某高速鐵路動車段地基處理沉降研究分析

韓竹青

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

不良地質(zhì)條件造成的沉降問題給高速鐵路路基的穩(wěn)定造成了較大影響。當高鐵工程通過沿海、湖泊等地區(qū)時，對淤泥質(zhì)軟土的地基處理就顯得十分重要。

在國內(nèi)，張麗娟等[1]結合廣州南沙泰山石化倉儲區(qū)1期淤泥質(zhì)地基處理工程，基于沉降觀測結果，認為填土預壓和塑料排水板的地基加固效果明顯。薛元等[2]通過對滇池附近淤泥質(zhì)土地基處理工程的穩(wěn)定及沉降簡算，認為采用水泥土攪拌樁處理可行。王志偉等[3]采用數(shù)值模擬分析，認為預應力管樁對處理含水量較高的深厚軟土地基效果顯著。當一項工程中對沉降有不同要求時，應對各種地基處理效果進行橫向?qū)Ρ龋x擇最優(yōu)處理方案。以下結合某境外高速鐵路動車段的工程實際需求，根據(jù)其工程地質(zhì)概況，通過沉降計算，對幾種常見的地基處理形式進行分析探討，為類似地質(zhì)條件下的高鐵地基處理工程提供設計理論依據(jù)。

圖1 動車段平面及鉆孔布置

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

某境外鐵路為設計速度250 km/h的客貨共線鐵路，動車段范圍對應正線里程DK37-DK42，動車段內(nèi)股道路基填高5.0 m，路基邊坡坡率為1∶1.75，場坪區(qū)域填高4.5～5.5 m。該動車段按沉降控制要求劃分為三個區(qū)域(見圖1)，各區(qū)域的工后沉降要求分別為區(qū)域Ⅰ控制在300 mm以內(nèi)，區(qū)域Ⅱ控制在15 mm以內(nèi)、區(qū)域Ⅲ控制在400 mm以內(nèi)。

1.2 地質(zhì)概況

該動車段地處沖海積平原地帶，地形平坦開闊，河渠密布，地下水類型為第四系孔隙潛水，主要靠大氣降水和地表水系直接補給，地下水徑流排泄不暢，勘測期間地下水水位埋深0.4～2.3 m(高程-0.34～1.69 m)，水位變幅2.0～3.0 m。

根據(jù)勘探揭示，地層自上而下為第四系全新統(tǒng)人工堆積層素填土；第四系全新統(tǒng)沖海積層淤泥、黏土；第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土、粉質(zhì)黏土；第四系更新統(tǒng)沖洪積層黏性土、砂類土、細圓礫土。

1.3 特殊地層物理力學性質(zhì)

選取鉆孔BKBH-022、BKBH-113、BKBH-112的地質(zhì)資料分別作為區(qū)域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的代表性物理力學指標。

1-1'及2-2'的地質(zhì)縱斷面分別見圖2、圖3。第①層素填土以粉質(zhì)黏土為主，場地表層普遍分布，層厚0.4～3.0 m，土質(zhì)不均，固結程度較差；第②層黏土為硬塑，褐黃色，含20%細砂；第③層淤泥呈灰褐色，流塑；第④層黏土為硬塑，褐黃色，含鐵錳質(zhì)結核。對于本工程影響較大的為第③層淤泥層，天然孔隙比e=1.349～2.693，天然含水率w=51.6%～98.5%，天然重度γ=14.6～17.0 kN/m3，黏聚力C=6.6～15.8 kPa，內(nèi)摩擦角φ=0.8°～4.9°，有機質(zhì)含量5.07%～9.02%，淤泥層在場地表層普遍分布，層厚3.7～12.1 m，工程性質(zhì)差。

按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2010)，對各鉆孔的原狀土樣進行基本物理力學性質(zhì)試驗[4]。各區(qū)域需加固土層的物理力學指標對比見表1～表3。

表1 第②層黏土物理力學指標

圖2 1-1'地質(zhì)縱斷面

圖3 2-2'地質(zhì)縱斷面

表2 第③層淤泥物理力學指標

表3 第④層黏土物理力學指標

由表1可知，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ表層黏土的含水率較低，壓縮系數(shù)基本處于0.1～0.5 MPa-1之間，屬于中低壓縮性土[5]；區(qū)域Ⅲ黏土層含水率及壓縮系數(shù)都偏高，原因在于該區(qū)域表層黏土較薄，鉆孔取樣深度正好處于黏土層和淤泥層交界處。由表2可知，淤泥層含水率偏高，壓縮系數(shù)在2.0 MPa-1左右，屬于高壓縮性土。從表3可看出，下層黏土層含水率偏低，壓縮系數(shù)在0.2 MPa-1左右，屬于中低壓縮性土。

各區(qū)域土體壓縮實驗數(shù)據(jù)所得e-p曲線如圖4、圖5、圖6，經(jīng)對比可見，除區(qū)域Ⅲ表層黏土較其他兩塊區(qū)域的孔隙比差別較大外，各區(qū)域淤泥層的e-p曲線吻合程度較高。圖5中，淤泥層e-p曲線較陡，印證了淤泥層壓縮性較高的力學性質(zhì)；圖4中，區(qū)域Ⅲ黏土層壓縮性較區(qū)域Ⅰ、Ⅱ偏高，原因可能在于該區(qū)域淤泥層較厚，含水量過大，對上下土層均產(chǎn)生影響所致。

圖4 第②層黏土e-p曲線

圖5 第③層淤泥e-p曲線

圖6 第④層黏土e-p曲線

2 地基處理方法

鐵路工程中常用的地基處理方法有很多種，如換填墊層、沖擊碾壓、強夯、袋裝砂井、塑料排水板以及各類樁結構等。根據(jù)《鐵路工程地基處理技術規(guī)程》(TB10106—2010)[6]，當?shù)鼗闆r為淤泥及流塑狀淤泥質(zhì)土時，適用的主流地基處理方法為換填墊層、預制管樁、塑料排水板、水泥土攪拌樁以及樁筏(板)結構等。

2.1 換填墊層

換填墊層法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理[6]，換填墊層的厚度一般根據(jù)置換軟弱土的深度以及下臥土層的承載力確定，厚度宜為0.5～3.0 m。

2.2 塑料排水板

塑料排水板排水固結法適用于含水量大、壓縮性高、強度低、透水性差的軟弱土層。其原理為:將塑料排水板插入地基中，采用超載預壓或真空-堆載聯(lián)合預壓，使地基土中的孔隙水排出，將預壓加固的附加應力轉(zhuǎn)化為土的有效應力[7]，使地基土漸漸固結，從而提高地基的強度和穩(wěn)定性。

2.3 水泥土攪拌樁

水泥土攪拌樁適用于淤泥、淤泥質(zhì)土等飽和黏性土地基，該方法利用水泥等材料作為固化劑，經(jīng)過攪拌使地基中的軟土和固化劑產(chǎn)生反應，使軟土成為具有整體性、水穩(wěn)定性的水泥加固土[8]，從而提高地基的強度，減小工后沉降。

2.4 預應力管樁

對于深厚層軟土地基，當常用的排水固結法、復合地基法無法滿足工后沉降要求時，可采用預應力管樁為主的地基處理措施[9]。

3 地基處理沉降計算及分析

選用分層總和法計算地基工后殘余沉降。這種方法計算參數(shù)易取得，且在工程中廣泛應用，計算參數(shù)采用壓縮試驗資料所得的e-p曲線和e-lg p曲線。

e-p曲線法:根據(jù)相應地層所處壓力段范圍的孔隙比變化量，乘以地層計算厚度，直接換算得到該地層沉降量，然后進行總和計算。所采用的是壓縮試驗得到的最直接數(shù)據(jù)，不存在二次推導和其它指標估算，是該地層土體壓力與變形特性的直接反應[10-11]。

e-lg p曲線法:在計算地基沉降過程中，除了孔隙比指標外，對于欠固結和正常固結土，需要引入先期固結壓力Pc和壓縮指數(shù)Cc(這兩個指標通過壓縮試驗數(shù)據(jù)推演得到)；對于超固結土地層，還要進一步引入回彈指數(shù)Cs，以充分考慮其超固結性和應力歷史對地層的強化作用[12]，避免所得沉降量偏大的現(xiàn)象。

本動車段的地基沉降計算采用e-p曲線而非elg p的原因在于以下兩個方面:

(1)依據(jù)高壓固結試驗e-lg p計算Pc的Casagrande法[13]屬于一種經(jīng)驗性作圖法，雖然應用多年，但其存在的誤差性已經(jīng)在既有工程中大量地反映出來。因此，依據(jù)高壓固結試驗數(shù)據(jù)作圖得出的Pc值進行沉降計算，所得結果會存在偏差[13]。

(2)先期固結壓力Pc和壓縮指數(shù)Cc主要通過高壓固結試驗獲得[14，15]，但動車段內(nèi)地層只進行了常規(guī)壓力固結實驗和壓縮回彈試驗，低壓力段確定的先期固結壓力Pc和壓縮指數(shù)Cc會存在更大的誤差性和波動性。

一般情況下，兩種曲線均適用于各種固結狀態(tài)土層的沉降計算。為了考慮土的應力歷史，e-lg p曲線更適用于非正常固結狀態(tài)的情況。綜合分析e-p曲線法和e-lg p曲線法的計算結果、計算原理及地層情況，ep曲線能夠更為精確地計算出本工程的工后沉降量。

根據(jù)工程經(jīng)驗，三個區(qū)域的地基處理深度分別為16 m、24 m、14 m。塑料排水板采用正方形布置，間距1.0 m，導管直徑0.066 m；水泥土攪拌樁采用正方形布置，樁間距1.2 m，直徑0.5 m，抗剪強度400 kPa；預應力管樁采用正方形布置，間距1.3 m，管樁外徑0.4 m，壁厚200 mm。三種地基處理方法應用于各區(qū)域的工后殘余沉降量見表4。

表4 工后殘余沉降量 mm

由表4可知，在相同加固深度條件下，滿足區(qū)域Ⅰ沉降要求(300 mm)的地基處理方法有水泥土攪拌樁、預應力管樁；滿足區(qū)域Ⅱ沉降要求(15 mm)的只有預應力管樁；三種地基處理方法均可滿足區(qū)域Ⅲ的沉降要求(400 mm)。

4 地基處理方案比較

在滿足沉降要求的基礎上，對各區(qū)域適用的地基處理方法進行技術、造價等方面的比選，以確定經(jīng)濟、合理的方案(見表5)。

表5 地基處理工程預算 萬元

由表5可知，對于區(qū)域Ⅰ而言，管樁和攪拌樁的工程預算相差較大，當兩種方案均可滿足沉降要求時，水泥土攪拌樁是較為合理的選擇，除成本較低外，水泥攪拌樁還具有設備簡單、技術可靠等優(yōu)點；區(qū)域Ⅱ面積較小，故使用預制管樁并不會大幅度提高預算，且該方案施工方便、進度易控制、檢測方便；對于區(qū)域Ⅲ，塑料排水板造價更低，且具有施工速度快、效率高、對土擾動小及可工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點[16]。

5 結論

當軟土地基中存在較厚流塑狀淤泥層時，對于沉降要求不高的普通場坪段落，可以選用塑料排水板(結合堆載預壓或真空預壓)和水泥土攪拌樁進行加固；對于高鐵正線或有特殊沉降要求的區(qū)域，應選擇預應力管樁控制軟土地基的工后沉降，并結合具體地層情況、鐵路等級等相關因素，確定合理、經(jīng)濟的加固深度。