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    濕陷性黃土區(qū)客運(yùn)專線車站工后不均勻沉降初探

    2017-05-16 11:17:25田霄峰羅會(huì)武陳培帥
    關(guān)鍵詞:雨棚陷性站臺(tái)

    田霄峰,羅會(huì)武,陳培帥

    濕陷性黃土區(qū)客運(yùn)專線車站工后不均勻沉降初探

    田霄峰1,羅會(huì)武2,陳培帥2

    (1.中交二航局六分公司,湖北 武漢 430040;2.中交二航局技術(shù)中心,湖北 武漢 430040)

    結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘察資料,對(duì)具有一定坡度和深厚填土區(qū)域地基處理失效的原因進(jìn)行了探討。得到如下結(jié)論:(1)在黃土地區(qū)地面沉降可分為4個(gè)階段即增長(zhǎng)期、平穩(wěn)期、加速期、以及最終穩(wěn)定期,黃土的沉陷是造成沉降再次加速的原因。建議黃土地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)該予以加長(zhǎng),以確定最終的穩(wěn)定期。(2)黃土的沉陷不僅使地表發(fā)生不均勻沉降,也會(huì)改變黃土區(qū)樁基的力學(xué)性質(zhì),造成樁基下部土體的變形。單純依賴樁的剛度來控制結(jié)構(gòu)變形是存在風(fēng)險(xiǎn)的,也應(yīng)該控制樁側(cè)土體變形。(3)在具有坡度的黃土區(qū)域,地面標(biāo)高較低的一側(cè)土體膠結(jié)作用較弱,且該區(qū)域承擔(dān)更大的上部填土荷載,這是導(dǎo)致地面標(biāo)高低的區(qū)域發(fā)生更大變形的原因。

    工后沉降;濕陷性黃土;不均勻填土;沉降控制

    過去鐵路路基工程設(shè)計(jì)主要滿足強(qiáng)度指標(biāo),路基工后沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)為30~50 cm,由于控制標(biāo)準(zhǔn)低,所以在黃土地區(qū)修建鐵路時(shí),對(duì)濕陷性黃土地基處理的情況不多?,F(xiàn)階段高速鐵路在黃土地區(qū)得到了迅猛發(fā)展,而高速鐵路對(duì)路基及相關(guān)設(shè)施有較為苛刻的沉降要求,這導(dǎo)致大量地基需要被處理。由于缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn),近年來廣大工程師和學(xué)者在這方面做出了諸多探究性工作。徐實(shí)[1]長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)灰土擠密樁處理后黃土路基的工后沉降量,找出黃土路基工后沉降規(guī)律,為黃土地基處理措施的選擇提供借鑒。黃雪峰[2]論述了大厚度自重濕陷性黃土地基處理的原則并探討了大厚度自重濕陷性黃土地基整片處理、局部處理及多種處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性。張戎令[3]著重對(duì)不同水灰比和漿材摻量的黃土進(jìn)行試驗(yàn),確定出合理漿液配合比,并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中,同時(shí)用不同檢測(cè)方法對(duì)比,分析注漿效果。齊靜靜[4]分析了自重濕陷性黃土浸水過程中樁側(cè)負(fù)摩阻力的變化規(guī)律及濕陷變形對(duì)基樁豎向承載力性能的影響。朱彥鵬[5]認(rèn)為樁周土體沉降速率變化對(duì)樁身軸力改變影響并不大,對(duì)樁負(fù)摩阻力的改變影響較小,中性點(diǎn)位置變化很小,而不影響負(fù)摩阻力的極限值。李金平[6]歸納出柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理,得出適當(dāng)提高樁體和褥墊層的彈性模量可以有效的提高復(fù)合地基的承載力及復(fù)合地基中樁-土荷載分擔(dān)比,減小復(fù)合地基沉降量。王長(zhǎng)丹[7]得到了濕陷過程主要分為顯著濕陷變形階段、濕陷穩(wěn)定變形階段以及水位下降后土體的固結(jié)變形階段。柳墩利[8]提出了路堤的沉降主要體現(xiàn)為地基沉降,而地基沉降主要體現(xiàn)為下臥層沉降的觀點(diǎn),對(duì)孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法進(jìn)入了深入研究。王應(yīng)銘[9]確定了濕陷性黃土地基處理原則,取得的成果對(duì)工程運(yùn)用具有借鑒意義。雖然對(duì)黃土區(qū)域路基沉降控制有了比較豐富的研究成果。但是由于地質(zhì)條件和地層的不確定性使得這些研究成果在工程上的運(yùn)用具有一定的局域性,特別是本工程原始地貌具有一定坡度且為填土深厚的路基。本文重點(diǎn)分析了該工程地基處理失效的原因,旨在減少類似工程地基處理失效的發(fā)生,從而減少不必要的工程投資。

    1 地質(zhì)情況概述

    工點(diǎn)范圍內(nèi)分布第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土及上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂層、角礫土、圓礫土、卵石土,其地層剖面示意圖如圖1所示。

    該站場(chǎng)地基不滿足規(guī)范要求,對(duì)其進(jìn)行了處理:在地基表面鋪設(shè)摻加6%水泥的改良土墊層0.5 m厚。緊接著是采用水泥土擠密樁處理,其中加固I區(qū)樁徑0.4 m,樁間距1.0 m,樁長(zhǎng)8 m,正三角形布置;加固II區(qū)樁徑0.4 m,樁間距1.0 m,樁長(zhǎng)6 m,正三角形布置;加固III區(qū)采用的是預(yù)鉆孔柱錘沖擴(kuò)樁,樁徑0.6 m,樁間距1.2 m,樁長(zhǎng)12 m,正三角形布置。站臺(tái)雨棚立柱基礎(chǔ)采用泥漿護(hù)壁機(jī)械鉆孔灌注樁,樁徑為0.6 m。在3#站臺(tái)和4#站臺(tái)之間的軌道為不停站軌道,采用的是樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

    2 沉降監(jiān)測(cè)

    該車站運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)不均勻沉降。為探究該站臺(tái)沉降發(fā)展趨勢(shì),對(duì)該站臺(tái)進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置:站臺(tái)(不含雨棚柱)布點(diǎn)150個(gè),雨棚柱布點(diǎn)30個(gè),蓋板溝布點(diǎn)25個(gè),接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)布點(diǎn)48個(gè),軌道左軌55個(gè),地道40個(gè),探坑布點(diǎn)2個(gè),各測(cè)點(diǎn)累積沉降量三維視圖如下圖2所示。

    結(jié)合地質(zhì)橫斷面可以看出:在1#站臺(tái)和2#站臺(tái)附近沉降量最大,在5#站臺(tái)附近沉降量次之,在樁板結(jié)構(gòu)附近的3#站臺(tái)和4#站臺(tái)沉降量較小。在樁板結(jié)構(gòu)上的4條不停站的軌道,沉降基本達(dá)到穩(wěn)定,且工后沉降量小于15 mm,滿足車輛運(yùn)行需要。而對(duì)停站的軌道,沉降量較大不滿足使用要求。這種現(xiàn)象說明了該車站樁板結(jié)構(gòu)的地基處理方式是成功的,而處理深度較淺的地基最終沉降量較大,是失效的。

    圖1 地層剖面圖Fig.1 Vertical stratigraphic section

    圖2 各測(cè)點(diǎn)累積沉降量三維視圖Fig.2 the The three-dimensional view of accumulate settlement of each the measuring points accumulate settlement

    本文不僅關(guān)注了沉降的相對(duì)值的大小,也需要了解沉降是否穩(wěn)定。整理沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線得到沉降速率,并認(rèn)為沉降速率小于0.04 mm/d為穩(wěn)定,不需要進(jìn)行處理。當(dāng)沉降速率大于0.04 mm/d,應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行整治。整理各結(jié)構(gòu)段測(cè)點(diǎn)的最大沉降量及沉降速率如表1所示。

    對(duì)于已完工的條狀建筑物,由于其跨度較大,為衡量該建筑物沉降的狀態(tài),采用沉降速率超過穩(wěn)定值的測(cè)點(diǎn)數(shù)及其所占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的比例作為參考指標(biāo),統(tǒng)計(jì)其比例如表2所示。

    雖然統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)數(shù)及其所占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的比例不能反映整體建筑物的不均勻沉降,但在一定程度上反映了建筑物的整體沉降。由上表數(shù)據(jù)可知,人行通道各測(cè)點(diǎn)沉降趨于穩(wěn)定,現(xiàn)已停止觀測(cè)。累積沉降量最大的點(diǎn)為1#站臺(tái)面點(diǎn)T03-5,沉降量為41.20 mm,累積沉降速率為0.15 mm/d。站臺(tái)1及站臺(tái)2沉降未穩(wěn)定點(diǎn)的比例最大。沉降未穩(wěn)定點(diǎn)共有100個(gè)點(diǎn),占總觀測(cè)點(diǎn)比例為31.5%。以上數(shù)據(jù)表明站臺(tái)的沉降還在繼續(xù),需要進(jìn)行整治。

    3 沉降原因分析

    工后沉降主要指最終沉降與運(yùn)營(yíng)前沉降之間的差值。無砟軌道路基竣工運(yùn)營(yíng)期若發(fā)生沉降,只能依靠扣件的調(diào)高能力使鋼軌向上抬高,扣件的抬高量是有限的,不允許超過15 mm,因此要求工后沉降不宜小于15 mm[9]。為了突出重點(diǎn),本文主要分析站臺(tái)1以及雨棚柱產(chǎn)生沉降以及差異性沉降的原因。

    表1 各位置測(cè)點(diǎn)累積沉降結(jié)果一覽表Tab.1 The cumulative settlement of the each measured points in each position

    表2 沉降監(jiān)測(cè)各位置測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)一覽表Tab.2 The stability of the each measured points in each position

    3.1 站臺(tái)1沉降分析

    重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了1#站臺(tái)的沉降,選取1#站臺(tái)具有代表性的測(cè)點(diǎn)沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖3所示。

    圖3 1#站臺(tái)代表性測(cè)點(diǎn)沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.3 The settlement versus time cCurves of the representative measuring points settlement with time in the 1# platform

    可以看出1#站臺(tái)的地表沉降大致分為四個(gè)階段,首先自開始監(jiān)測(cè)的2015年7月10號(hào)起沉降速率較快,為第一階段;然后沉降速率減慢,為第二階段;在2015年9月以后沉降速率快速增長(zhǎng),為第三階段;在2016年3月以后沉降速率再次減慢,為第四階段。為了便于分析將其沉降曲線簡(jiǎn)化為四段直線,其斜率依次為:0.16、0.021、0.144、0.057 mm/d。在第一階段和第二階段為路基的正常壓密沉降,在第三階段沉降速率突然增加,黃土的濕陷性能較好的解釋這種現(xiàn)象。而實(shí)際上也可以證明黃土地基的確發(fā)生了沉降。樁的剛度較大,樁的沉降主要由樁端土的變形而引起的,不考慮樁自身的變形。以此為根據(jù),選取具有代表性的雨棚樁基測(cè)點(diǎn)的沉降值來反演發(fā)生沉降的土層的范圍。雨棚樁基最大沉降量為18 0 mm,平均為100 mm,現(xiàn)按100 mm沉降量反算樁底附加應(yīng)力進(jìn)而反算中性點(diǎn)位置。沉降計(jì)算公式為:

    由力的平衡可知:

    帶入相關(guān)參數(shù)可以得到中性點(diǎn)埋深為14.14 m。即地面至埋深14.14 m之間土體沉降速率要大于樁身的沉降速率,而地基處理的深度在加固III區(qū)也只有12 m,即黃土地基發(fā)生了較大的變形。研究表明施工期間地基處理深度范圍內(nèi)的壓縮沉降量小于地基處理深度處的沉降量[8]。所以本文可以做出如下鑒定:本工程的路基工程以及其地基處理施工工藝是滿足要求的,其沉降值大約為第二階段結(jié)束時(shí)的4 mm。未處理的深部地基發(fā)生了較大沉陷,到目前為止約為27 mm。

    圖4 剖面沉降圖Fig.4 The section settlement

    本文也探究了1#站臺(tái)沉降較大的原因。整理到2016年4月5號(hào)截止分析剖面沉降累積量如圖4所示。沉降監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明1#站臺(tái)的沉降量和不均勻沉降程度都要大于5#站臺(tái)。其原因?yàn)椋涸嫉孛驳牡貏?shì)大約在沿里程增大的方向逐漸變低,車站的5#站臺(tái)一側(cè)的地勢(shì)要高于1#站臺(tái)一側(cè),人工填土從5.67 m增長(zhǎng)至12.96 m,在地基處理的過程中雖然按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)施工,但是由于先期固結(jié)壓力不一樣,黃土之間孔隙結(jié)構(gòu)存在較大的差別,導(dǎo)致處理后地基土的力學(xué)特性也存在較大差異。其次為大厚度的填土所引起的沉降。填土在此處即是承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載的土體,又是下部黃土的荷載。1#站臺(tái)處的黃土地基在自然沉積的過程中,土體之間的膠結(jié)力沒有同一標(biāo)高的5#站臺(tái)處的黃土地基強(qiáng),而黃土是結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的特殊土,在附加荷載作用下,黃土結(jié)構(gòu)性逐漸破壞,貫通的剪切帶形成,土體沿著剪切帶滑移,即沉降速率增大。該站臺(tái)路基土方施工過程受雨季影響,部分路基填料含水量偏高,站內(nèi)排水系統(tǒng)受路基沉降影響,導(dǎo)致部分排水系統(tǒng)失效,地表水的下滲最終造成了1#地基的濕陷,這是黃土地基沉降的又一主要原因。

    3.2 雨棚柱沉降分析

    雨棚柱長(zhǎng)度為31.1 m,為端承摩擦樁,該樁穿透黃土層,著力于圓粗礫土。本文也監(jiān)測(cè)了1#站臺(tái)雨棚柱的沉降,目的在于反映深層土體的變化,其測(cè)點(diǎn)沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖5所示。

    從圖5中可以看出雨棚柱的沉降也是分為四個(gè)階段,首先自開始監(jiān)測(cè)的2015年7月10號(hào)起沉降速率較快,為第一階段;然后沉降速率減慢,為第二階段;在2015年9月以后沉降速率快速增長(zhǎng),為第三階段;在2016年3月以后沉降速率再次減慢,為第四階段。與1#站臺(tái)相比可以看出雨棚柱的沉降在第三階段,存在較大的差異,在第三階段時(shí)雨棚柱最初以較小的速率增加,隨后速率增大。隨著埋深的增加,圍壓逐漸變大,土體被壓密,其抵抗變形能力也要強(qiáng)于表層土,故最終埋深較大的土體其沉降曲線要緩于表層土體。所以雨棚柱的力學(xué)特性在2015年11月份左右發(fā)生了變化。為說明問題,本位整理了1#站臺(tái)和雨棚柱的沉降簡(jiǎn)化曲線如圖6所示。

    圖5 雨棚柱沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.5 The settlement versus time Curves curves of the settlement with time in the canopy column

    圖6 1#站臺(tái)和雨棚柱的沉降簡(jiǎn)化曲線示意圖Fig.6 The simplified settlement curve of the 1# platform and the canopy column

    沉降的發(fā)生主要由兩部分組成:一部分由土顆粒之間的孔隙被壓縮而發(fā)生沉降,另一部分由土顆粒之間的滑移而產(chǎn)生沉降[10]。結(jié)構(gòu)性、非飽和性和濕陷性是濕陷性黃土三個(gè)主要特性,結(jié)構(gòu)性的破壞是引起黃土有較大沉降的主要原因[11]。黃土碳酸鹽的膠結(jié)作用構(gòu)成了黃土較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和特殊粒狀架空結(jié)構(gòu)體系,這使得在天然狀態(tài)下黃土表現(xiàn)出的強(qiáng)度很高,孔隙比較大。但是當(dāng)膠結(jié)作用失去之后,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞,土體自重壓力下即使地面荷載不變土體沉陷。如圖6所示,在第三階段,地表的沉降速率大于雨棚的沉降速率,負(fù)摩阻力產(chǎn)生,這使得雨棚柱的沉降速率增大,在此過程中伴隨著黃土的結(jié)構(gòu)性逐漸損傷,在2015年11月份,黃土的結(jié)構(gòu)性損傷達(dá)到臨界值,其抵抗荷載的能力突然喪失,造成較大規(guī)模的黃土沉降速率大于雨棚柱的沉降,負(fù)摩阻力大量產(chǎn)生,當(dāng)樁側(cè)有利的摩擦力變成不利的負(fù)摩阻力時(shí),樁端土體就發(fā)生了較大變形,其沉降速率再次增加,形成圖6的形式。所以單純的依賴樁的剛度來控制結(jié)構(gòu)變形是存在風(fēng)險(xiǎn)的,應(yīng)該嚴(yán)格控制樁側(cè)黃土地基抵抗變形的能力。

    4 解決方案探討

    從以上的分析可以看出黃土地基的沉陷是此站臺(tái)發(fā)生不均勻沉降的主要原因。而地基處理深度不夠是黃土地基沉陷的主要原因。目前處理黃土地基沉陷具體方式也很多,歸納起來其原理[12-13]總共有如下4種:(1)消除全部的地基黃土層濕陷性,處理埋深一般在15 m以內(nèi)。(2)消除部分的地基黃土層濕陷性,根據(jù)構(gòu)筑物的重要性及分類,限定最小處理厚度,嚴(yán)格控制剩余濕陷量。(3)基礎(chǔ)穿透濕陷性黃土層,傳力于非濕陷性土層或可靠的持力層上,常用方法就是樁基。(4)充分做好構(gòu)筑物基礎(chǔ)的防水、排水措施,使基礎(chǔ)下濕陷性黃土地基無法浸水,以達(dá)到避免地基濕陷的目的。可以看出,1#站臺(tái)地基處理深度為12 m,地基處理深度有待加深。在施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上有較大困難,可以考慮應(yīng)力的擴(kuò)散或地基整片處理,即加強(qiáng)處理后地基之間的協(xié)調(diào)性也可以擴(kuò)大地基處理的范圍。由于該站臺(tái)已經(jīng)正常運(yùn)營(yíng),為保證該站臺(tái)正常工作,不影響旅客外出,本次整治方案不計(jì)成本,采用高效的高壓旋噴樁技術(shù)。

    5 結(jié)論

    1)黃土地區(qū)地面沉降可分為4個(gè)階段,即增長(zhǎng)期、平穩(wěn)期、加速期、以及最終穩(wěn)定期。黃土的沉陷是造成沉降再次加速的原因。建議黃土地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)該予以加長(zhǎng),以確定建筑物是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

    2)黃土的沉陷不僅使地表發(fā)生不均勻沉降,也會(huì)改變黃土區(qū)樁基的力學(xué)性質(zhì),造成更大埋深土體的變形,單純的依賴樁的剛度來控制結(jié)構(gòu)變形是存在風(fēng)險(xiǎn)的,也應(yīng)該控制樁側(cè)土體變形。對(duì)于類似工程在施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上有較大困難,可以考慮將應(yīng)力擴(kuò)散或地基整片處理。

    3)在具有坡度的黃土區(qū)域,同一標(biāo)高地層土體具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)和土體強(qiáng)度,深厚填土對(duì)基礎(chǔ)以下較深地基會(huì)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,在這兩種作用下地面標(biāo)高低的區(qū)域會(huì)發(fā)生更大的變形。減少黃土結(jié)構(gòu)性的損傷或者減少土顆粒之間的孔隙比是減小黃土區(qū)域類似工程質(zhì)量缺陷的關(guān)鍵。

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    [13] GB50025-2004,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

    (責(zé)任編輯 王利君)

    Discussion on differential settlement of the station of passenger dedicated line in collapsible loess zone

    TIAN Xiaofeng1,LUO Huiwu2,CHEN Peishuai2

    (1. No.6 Eng. Co., Ltd. of CCCC Second Harbor Engineering Co., Ltd., 430040, China; 2. Technology Center of CCCC Second Harbor Engineering Co Ltd,Wuhan 430040,China)

    The reason of the failure of foundation treatment in a certain slope and deep artificial fill area is investigated by analyzing the site investigation and the settlement observation. The useful conclusions can be drawn: (1) the settlement in collapsible loess zone can be divided into 4 stages: the growth period, the stable period, the acceleration period and the last stable period. The increase of the rate of the ground subsidence is caused by the collapse of loess soil. The settlement observation time is suggested to be longer to assure the settlemen t of the construction in the last stable period.(2)the collapse of loess soil not only cause the differential ground subsidence, but also change the mechanical characteristics of pile foundation. Only relying on the stiffness of pile foundation to control the displacements of structure is dangerous, but the deformation of soil near the pile foundation should be considered as well. (3)When the foundation of the construction is in a certain slope, the cementation of soil grains in a low height is weaker than those in a high height, which causes the low area deforming largely.

    post-construction settlement;collapsible loess;uneven deep f ill soil;settlement control

    TU4

    A

    1673-9469(2017)01-0024-06

    10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.006

    2016-09-13

    國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金項(xiàng)目(51379200)

    田霄峰(1984-),男,湖北武漢人,碩士,副總工,從事道路橋梁方面的研究。

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