。

表5 沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs

其中,當(dāng)量壓縮模量ˉEs按下式確定[5]

式中,Ai為第i土層附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。

當(dāng)武廣客運(yùn)專線采用E1-2法確定地基各土層壓縮模量時(shí),將其計(jì)算沉降值通過(guò)ψs修正后得到修正沉降值s′1,與實(shí)測(cè)沉降值s對(duì)比如表6所示,其中實(shí)測(cè)沉降值s為按照分層沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算的預(yù)測(cè)最終變形值。

____表6 武廣客運(yùn)專線修正沉降值與實(shí)測(cè)沉降值s

____表6 武廣客運(yùn)專線修正沉降值與實(shí)測(cè)沉降值s

?

可以看出,與實(shí)測(cè)沉降值相比,12個(gè)試驗(yàn)斷面的修正計(jì)算沉降值平均誤差為16.07%,其中10個(gè)試驗(yàn)斷面誤差小于30%,2個(gè)斷面誤差略大于30%,滿足工程設(shè)計(jì)的精度要求。故對(duì)于淺薄地層而言,為簡(jiǎn)化計(jì)算,可以采用E1-2法計(jì)算地基沉降值。

4 結(jié)論

對(duì)武廣客運(yùn)專線12個(gè)試驗(yàn)斷面和京滬高速鐵路4個(gè)試驗(yàn)斷面分別采用E1-2法和e-p曲線法計(jì)算其沉降值,并將武廣客運(yùn)專線E1-2法的修正計(jì)算沉降值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)于淺薄地層CFG樁復(fù)合地基而言,當(dāng)路堤高度略大于5 m(不超過(guò)7.5 m)時(shí),與e-p曲線法相比,采用E1-2法計(jì)算沉降值誤差小于10%;當(dāng)路堤高度小于5 m時(shí),隨著路堤高度減小,E1-2法誤差逐漸增大,但最大誤差不超過(guò)30%。

(2)對(duì)于深厚地層復(fù)合地基而言,在采用E1-2法作為各土層壓縮模量時(shí),明顯低估了分布較深土層的壓縮模量,故E1-2法的計(jì)算沉降值明顯大于e-p曲線法,并且壓縮層厚度越大,E1-2法誤差也越大,故計(jì)算深厚地層沉降值時(shí),不宜采用E1-2法確定壓縮模量。

(3)在采用E1-2法計(jì)算淺薄地層地基沉降值時(shí),經(jīng)過(guò)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs修正后的計(jì)算沉降值與實(shí)測(cè)值相比誤差基本可以控制在30%以內(nèi),故計(jì)算淺薄地層地基沉降時(shí),為簡(jiǎn)化計(jì)算,可以采用E1-2法確定土層壓縮模量。

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Comparison of Methods for Calculating Ground Soil Compression Modulus of High-speed Railway

LI Xiang
(Qinghai Communications Technical College,Xining 810003,China)

12 test sections from Wuhan-Guangzhou passenger railway line and 4 sections from Beijing-Shanghai high-speed railway are selected to master the method for calculation of ground soil compression modulus in high-speed railway composite foundation.Based on the embankment design data and foundation treatments,both method and e-p curve method are used to ascertain the nature soil compression modulus.Moreover,the foundation settlement is calculated and comparison of the calculated settlement is conducted with the actual settlement.The results show that for the shallow strata,the error of the method is less than 10%compared with e-p curve method when the embankment height is slightly larger than 5 meters(less than 7.5 meters),while the error is increased as the embankment height decreases when the height is less than 5 meters,but it's less than 30%;method may be used to replace _e-p curve method to simplify the calculation in the shallow strata;the calculated settlement with methodis obviously larger that of e-p curve method in the deep strata,the difference of the two methods is increased as the compression thickness increases,so method is not recommended to calculate the settlement of deep strata.

High-speed railway;Foundation settlement;method;e～p curve method;Compression modulus

U238;U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.008

1004-2954(2014)12-0031-05

2014-04-02;

2014-04-21

李 想(1986—),男,工程師,E-mail:1027634073@qq.com。