高速鐵路中低壓縮性土地基沉降控制有關(guān)問(wèn)題研究

王璦琳,崔俊杰,韓志霞,張 強(qiáng)

(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430205； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

高速鐵路路基結(jié)構(gòu)的變形主要由兩部分組成：路基本體變形、地基沉降，其中路基本體變形包括填料的壓密變形及列車荷載引起的彈性變形。根據(jù)已有資料，路基本體變形一般為路基高度的0.1%～0.5%，填筑完成1年后趨于穩(wěn)定[1]；列車荷載引起的彈性變形，一般不到0.22 mm[2]。因此，高速鐵路路基沉降控制的研究重點(diǎn)是地基沉降控制。

對(duì)于高速鐵路而言，現(xiàn)行鐵路行業(yè)的地基土分類標(biāo)準(zhǔn)[3]已經(jīng)不適應(yīng)其路基沉降控制的需要。文獻(xiàn)[4]依托京滬、寧安、張呼、吉琿等國(guó)內(nèi)多條高速鐵路，采用綜合勘察、特種土工試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與沉降變形監(jiān)測(cè)等方法，進(jìn)行了地基土的工程特性與分類研究，基于高速鐵路路基沉降變形控制之目的，提出了將地基土按照壓縮系數(shù)a0.1-0.2劃分為低、中低、中高、高壓縮性等4類。

在高速鐵路路基勘察設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到的地基承載力在150 kPa以上的黏性土、粉土、砂類土、碎石類土以及全風(fēng)化巖等土質(zhì)地基，其壓縮系數(shù)一般介于0.1～0.3 MPa-1，多屬中低壓縮性土。該類土質(zhì)地基的變形隨時(shí)間發(fā)展特性與飽和軟黏土有很大的不同，其實(shí)測(cè)沉降值遠(yuǎn)低于理論計(jì)算結(jié)果[5]。本文擬結(jié)合國(guó)內(nèi)多個(gè)高速鐵路的建設(shè)、科研實(shí)踐，對(duì)中低壓縮性土地基沉降計(jì)算的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，其研究結(jié)論有助于優(yōu)化高速鐵路路基地基沉降控制設(shè)計(jì)、降低工程投資。

2 中低壓縮性土的工程特性

我國(guó)地域遼闊，中低壓縮性土分布廣泛，在平原區(qū)大多為沖洪積、沖湖積成因，在低山丘陵區(qū)及其前緣一般為沖坡積、坡殘積成因。通過(guò)對(duì)京滬、寧安、吉琿、張呼等高速鐵路多個(gè)試驗(yàn)工點(diǎn)勘察資料的分析(表1)，中低壓縮性土具有如下工程特性[5-9]：

從各土層物理指標(biāo)看，天然含水率較低，主要在20%～25%；孔隙比較小，主要在0.64～0.86；飽和度在90%～92%，屬高飽和度土。從各土層變形指標(biāo)看，壓縮系數(shù)較小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1；壓縮模量較大，在8.43～11.61 MPa；另外，中低壓縮性土普遍具有超固結(jié)特性，其超固結(jié)比最大達(dá)21.4。

表1 中低壓縮性土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3 中低壓縮性土變形的時(shí)間效應(yīng)

3.1 土體變形的狀態(tài)類別

地基土的物理狀態(tài)相同時(shí)，在不同應(yīng)力水平下，其塑性變形將呈現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律。即地基的變形特性與其所受的應(yīng)力水平密切相關(guān)，在較小的應(yīng)力水平下塑性變形較小且很快趨于穩(wěn)定，隨著應(yīng)力水平的增加變形逐漸增大、變形速率加快。另一方面，地基的變形特性與其自身的物理力學(xué)特性也是密切相關(guān)的。不同強(qiáng)度的地基土在相同的荷載條件下，呈現(xiàn)出不同的變形隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律。

近年來(lái)，羅強(qiáng)等研究提出：長(zhǎng)期荷載作用下地基土的塑性變形演化呈現(xiàn)為快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞和快速破壞等4個(gè)狀態(tài)類別[10](圖1)，并建立了基于變形速率為核心指標(biāo)，以負(fù)冪函數(shù)為數(shù)學(xué)表達(dá)式的變形狀態(tài)“冪次判別法”，見(jiàn)式(1)。

圖1 長(zhǎng)期荷載作用下地基土的塑性變形狀態(tài)

(1)

式中，ε′(t)為塑性應(yīng)變速率；T1、T2為與材料和試驗(yàn)條件有關(guān)的參數(shù)；p為函數(shù)的冪次。

p≥2時(shí)為快速穩(wěn)定狀態(tài)，1

3.2 土體變形狀態(tài)與應(yīng)力水平的關(guān)系研究

實(shí)際上，完全采用“冪次判別法”獲得土體塑性變形狀態(tài)閾值偏于嚴(yán)格，可以通過(guò)應(yīng)力水平和p值關(guān)系來(lái)判斷土體的變形狀態(tài)。研究中，采用取自吉圖琿鐵路的中低壓縮性粉質(zhì)黏土土樣，通過(guò)基于變形時(shí)間效應(yīng)的三軸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、單元結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)等，驗(yàn)證了土體隨著應(yīng)力水平的增加，其變形演化呈現(xiàn)快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態(tài)，并確定了這4種狀態(tài)與其所受的應(yīng)力水平的關(guān)系，應(yīng)力水平采用荷載比k(峰值偏應(yīng)力和極限承載力的百分比)來(lái)描述，詳見(jiàn)表2。

4 中低壓縮性土地基的壓縮層厚度研究

地基的壓縮層厚度受基礎(chǔ)寬度、基底附加應(yīng)力、地基土性和地層結(jié)構(gòu)等多種因素影響，理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明：基底附加應(yīng)力一定時(shí)，地基壓縮層的深度隨基礎(chǔ)寬度的增加而增長(zhǎng)，但增速逐漸減緩，最終接近于常數(shù)；對(duì)一定寬度的基礎(chǔ)，地基壓縮層的深度則隨基底附加應(yīng)力提高而增大。

表2 吉圖琿鐵路中低壓縮性粉質(zhì)黏土的變形狀態(tài)與

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路行業(yè)主要采用應(yīng)力比控制法確定地基壓縮層厚度，高速鐵路地基壓縮層厚度按0.1倍應(yīng)力比法取值，其他鐵路按0.2倍應(yīng)力比法取值，確定的壓縮層下有軟土?xí)r，應(yīng)繼續(xù)增加計(jì)算深度[11-12]。目前規(guī)范[11-14]對(duì)于壓縮層厚度的確定方法，主要是沿用了軟土地基壓縮層厚度的確定方法，未考慮地基變形的時(shí)間效應(yīng)和地基土強(qiáng)度等因素，對(duì)高速鐵路中低壓縮性土地基而言，需作進(jìn)一步的深入研究。

4.1 具有變形時(shí)間效應(yīng)的地基壓縮層厚度研究的基本思路

根據(jù)中低壓縮性土變形的時(shí)間效應(yīng)研究，地基土的塑性變形演化隨著其所受附加應(yīng)力水平的提高呈現(xiàn)為快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞和快速破壞4個(gè)狀態(tài)類別。以土質(zhì)地基為例，當(dāng)?shù)鼗砻娴母郊雍奢d一定時(shí)，隨著地基深度的增加地基中的附加應(yīng)力將會(huì)逐步衰減，地基中的土體將會(huì)處于不同的變形狀態(tài)。當(dāng)?shù)鼗_(dá)到某一深度時(shí)，其土體變形就會(huì)達(dá)到快速穩(wěn)定狀態(tài)，即該深度以下地基在相應(yīng)附加應(yīng)力下的塑性變形會(huì)快速完成，不會(huì)對(duì)路基的工后沉降造成影響，我們就稱此范圍為地基變形具有時(shí)間效應(yīng)的區(qū)域，其下地基為不具有時(shí)間效應(yīng)的區(qū)域，具有變形時(shí)間效應(yīng)的區(qū)域即為該附加荷載作用下的地基壓縮層范圍[5]。

確定具有變形時(shí)間效應(yīng)的地基壓縮層厚度的基本原理是：以地基承受的豎向附加應(yīng)力和豎向自重應(yīng)力之和作為荷載條件；以水平自重應(yīng)力為提供抗剪強(qiáng)度的小主應(yīng)力，根據(jù)變形狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)，參照莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，得到相應(yīng)的臨界大主應(yīng)力沿深度的變化曲線，即變形狀態(tài)強(qiáng)度線。根據(jù)荷載與變形狀態(tài)強(qiáng)度線的關(guān)系，將地基由上自下劃分為具有變形時(shí)間效應(yīng)和不具有變形時(shí)間效應(yīng)區(qū)域(圖2)。其中，變形具有時(shí)間效應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的地基厚度hI，即為具有變形時(shí)間效應(yīng)的壓縮層厚度。

圖2 具有變形時(shí)間效應(yīng)的地基壓縮層厚度確定示意

4.2 變形狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算

通過(guò)對(duì)表2土體變形狀態(tài)與應(yīng)力水平關(guān)系的相關(guān)試驗(yàn)成果的綜合判定，吉圖琿鐵路中低壓縮性粉質(zhì)黏土變形的4種狀態(tài)的3個(gè)閾值可按荷載比認(rèn)定為：10%，70%，90%。在三軸試驗(yàn)中，荷載比k為3個(gè)變形狀態(tài)系數(shù)kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)即為極限狀態(tài)摩爾圓的最小主應(yīng)力不變(圍壓未變)，偏應(yīng)力(摩爾圓直徑)為極限狀態(tài)最大偏應(yīng)力(極限摩爾圓直徑)乘以對(duì)應(yīng)的變形狀態(tài)系數(shù)kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%，此時(shí)可得到變形狀態(tài)系數(shù)kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%時(shí)對(duì)應(yīng)的3條公切線，即為該土樣的3條變形狀態(tài)分界線。

圖3 變形狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算原理

(2)

(3)

4.3 具有變形時(shí)間效應(yīng)的地基壓縮層厚度的計(jì)算方法

在具有變形時(shí)間效應(yīng)的壓縮層厚度研究時(shí)，假設(shè)地基為均質(zhì)地基，地基在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力作用下的變形狀態(tài)處于快速穩(wěn)定變形狀態(tài)；考慮中低壓縮性地基土的超固結(jié)特性，地基土的側(cè)向土壓力系數(shù)λ=1，則小主應(yīng)力(水平自重應(yīng)力)等于地基的豎向自重應(yīng)力。

這樣，可以按快速穩(wěn)定變形狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)ci和φi(其中i=I)，采用式(4)計(jì)算變形狀態(tài)強(qiáng)度線；根據(jù)式(5)的荷載強(qiáng)度-變形狀態(tài)關(guān)系，按式(6)計(jì)算具有變形時(shí)間效應(yīng)的壓縮層厚度hI。

(4)

(5)

γhI+σz=γhItan2(π/4+φI/2)+

2cItan(π/4+φI/2)

(6)

4.4 基于工程應(yīng)用的中低壓縮性土地基的壓縮層厚度確定方法

實(shí)踐中，地基是分層的非均質(zhì)體，不同類型的工程結(jié)構(gòu)對(duì)沉降控制的要求也不盡相同，我國(guó)不同行業(yè)的工程技術(shù)人員，在實(shí)際工作中結(jié)合各自的工程特點(diǎn)，對(duì)地基的壓縮層厚度做了很多的研究[15-20]。為盡可能符合鐵路工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣，簡(jiǎn)化計(jì)算方法，有必要與現(xiàn)行鐵路規(guī)范[11-12]確定壓縮層厚度的應(yīng)力比法進(jìn)行對(duì)照研究。

對(duì)吉圖琿鐵路的中低壓縮性土地基，考慮計(jì)算地基變形的時(shí)間效應(yīng)，按上述方法采用快速穩(wěn)定變形狀態(tài)線確定的地基壓縮層厚度hI如表3所示。同時(shí)，采用現(xiàn)行規(guī)范，按應(yīng)力比分別取0.1、0.2、0.3和0.5計(jì)算的地基壓縮層厚度Zn一并列入表中進(jìn)行對(duì)比。

表3 變形時(shí)間效應(yīng)法和應(yīng)力比法確定的地基壓縮層厚度對(duì)比 m

圖4 應(yīng)力比法和變形時(shí)間效應(yīng)法計(jì)算路堤地基壓縮層厚度的對(duì)比

具有變形時(shí)間效應(yīng)的地基壓縮層厚度hI隨H變化，與應(yīng)力比法確定的地基壓縮層厚度Zn變化規(guī)律一致，近似呈線性增長(zhǎng)。如圖4所示，hI與按ψ=0.2應(yīng)力比法確定的壓縮層厚度基本一致，因而對(duì)于類似吉圖琿鐵路中低壓縮性土地基的壓縮層厚度，可采用0.2倍應(yīng)力比值法確定。

5 研究結(jié)論

在高速鐵路路基勘察設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到地基承載力在150 kPa以上的黏性土、粉土以及全風(fēng)化巖等土質(zhì)地基，多屬中低壓縮性土。中低壓縮性土普遍具有天然含水率較低、孔隙比較小以及超固結(jié)等工程特性，其壓縮系數(shù)較小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1，壓縮模量較大，在8.43～11.61 MPa；但其飽和度介于90%～92%，屬高飽和度土。在高速鐵路路基沉降分析與控制時(shí)，應(yīng)充分考慮其變形的時(shí)間效應(yīng)。

采用取自吉圖琿鐵路的中低壓縮性粉質(zhì)黏土土樣，通過(guò)基于變形時(shí)間效應(yīng)的三軸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、單元結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)等，驗(yàn)證了土體隨著應(yīng)力水平的增加，其變形演化呈現(xiàn)快速穩(wěn)定、緩慢穩(wěn)定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態(tài)。對(duì)類似的中低壓縮性土地基，其4種狀態(tài)的3個(gè)閾值可按荷載比分別認(rèn)定為：10%，70%，90%。

對(duì)于高速鐵路路基沉降控制而言，由于其工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，在具有變形時(shí)間效應(yīng)的壓縮層厚度研究時(shí)，認(rèn)為地基在自重應(yīng)力及附加應(yīng)力的作用下其變形狀態(tài)應(yīng)處于快速穩(wěn)定變形狀態(tài)，并據(jù)此確定地基具有變形時(shí)間效應(yīng)的區(qū)域和壓縮層厚度。為便于鐵路工程設(shè)計(jì)人員使用，通過(guò)對(duì)比研究得出：高速鐵路中低壓縮性土地基的壓縮層厚度，可采用0.2倍應(yīng)力比值法確定。