鄭徐客運(yùn)專線深厚層黏性土地基沉降預(yù)測分析

李春紅

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

為保證軌道的平順性和高速行車安全，高速鐵路對線下工程工后沉降有極其嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，路基穩(wěn)定和工后沉降等已成為在軟土地基上進(jìn)行高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題，相關(guān)研究也越來越受到人們的關(guān)注［1-3］。目前軟土路基的沉降計(jì)算主要有理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法:理論分析方法較難全面考慮復(fù)雜工況下路基的實(shí)際受力特性;現(xiàn)場試驗(yàn)方法較為真實(shí)可靠真，但所需費(fèi)用較為較高、周期較長，且實(shí)際操作過程中易受現(xiàn)場條件的制約;數(shù)值模擬方法具有可重復(fù)性經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，并且研究結(jié)果可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，研究結(jié)果較為可靠，成本較為低廉，是一種有效而可靠的研究手段［3-5］。因此，采用有限元數(shù)值模擬方法對鄭徐客運(yùn)專線DK319路基工點(diǎn)的沉降特性進(jìn)行了分析，得出了一些有益的結(jié)論。

1 工程概況

鄭徐客運(yùn)專線位于黃淮沖積平原區(qū)，沿線廣為厚層或巨厚層的第四系地層覆蓋，厚度最大超過400m。全線表層的軟土和松軟土厚度巨大，正線采用無砟軌道，路基工程工后沉降容許值為15 mm，工后沉降控制極為困難。

DK319路基工點(diǎn)分布厚層松軟土，地層軟弱，地基承載力較低。表層Q4地層厚達(dá)48～65m，以松軟的黏性土為主，其中:上部為流塑—軟塑的粉質(zhì)黏土地層，層厚9.0～15.0m，Es=2.44～5.90 MPa，σ0=70～130 kPa，屬高壓縮性土;其下為可塑—硬塑的粉質(zhì)黏土，層厚17.5～35.8m，Es=6.0～13.2 MPa，σ0=150～170 kPa。該層多為中壓縮性土。其下為力學(xué)特性相對較好的Q3地層。設(shè)計(jì)的地基加固方案為管樁，樁長35m，樁徑0.4m，間距2.0m，正方形布置。

2 分析模型及參數(shù)

數(shù)值分析采用Plaxis有限元程序。分析時將地基簡化為復(fù)合地基形式，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。根據(jù)對稱原理，分析模型取路基的半幅建立數(shù)值分析模型，如圖1所示。其中模型橫向?qū)?0m、豎向?qū)?20m。邊界條件為:頂面為自由表面，兩邊為橫向約束，底面為固定約束。

按照復(fù)合地基原理，將樁基加固區(qū)看做一個整體的復(fù)合地基，數(shù)值分析所采用的復(fù)合地基變形模量Esp按照下式計(jì)算

式中:Ep為樁基的壓縮模量，Es為加固區(qū)土體的壓縮模量，m為樁土置換率。分析時以超空隙水壓小于1.0 kPa為固結(jié)完成條件。

圖1 有限元分析模型

分析時土層及路基材料參數(shù)，根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)成果確定，復(fù)合地基參數(shù)按照公式(1)計(jì)算確定，見表1。

表1 力學(xué)參數(shù)取值

3 軟土路基工后沉降影響因素分析

3.1 滲透系數(shù)及堆載時間的影響

復(fù)合地基滲透系數(shù)的基準(zhǔn)值取為kV=5×10－4、kH=4 ×10－4m/d，按基準(zhǔn)值的1/4、1/2、1.0、2.0、4.0、8.0倍共計(jì)六種方案進(jìn)行計(jì)算，求得在路堤自重、堆載3個月、堆載6個月三種工況下(其他參數(shù)按照表1取值，堆載高度按3m考慮)，路堤最終沉降量以及達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時間，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 工后沉降到達(dá)控制標(biāo)準(zhǔn)所需時間 d

分析可知:①隨著滲透系數(shù)的增加，土體完成固結(jié)沉降所需的時間逐漸減小，達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)所需的時間也逐漸減小，路堤填筑完成6個月后時沉降量逐漸增大;這是由于隨著滲透系數(shù)越大，土中水的滲流速度越快，土體固結(jié)沉降的速度也相應(yīng)加大所致。②堆載預(yù)壓作用可有效加快土體固結(jié)沉降的完成，堆載時間越長，同樣的時間內(nèi)固結(jié)完成率相應(yīng)增大，土體沉降較大。③與沒有施加車輛荷載的工況相比，施加車輛荷載后，路堤固結(jié)完成后的總沉降量增大了21 mm，達(dá)到工后沉降15 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，所需時間也相應(yīng)增加了3個月以上。④在荷載條件相同時，在不同的工況下，路堤固結(jié)完成后的總沉降量幾乎不變，可見路堤固結(jié)完成后的總沉降量，受地基所承受荷載大小和形式的影響，與滲透系數(shù)的大小沒有關(guān)系。

3.2 樁長的影響

按照樁長14m、19m、24m、29m、34m、39m 共計(jì)六種方案計(jì)算，研究樁長對工后沉降達(dá)標(biāo)時間的影響，堆載擺放時間按6個月考慮，其他參數(shù)按照表1取值。分析得到不同樁長下路堤最終沉降及達(dá)到沉降控制標(biāo)準(zhǔn)所需的時間，如表3所示。

表3 樁長對路堤沉降的影響

分析可知:①隨著樁長的增加，復(fù)合地基加固范圍逐漸增大，地基固結(jié)沉降的完成時間逐漸減小，達(dá)到沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時間也逐漸減小。②隨著樁長的增加，最終固結(jié)沉降量逐漸減小。③隨著樁長的增加，在相同時間內(nèi)，預(yù)先施加的堆載作用下地基沉降量逐漸減小，但所占最終沉降量的比例逐漸增大，卸載時基地的反彈量也隨之有所減小。

4 計(jì)算結(jié)果分析

(1)不考慮堆載工況下:總沉降為176 mm，路堤填筑完成時，發(fā)生的沉降為120 mm，剩余沉降為56 mm;擺放3個月時沉降達(dá)143 mm，剩余沉降為33 mm;擺放6個月時沉降達(dá)156 mm，剩余沉降為20 mm;擺放15個月時，可達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，剩余沉降約為12 mm。

(2)考慮堆載時間3個月:總沉降為179 mm;路堤填筑完成時，發(fā)生的沉降約為120 mm，剩余沉降為59 mm;施加堆載后，沉降約為139 mm，剩余沉降有40 mm;擺放3個月后，沉降達(dá)到165 mm，剩余沉降僅有14 mm，但是當(dāng)卸除堆載后，產(chǎn)生了約12 mm的回彈變形，導(dǎo)致路堤沉降恢復(fù)到153 mm，剩余沉降約為26 mm;之后再擺放3個月時(共擺放6個月)，沉降可達(dá)161 mm，剩余沉降為18 mm。之后再擺放6個月時(共擺放9個月)，沉降達(dá)到165 mm，剩余沉降14 mm，達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)考慮堆載時間6個月:總沉降為186 mm，路堤填筑完成時，發(fā)生的沉降為120 mm，剩余沉降為58 mm;施加堆載后，沉降約為139 mm，剩余沉降有39 mm;擺放6個月后沉降達(dá)到179 mm，固結(jié)沉降幾乎完成，但是卸除堆載時，產(chǎn)生約13 mm的回彈變形，路堤沉降恢復(fù)到166 mm，剩余沉降約12 mm。可見堆載預(yù)壓施加6個月，可以在很大程度上加快土體固結(jié)變形，減小工后沉降量。

5 結(jié)論

通過以上分析，得到以下結(jié)論:

(1)在路堤荷載作用下，黏性土地基固結(jié)沉降的完成時間受滲透系數(shù)的顯著影響，選擇合理的滲透系數(shù)是進(jìn)行路堤工后沉降預(yù)測的關(guān)鍵。

(2)堆載預(yù)壓可加快土體固結(jié)沉降的完成，堆載時間越長，同樣的時間內(nèi)固結(jié)完成率相應(yīng)增大，土體沉降較大，路堤達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時間也越短。

(3)隨著樁長的增加，復(fù)合地基加固區(qū)域增大，地基固結(jié)沉降的完成時間逐漸減小，達(dá)到沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的時間也逐漸減小，最終固結(jié)沉降量逐漸減小。

(4)在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)條件下，DK319工點(diǎn)在不考慮堆載、考慮堆載3個月、考慮堆載6個月三種工況下，達(dá)到工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分別需要15個月、9個月、6個月的時間。工程實(shí)施過程中，可根據(jù)實(shí)際情況選堆載預(yù)壓方式。

［1］郭建湖，詹學(xué)啟，李小和．武廣鐵路客運(yùn)專線無砟軌道路基變形控制設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(1):46-48

［2］廖進(jìn)星．高速鐵路松軟地基沉降控制與測試分析［J］．鐵道工程學(xué)報，2013(3):11-15

［3］張占榮．武廣高鐵紅黏土地基沉降計(jì)算方法研究［J］．鐵道工程學(xué)報，2011(4):9-14

［4］Luo Z，Atamturktur S，Cai Y，et al．Reliability analysis of basalheave in a braced excavation in a 2-D random field．Computers and Geotechnics，2012，39:27-37

［5］趙靜．高速客運(yùn)專線天然黃土地基工后沉降數(shù)值模擬［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2012(5):3362-3366