昔格達(dá)層高填方路堤工后沉降研究

馬 力 薛新華 蔣楚生 李慶海

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 研究背景

新建的攀枝花南站車站路堤填筑高度達(dá)到36 m，該處高填方路堤工程的填料擬采用路塹開挖的昔格達(dá)層土。昔格達(dá)地層物理力學(xué)性質(zhì)極差，具有壓縮性高、遇水軟化、脫水崩解等特點[1,2]。昔格達(dá)層在高填方自重壓力作用下，路堤本體的強度變化、變形特性等均不明確，且昔格達(dá)層高填方路堤的穩(wěn)定性與正常填方的穩(wěn)定性具有較大的差別，這使得路基本體變形和沉降控制成為一個值得探討的問題[3-7]。

昔格達(dá)層高填方路堤在施工及長期運營階段，即使嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行建設(shè)和維護(hù)，也難免受到復(fù)雜自然地理條件及復(fù)雜荷載的持續(xù)作用，發(fā)生不同程度的病害。因此，有必要通過對昔格達(dá)層高填方路堤運營階段長期沉降發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，提出合理的工后沉降預(yù)測方法保證鐵路線路的安全高效運行。

2 工后沉降預(yù)測方法與流程

2.1 雙曲線法

該方法認(rèn)為地基沉降量與時間呈雙曲線關(guān)系，工程實踐中常用的雙曲線的經(jīng)驗公式如下：

(1)

(2)

其中，St為時間t的沉降量；S0為時間t0的沉降量；Sf為路堤的最終沉降量(t=∞);b為待定系數(shù)。

由式(1)可知，當(dāng)t趨向于無窮大時，即可推求路堤的最終沉降量。雙曲線模型具有形式簡單、應(yīng)用起來方便快捷的特點，在工程實踐中得到廣泛的應(yīng)用。通常雙曲線模型假設(shè)荷載是一次瞬時施加，但是高填方路基施工時路堤采用分級填筑，荷載屬分級施加。雙曲線模型可以應(yīng)用于在分級荷載作用下沉降曲線“臺階現(xiàn)象”不明顯并穩(wěn)定發(fā)展時的預(yù)測。一般認(rèn)為當(dāng)有6個月以上的監(jiān)測資料時，運用雙曲線法效果會比較好。

2.2 三點法

三點法是以曾國熙(1959)推導(dǎo)的地基一維固結(jié)度方程為理論基礎(chǔ)推導(dǎo)而出的，基本公式為：

U=S∞-α(e-βt)

(3)

其中，α，β均為與地基排水條件、地基土性質(zhì)、荷載情況等有關(guān)的參數(shù)；t為固結(jié)時間。

利用路堤一段時間內(nèi)的沉降資料推算固結(jié)度，時間t時的地基平均固結(jié)度為：

(4)

其中，St為t時刻的實測沉降值；S∞為地基的最終沉降；Sd為瞬時沉降。

若不考慮次固結(jié)的影響，結(jié)合上述可簡化為t時刻地基的沉降公式：

St=S∞+(Sd-S∞)αe-βt

(5)

從實測沉降—時間曲線的恒載段上按照等時間間距的原則，選取距離間隔最長的三點幅(t1,S1),(t2,S2),(t3,S3)，代入式(5)可得：

(6)

(7)

(8)

通過聯(lián)立求解可得α,β,Sd等參數(shù)，將所得參數(shù)代入式(5)即可求得任意時刻地基的沉降預(yù)測值St。

3 各工后沉降預(yù)測方法結(jié)果分析

3.1 雙曲線法

根據(jù)雙曲線法的基本原理，結(jié)合施工完成后初期的沉降數(shù)據(jù)，將初期數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到初期的實測沉降變形量t/(St-S0)與時間t的關(guān)系曲線，確定雙曲線法中的兩個重要參數(shù)a,b的大小，然后進(jìn)行路堤工后沉降預(yù)測。關(guān)于t/(St-S0)與時間t的關(guān)系曲線如圖1所示。

通過計算，可以得到沉降變形的雙曲線預(yù)測法的計算參數(shù)為a=4.147，b=0.008 8，S0=0。

因此，根據(jù)工程經(jīng)驗的雙曲線法可以得到預(yù)測變形公式如式(9)所示：

St=t/(4.147+0.008 8×t)

(9)

其中，St為應(yīng)用雙曲線法的變形預(yù)測值；t為工后沉降時間。

因此，可以得到采用雙曲線法進(jìn)行變形預(yù)測的時間曲線如圖2所示，現(xiàn)對該路堤斷面雙曲線法擬合結(jié)果進(jìn)行分析，實測值與預(yù)測值對比結(jié)果如表1所示。

表1 沉降實測值與預(yù)測值對比表

由表1和圖2可知，運用雙曲線法對路堤沉降值的預(yù)測結(jié)果與實測沉降值在沉降起始段擬合較好，在中間段誤差較大，最大處誤差接近9%，這可能是與實測的沉降曲線收斂不明顯，不完全成雙曲線分布有關(guān)，需進(jìn)一步通過調(diào)整時間間隔等方法改善其預(yù)測效果。

3.2 三點法

三點法在應(yīng)用時較其他方法簡單實用，只取沉降觀測曲線上的三個數(shù)值代入公式求解，對數(shù)據(jù)要求較低，適合鐵路路基這種沉降量小、數(shù)據(jù)波動大的情況。本文時間段及沉降數(shù)據(jù)選取為取T1=300，S1=43.04，T2=900，S2=71.26和T3=1 500，S3=88.06，由式(3)～式(8)知：S∞=112.74 mm，a=0.81，Sd=1.27 mm，b=0.000 865，故該斷面的指數(shù)曲線擬合方程為：

St=112.74-91.319 4e-0.000 865t

(10)

該方法預(yù)測的最終沉降量為112.74 mm。現(xiàn)對該路堤斷面雙曲線法擬合結(jié)果進(jìn)行分析，實測值與預(yù)測值對比結(jié)果如表2所示。

由表2和圖3可知，運用三點法對路堤沉降值的預(yù)測結(jié)果與實測沉降值十分接近，總體上相對誤差低于3%，在工程應(yīng)用中處于可接受的范圍。

表2 沉降實測值與預(yù)測值對比表

4 預(yù)測方法結(jié)果分析比較

成昆鐵路攀枝花段建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級新雙線，根據(jù)TB 1001—2005鐵路路基設(shè)計規(guī)范的要求：軟土及其他類型的松軟路基應(yīng)進(jìn)行工后沉降分析，工后沉降應(yīng)滿足Ⅰ級鐵路不應(yīng)大于200 mm，沉降速率不應(yīng)大于50 mm/年。表3為兩種工后沉降預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果對比，可以看出各路基沉降預(yù)測方法的工后沉降量分別為109.49 mm和108.04 mm，均滿足規(guī)范的要求。雙曲線法、三點法預(yù)測結(jié)果隨著工后運營時間的延長，沉降速率逐漸減小，這與實際路堤沉降特性比較吻合。運用雙曲線法預(yù)測的路堤沉降與土工離心試驗監(jiān)測結(jié)果在施工期結(jié)束發(fā)展規(guī)律初期比較吻合，填筑過程后期兩者的變化趨勢有較大差異，最終實測的沉降結(jié)果為109.49 mm。

表3 沉降預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文利用雙曲線法和三點法對攀枝花南站昔格達(dá)路堤某典型斷面工后沉降進(jìn)行預(yù)測，由對比結(jié)果可以看出，兩種預(yù)測方法10年后工后沉降量為109.49 mm和108.04 mm。建立的預(yù)測曲線相關(guān)系數(shù)全部大于0.92，均滿足規(guī)范的要求，可以為類似高填方路堤沉降提供參考和借鑒。