某客貨共線(xiàn)鐵路深厚松軟土地基物理力學(xué)特性分析

孟偉超

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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某客貨共線(xiàn)鐵路深厚松軟土地基物理力學(xué)特性分析

孟偉超

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

深厚松軟土地層在我國(guó)西北、東北及華北地區(qū)普遍存在，高速鐵路修建過(guò)程中此類(lèi)地層的地基處理方案選取對(duì)工程的可靠性和經(jīng)濟(jì)性影響顯著。對(duì)東北地區(qū)某客貨共線(xiàn)鐵路的典型深厚松軟土地層進(jìn)行詳細(xì)的物理力學(xué)特性分析，為確定適宜的地基處理措施提供依據(jù)。

深厚松軟土 物理力學(xué)特性 靜力觸探 地基沉降

某新建200 km/h的客貨共線(xiàn)鐵路位于松花江右岸沖洪積平原及小興安嶺低山丘陵區(qū)。線(xiàn)路起點(diǎn)至DK111+000范圍內(nèi)地基表層普遍分布松軟土地層，厚度2.0～23.6 m，此類(lèi)深厚松軟土地層在華北、東北及西北地區(qū)普遍存在。近年來(lái)，高速鐵路的修建使得其工程適用性越來(lái)越受到關(guān)注，相應(yīng)地基處理方案的選取，既要考慮路基的沉降及穩(wěn)定性要求，同時(shí)也要考慮造價(jià)問(wèn)題[1]。

1 工程地質(zhì)概況

選取代表性段落DK45+800～DK45+900里程范圍布置鉆探孔和靜力觸探孔。本段地層為表覆第四系上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)粉質(zhì)黏土，局部有黏土、中砂、粗砂、細(xì)圓礫土等薄夾層或透鏡體，土層厚度約32.7～37.7 m，下伏白堊系下統(tǒng)(K1)泥巖、砂巖、礫巖，工程地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

地層：粉質(zhì)黏土，灰褐色—黃褐色，土質(zhì)不均，含鐵錳質(zhì)氧化物，流塑σ0=80 kPa，軟塑σ0=100～150 kPa，硬塑σ0=160～180 kPa；黏土，灰褐色，含少量銹斑及鐵錳質(zhì)氧化物，成分以黏粒為主，土質(zhì)均勻，軟塑σ0=140 kPa，硬塑σ0=180 kPa；中砂和粗砂，灰褐色，中密，飽和，成分以石英、長(zhǎng)石為主，含少量黏性土，中砂σ0=250 kPa，粗砂σ0=300 kPa。鉆孔土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具氯鹽侵蝕性、鹽類(lèi)結(jié)晶侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)L1、Y2。

地下水：第四系孔隙潛水，主要由大氣降水補(bǔ)給，勘測(cè)期間地下水埋深4.70～7.80 m(高程168.47～172.20 m)，水位變幅2～3 m。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具酸性侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)H1。

土壤最大凍結(jié)深度為2.02 m。

地震動(dòng)峰值加速度0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。

圖1 工程地質(zhì)縱斷面

2 地基土分層

對(duì)鉆探所得原狀土樣測(cè)定其含水率、天然密度、顆粒密度、孔隙比、飽和度、界限含水率、固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角和黏聚力等物理力學(xué)指標(biāo)[2]。其中，液性指數(shù)是土體的重要指標(biāo)，可反映地層的承載力和穩(wěn)定性等工程特性，將液性指數(shù)IL沿深度的變化繪于圖2。從圖2中可以看出，表層2 m左右內(nèi)的土體液性指數(shù)在0.15～0.50之間，為硬塑；2～20 m范圍內(nèi)土體的液性指數(shù)IL多數(shù)在0.45～0.80之間，大部分為軟塑；20～23 m范圍內(nèi)為粗粒土夾層；23～27 m范圍內(nèi)土體的液性指數(shù)IL在0.20～0.55之間，多為硬塑狀態(tài)；27 m以下土體的液性指數(shù)IL在0～0.30之間，為硬塑。

圖2 液性指數(shù)隨地基深度的散點(diǎn)分布

可見(jiàn)，表層2 m范圍內(nèi)土層相對(duì)下部土體而言為一硬殼層[3]；2～20 m范圍內(nèi)土體含水率較大，土體較軟；23 m以下均為硬塑土。根據(jù)土體的液性指數(shù)，將松軟土地層大致分成四層，第一層為0～2 m，第二層為2～20 m，第三層為23～27 m，第四層為27 m以下，其中，20～23 m為中砂、粗砂和細(xì)圓礫土組成的粗粒土夾層。根據(jù)分層情況，對(duì)每層的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析。

3 地基土物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 地基土物理性質(zhì)

表1為松軟土各地層物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)據(jù)匯總。

表1 地基土物理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值匯總

由表1中數(shù)據(jù)可知，除表層的硬殼層土體之外，其下各地層的物理特性指標(biāo)與地基深度均呈規(guī)律性變化；其中，高飽和度是東北地區(qū)松軟土的一個(gè)顯著特點(diǎn)[4]。

3.2 地基土力學(xué)性質(zhì)

表2為松軟土各地層力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)據(jù)匯總。

表2 地基土力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值匯總

由表2中數(shù)據(jù)可知，除表層的硬殼層土體之外，其下各地層的力學(xué)特性指標(biāo)與地基深度均呈規(guī)律性變化；其中，固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)普遍低于常規(guī)經(jīng)驗(yàn)值[5]，除了地基土本身特性之外，不排除取樣擾動(dòng)的影響[6]。

表3為根據(jù)靜力觸探錐尖阻力計(jì)算壓縮模量的數(shù)據(jù)。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，靜力觸探數(shù)據(jù)估算的壓縮模量大于室內(nèi)壓縮試驗(yàn)的測(cè)定值。一方面的原因在于原位測(cè)試避免了取樣擾動(dòng)和應(yīng)力釋放的影響[7]；另一方面，靜力觸探在地基深部測(cè)試時(shí)穿越了粗粒土層，可能導(dǎo)致該層以下黏性土層數(shù)據(jù)測(cè)試值偏大。

表3 黏性土壓縮模量靜力觸探數(shù)據(jù)估算

圖3為試驗(yàn)段補(bǔ)勘鉆孔試樣所測(cè)自重應(yīng)力、先期固結(jié)壓力和超固結(jié)比OCR隨地基深度的變化曲線(xiàn)。

從圖3中可以看出，地基土的先期固結(jié)壓力分布在100～300 kPa范圍，先期固結(jié)壓力在地基淺層稍偏大，隨深度增加略衰減；在地基0～15.0 m范圍處于輕微的超固結(jié)狀態(tài)，15.0～30.0 m近似處于正常固結(jié)狀態(tài)，30.0 m以下有輕微的欠固結(jié)性。考慮到應(yīng)力釋放效應(yīng)和深層取樣的擾動(dòng)，可以認(rèn)為深層地基土同樣處于正常固結(jié)狀態(tài)。

4 沉降檢算及地基處理

選取4個(gè)典型斷面，根據(jù)鉆孔原位取樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其地基沉降進(jìn)行檢算。本線(xiàn)為客貨共線(xiàn)鐵路，檢算時(shí)附自比取值0.15，常規(guī)路基地段工后沉降控制值取150 mm，路橋過(guò)渡段取80 mm。同時(shí)，對(duì)該段地基采用CFG樁加固條件下的沉降進(jìn)行驗(yàn)算，具體樁徑為0.5 m，樁間距2.0 m，加固深度較淺，分別為7.7 m和8.7 m。加固前后的地基沉降數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

圖3 超固結(jié)比、自重應(yīng)力和先期固結(jié)壓力變化曲線(xiàn)

可以發(fā)現(xiàn)，在天然地基條件下，本段松軟土地基工后沉降均大于150 mm的設(shè)計(jì)限值，經(jīng)過(guò)CFG樁加固處理后，7.7 m加固深度的地基工后沉降均小于150 mm，8.7 m加固深度的地基工后沉降小于80 mm的過(guò)渡段限值。加固后的工后沉降減小比例在43%～72%范圍，淺層加固即可起到很好的效果。由工后沉降的減小比例可知，加固前地基軟弱層越明顯，加固后的改善效果越顯著(鉆孔14-SYZD-004地下4.0～7.0 m發(fā)現(xiàn)軟土夾層)。

表4 采用CFG樁加固前后地基沉降數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

綜合各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)可知，本段深厚松軟土地層土屬于高飽和低液限粉質(zhì)黏土[8、9]，地表存在約2 m厚的硬殼層，地下2～20 m深度范圍內(nèi)多為軟塑狀態(tài)，其余為硬塑狀態(tài)，各地層物理指標(biāo)除硬殼層外均隨地基深度呈規(guī)律性變化。

深厚松軟土地層多為黏性土，此類(lèi)地層的淺表部位出現(xiàn)硬殼層是一個(gè)普遍現(xiàn)象。

厚度較大松軟黏性土地層的固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)普遍低于常規(guī)經(jīng)驗(yàn)值，說(shuō)明此類(lèi)地層作為地基土?xí)r的沉降變形發(fā)展較為緩慢。

地基原位測(cè)試所得壓縮模量數(shù)值要大于室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，但在地基深部測(cè)試時(shí)，二者均存在一定的偏差，室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果一般偏小，用于沉降計(jì)算時(shí)會(huì)偏于保守和安全。

深厚松軟土地層中上部容易出現(xiàn)輕微的超固結(jié)現(xiàn)象，中下部為正常固結(jié)狀態(tài)；超固結(jié)是一個(gè)相對(duì)值概念，測(cè)試的人為誤差較大，OCR>1不一定意味著淺層地基的良好承載能力。

本段地基在天然地基條件下，工后沉降難以滿(mǎn)足客貨共線(xiàn)及以上級(jí)別鐵路的修建要求，經(jīng)過(guò)7.7～8.7 m深度的CFG樁淺層加固后，工后沉降減小比例在43%～72%，均滿(mǎn)足150 mm和80 mm的客貨共線(xiàn)鐵路工后沉降設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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Analysis of Deep Soft Soil Physical Mechanics Properties along a Certain Mixed Passenger and Freight Railway

MENG Weichao

2016-09-28

孟偉超(1989—)，男，2015年畢業(yè)于西南交通大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0070-03

P642.1

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