合福高速鐵路更新統(tǒng)黏性土地基沉降測(cè)試與分析

王亞飛

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

更新統(tǒng)黏性土地基具有低含水率、小孔隙比、中等偏低的壓縮特性，其沉降固結(jié)特性不同于飽和軟黏土。高速鐵路對(duì)路基工程工后沉降要求嚴(yán)格，一般地段不宜大于15 mm，所有土質(zhì)地基均需要進(jìn)行工后沉降分析。更新統(tǒng)黏性土地基在河流高階地廣泛分布，而高速鐵路在一級(jí)階地廣泛使用“以橋代路”后，路基多分布于此類地基土上。多個(gè)高速鐵路的實(shí)測(cè)資料表明，經(jīng)過(guò)CFG樁網(wǎng)、樁筏等結(jié)構(gòu)處理后的地基實(shí)測(cè)沉降量遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值[1-2]，其沉降變形在路基荷載穩(wěn)定后可快速穩(wěn)定。復(fù)合地基施工期沉降約占總沉降的60%以上[3-7]，非飽和中等壓縮性土地基施工期沉降完成比例甚至更高[8]。

CFG樁復(fù)合地基在高速鐵路地基加固中應(yīng)用廣泛，但現(xiàn)行規(guī)范對(duì)復(fù)合地基沉降尤其是中低壓縮性土的地基沉降計(jì)算理論尚不能完全符合實(shí)際觀測(cè)資料，且難以滿足高速鐵路毫米級(jí)的計(jì)算精度。合肥地區(qū)廣泛分布上更新統(tǒng)(Q3)黏性土，本文以合福高速鐵路合肥市肥東縣地區(qū)晚更新統(tǒng)黏性土地基上典型試驗(yàn)工點(diǎn)為依托，開(kāi)展了CFG樁復(fù)合地基、路基填筑、沉降觀測(cè)等試驗(yàn)，對(duì)指導(dǎo)類似工程建設(shè)具有重要意義。

1 工點(diǎn)設(shè)計(jì)及測(cè)試方案

1.1 工程地質(zhì)概況

合福高速鐵路試驗(yàn)工點(diǎn)位于合肥市肥東縣附近，屬長(zhǎng)江二級(jí)階地區(qū)，地勢(shì)較平緩。表層為4～6 m厚第四系全新統(tǒng)可塑～硬塑粉質(zhì)黏土，局部夾薄層砂層；其下為上更新統(tǒng)硬塑黏土，具中等膨脹性，厚度15～20 m；下伏白堊系含礫泥質(zhì)砂巖。第四系壓縮層厚度約23～26 m。

各地層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，黏性土地層由上至下含水率有所減小，壓縮性逐漸降低，但均屬于中等壓縮性土范疇。

表1 各地層物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 地基處理設(shè)計(jì)及測(cè)試方案

試驗(yàn)工點(diǎn)為雙線無(wú)砟軌道路基，路基面寬13.6 m，填土高度約8.0～8.5 m，路堤坡率1∶1.5。地基采用CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)+堆載預(yù)壓處理，CFG樁樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)14～16 m，間距1.6～1.8 m，正方形布置，樁頂設(shè)置0.6 m 厚碎石、中粗砂墊層夾鋪2層高強(qiáng)土工格柵；堆載預(yù)壓高3.0 m。試驗(yàn)選取3個(gè)代表性斷面進(jìn)行地基分層沉降、地基面沉降及坡腳側(cè)向位移等綜合監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面相距12～40 m。試驗(yàn)工點(diǎn)測(cè)試斷面如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)工點(diǎn)測(cè)試斷面示意

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 施工情況

各測(cè)試斷面距離較近，其施工時(shí)間大致相同。主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)如下：2011年5月28日開(kāi)始褥墊層填筑施工，5月30日開(kāi)始第1層路基本體填筑;2012年1月8日完成基床底層填筑，2月17日開(kāi)始預(yù)壓土堆載;2013年1月15日開(kāi)始卸載，1月29日運(yùn)梁車(chē)第1次通過(guò)。

2.2 地基表面沉降

埋設(shè)于路基中心及路肩對(duì)應(yīng)處地基表面的單點(diǎn)沉降計(jì)錨固端埋設(shè)深度為23～26 m，均位于強(qiáng)風(fēng)化基巖。埋深置于強(qiáng)風(fēng)化基巖的單點(diǎn)計(jì)基本可代表本斷面的地基可壓縮層變形總量，見(jiàn)圖2。

圖2 地基表面沉降曲線

由圖2可知：經(jīng)CFG樁復(fù)合地基加固后，地基總沉降較小。除DK23+960斷面地基表面沉降偏大(約48 mm)以外，其余斷面基底總沉降在20.7～23.8 mm，路基中心與路肩處差異沉降不明顯。不同斷面地基沉降趨勢(shì)基本相同，隨路基填筑荷載增加地基沉降逐漸增大，荷載穩(wěn)定后，沉降也很快穩(wěn)定。由于路基填筑期較長(zhǎng)(約7.5個(gè)月)，填筑期沉降速率一般<1 mm/d，施工期沉降完成比例較高，約占總沉降的67%～83%，預(yù)壓期間相對(duì)沉降量約3～9 mm，平均約為5.6 mm，堆載預(yù)壓期較長(zhǎng)(約11個(gè)月)，卸載后沉降增加幅度<1 mm，地基未見(jiàn)明顯回彈，路基工后沉降較容易控制，滿足無(wú)砟軌道的鋪設(shè)要求。

2.3 地基分層沉降

在DK23+960斷面4.8，14.05，18.05，26 m深度分別埋設(shè)了單點(diǎn)沉降計(jì)，本斷面CFG樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)14 m。該斷面分層壓縮變形量曲線見(jiàn)圖3。

圖3 DK23+960斷面單點(diǎn)沉降計(jì)分層壓縮變形量曲線

由圖3可知：CFG樁加固深度14 m范圍內(nèi)壓縮變形量為29.41 mm，路基中心26 m深度范圍內(nèi)地基壓縮變形總量為48 mm，加固區(qū)沉降約占變形總量的61.3%，下臥層約占變形總量的38.7%。而淺層0～4.8 m深度內(nèi)壓縮變形量為25.85 mm，占總沉降的53.85%，樁身下部4.8～14 m壓縮變形量?jī)H為3.56 mm，約占總沉降的7.42%。這說(shuō)明地基變形主要發(fā)生在加固區(qū)淺層及下臥層，樁頂淺層存在較大的刺入變形，而樁身中下部加固區(qū)壓縮量較小。

圖4為該斷面磁環(huán)式分層沉降測(cè)試結(jié)果。可知：總體規(guī)律與前述單點(diǎn)沉降計(jì)基本一致，但加固區(qū)壓縮變形量更小。復(fù)合地基加固區(qū)不同深度內(nèi)沉降量分布基本相同(沉降量呈豎直線)，表明加固區(qū)地基壓縮變形量較小。

圖4 DK23+960斷面磁環(huán)式分層沉降曲線

統(tǒng)計(jì)各測(cè)試斷面分層沉降結(jié)果見(jiàn)表2?？芍杭庸虆^(qū)沉降量占地基總沉降的比例<14%，下臥層沉降量占總沉降量的比例>86%。

2.4 地基側(cè)向位移

典型斷面深層位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖5。可知：更新統(tǒng)黏性土地基天然強(qiáng)度較高，測(cè)得其地基水平位移隨著深度的增加而減小，最大水平位移靠近地表，一般約為6～8 mm，最大不超過(guò)12 mm，2 m深度以下水平位移一般<5～6 mm。說(shuō)明CFG樁復(fù)合地基增加了地基剛度，約束了地基的側(cè)向變形，有利于減小地基總沉降。

表2 加固區(qū)與下臥層沉降比例

圖5 DK23+960左右側(cè)坡腳側(cè)向位移曲線

2.5 復(fù)合地基沉降理論計(jì)算

由于復(fù)合基樁的存在，實(shí)際改變了地基中的應(yīng)力分布。有研究表明，對(duì)于中等壓縮性土采用Mindlin-Boussinessq聯(lián)合法得到的附加應(yīng)力更符合下臥層實(shí)際沉降[9]。對(duì)于復(fù)合地基加固區(qū)，大量實(shí)測(cè)資料顯示其壓縮變形量較小，因而采用樁身壓縮加樁頂刺入法計(jì)算加固沉降與實(shí)際較為吻合[10]。對(duì)于天然強(qiáng)度較高的中低壓縮性土，在較低的荷載水平下，地基沉降處于彈性變形階段，因此孫紅林等[1]推薦采用“似彈性分析”法按“沉降完成比例”進(jìn)行工后沉降分析。

本文采用TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)范》的復(fù)合模量法對(duì)前述斷面進(jìn)行了沉降理論計(jì)算，加固區(qū)采用置換率計(jì)算其復(fù)合模量，地基應(yīng)力采用布氏解，沉降計(jì)算深度按附自比0.1考慮。測(cè)試斷面沉降理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 測(cè)試斷面沉降理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

注：ψs為沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

由表3可知：在壓縮模量當(dāng)量值約15～16 MPa時(shí)，沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)約為0.10～0.22，與GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》查表值相比，約為規(guī)范值的27%～55%。由于鐵路路基荷載是柔性荷載，其受力特征及應(yīng)力擴(kuò)散方式與剛性基礎(chǔ)有很大差異，套用GB 50007—2011計(jì)算路基荷載作用下的地基沉降可能存在較大的誤差。

從試驗(yàn)工點(diǎn)的沉降曲線來(lái)看，荷載穩(wěn)定后，地基土的沉降收斂較快，與飽和軟黏土的固結(jié)狀態(tài)明顯不同。因此，對(duì)于超固結(jié)狀態(tài)的更新統(tǒng)黏性土不適合采用飽和黏土的滲透固結(jié)理論進(jìn)行工后沉降分析。鑒于荷載穩(wěn)定后沉降收斂較快的特點(diǎn)，推薦采用沉降完成“經(jīng)驗(yàn)比例法”進(jìn)行工后沉降計(jì)算。根據(jù)實(shí)測(cè)資料擬合其最終沉降，各斷面的不同時(shí)期沉降完成比例見(jiàn)表4。

表4 復(fù)合地基不同時(shí)期沉降完成比例

由于試驗(yàn)斷面填筑期長(zhǎng)達(dá)7.5個(gè)月，施工期沉降完成比例超過(guò)70%;荷載穩(wěn)定3個(gè)月后超過(guò)97%；6個(gè)月后為98%～99%?？紤]路基填筑期的不同，理論計(jì)算可偏安全取值，加固區(qū)沉降完成比例可取相對(duì)高值。

3 結(jié)論與建議

1)更新統(tǒng)黏性土CFG樁復(fù)合地基在路基填筑期內(nèi)即可完成大部分地基沉降。填土高度8.5 m、填筑期約7.5個(gè)月時(shí)，施工期實(shí)測(cè)沉降完成比例超過(guò)70%。該類地基土在荷載穩(wěn)定后，沉降變形具有快速收斂的特征，地基總沉降及側(cè)向變形均較小。

2)復(fù)合地基總沉降主要由加固區(qū)淺層及下臥層沉降組成，CFG樁中下部加固區(qū)沉降僅占總沉降的7%～15%；下臥層沉降約占總沉降的39%～87%。因此，對(duì)控制更嚴(yán)格的過(guò)渡段等部位，對(duì)淺層松軟地層采取換填、夯實(shí)等必要的預(yù)加固處理措施，可進(jìn)一步有效減小地基總沉降。

3)采用規(guī)范復(fù)合模量法進(jìn)行的沉降理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演對(duì)比，在壓縮模量當(dāng)量值為15～16 MPa時(shí)，反演沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)約為0.10～0.22，約為規(guī)范值的27%～55%。更新統(tǒng)黏性地基土推薦采用沉降完成“經(jīng)驗(yàn)比例法”進(jìn)行路基工后沉降分析?？紤]路基填筑期的不同、綜合規(guī)范，更新統(tǒng)黏性土復(fù)合地基推薦路基填筑期沉降完成比例可取60%～70%，荷載穩(wěn)定3個(gè)月后沉降完成比例可取85%～90%，6個(gè)月后可取95%，加固區(qū)可取相對(duì)高值，采用樁身彈性變形法計(jì)算時(shí)加固區(qū)淺層宜考慮樁頂刺入變形影響，殘余沉降計(jì)入工后沉降。

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