高鐵軟基工后沉降特性與加固效果

王敏,徐林榮,b,黃宇華，周俊杰,蔡雨

(中南大學 a.土木工程學院;b.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，長沙 410075)

路基的工后沉降變形控制是確保高速列車安全、舒適、平穩(wěn)運行的前提條件[1]，而深厚軟土地基是工后沉降控制的難題[2]。近年來，隨著樁-筏、網(wǎng)復(fù)合地基及樁-板結(jié)構(gòu)等新型地基處理措施被陸續(xù)應(yīng)用于高速鐵路軟土地基處理中[3]，研究軟土地區(qū)高速鐵路路基沉降特性與地基加固效果就成為工程設(shè)計中的主要問題之一[4]。

高速鐵路軟土地基沉降特性的研究成果頗豐，總體上可歸納為空間特性和時間特性兩個方面?？臻g特性方面，常見的有路基平面不同位置的沉降差異[5]、沿深度方向上的總沉降構(gòu)成[6]及樁土沉降差[7]等；時間特性方面，主要包含不同建設(shè)階段的沉降值比較及沉降預(yù)測[8-9]等方面。雖然，眾多專家對這些問題已進行過較為全面的研究和總結(jié)，但僅局限于建設(shè)階段，運營期軟土路基沉降特性的研究十分缺乏。

對于加固效果，目前主要集中在通過現(xiàn)場試驗[10-11]和理論分析[12-13]等方法對建設(shè)期的某一類地基進行單獨研究，其評判加固效果優(yōu)劣的方法多是通過比較建設(shè)期沉降大小及預(yù)測工后沉降是否超限，其核心即是“達到鋪軌條件，則加固效果好”。然而，該方法存在一定的局限性，即未將沉降特性與沉降的影響因素——例如軟土厚度、預(yù)壓方案等有效結(jié)合，研究結(jié)論缺乏物理含義。為此，有學者專門討論了一般軟土路基沉降特性與軟土厚度等沉降影響因素之間的關(guān)系問題[14-15]，但研究對象并非高速鐵路，且均缺乏不同地基處理措施間的對比，無法體現(xiàn)某類地基處理措施的優(yōu)劣及適用范圍。

由于中國高鐵運營的時間相對較短，導(dǎo)致建設(shè)期研究成果缺乏系統(tǒng)運營數(shù)據(jù)的支持和驗證。基于此，本文以運營期滬寧城際高速鐵路100余公里路基3 a的30余次直接沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究運營期高鐵軟土路基的沉降特性，提出基于“當量軟弱土厚度”的加固效果評判新方法，并對樁-筏、網(wǎng)復(fù)合地基和樁-板結(jié)構(gòu)的加固效果進行對比，以期為工程建設(shè)提供一定的建議。

1 滬寧城際高鐵概況

滬寧城際高速鐵路位于上海市、江蘇省境內(nèi)，上?！暇┱菊€全長302.209 km，于2008年7月1日開工建設(shè)，2010年7月1日正式開通運營。滬寧高鐵地處長江三角洲的沖積平原，溝河縱橫，水網(wǎng)密布，全線累計有78 km的軟土帶，分布廣且淤積深，局部深達40多米，地質(zhì)條件差(見圖1)。路基長度為104.75 km，約占全線的34.66%，地基處理主要采用樁-筏、樁-網(wǎng)及樁-板3種型式。

圖1 典型地層剖面圖Fig.1 Typical stratigraphic

主要地層工程特性指標見表1。

表1 地基土物理力學指標Table 1 Physico-mechanical indexes of subsoil

2 工后沉降等級與狀態(tài)

2.1 運營期沉降等級劃分

工后沉降主要觀測運營期沉降狀況，即沉降狀態(tài)。沉降狀態(tài)區(qū)劃，需要以實測沉降數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合沉降推算進行判斷?；诖?，通過對沉降特性之一的沉降等級的研究，為解決如何建立有效的加固效果評判體系的問題提供一種新思路。

滬寧城際高鐵全線路基中，樁-筏、網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)及樁-板結(jié)構(gòu)處理的地基占滬寧高鐵路基總長的83.4%，通車3 a后的縱斷面沉降曲線如圖2所示。

圖2 縱斷面沉降曲線Fig.2 Profile settlement

根據(jù)3個期次全線路基縱向沉降曲線的特征，將沉降分為“小于5 mm”、“5～10 mm”、“10～15 mm”、“大于15 mm”4個等級，統(tǒng)計見表2。

表2 不同沉降等級路基長度統(tǒng)計Table 2 The length statistics of different settlement grade

可見，運營3 a，沉降等級處于10 mm以內(nèi)的區(qū)間長度所占比例始終處于104.75 km路基總長的97%以上；沉降等級超過10 mm的區(qū)間長度保持在路基總長的3%以內(nèi)；10～15 mm等級區(qū)間長度增長較快，應(yīng)引起注意。

2.2 運營期沉降狀態(tài)區(qū)劃

在沉降等級劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合《客運專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》給出的雙曲線法等6種沉降推算的規(guī)范方法，推算各等級的沉降發(fā)展趨勢。

從圖3可見，沉降值小于5 mm的斷面沉降隨時間變化波動較大，無明顯規(guī)律，推算誤差較大，但由于其沉降量基本穩(wěn)定在5 mm之內(nèi)，且波動幅值在1 mm左右，故基本可判斷為沉降穩(wěn)定。

圖3 橫斷面沉降圖(小于5 mm)Fig.3 Cross sectional settlement curve (less than 5 mm)

沉降量處于“5～10 mm”的斷面見圖4和圖5，前期隨時間變化沉降發(fā)展較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定。選擇斷面K279+557.3作為分析對象，可見規(guī)范內(nèi)雙曲線法、指數(shù)曲線法等6種推算方法的擬合度均較好，最后呈收斂于15 mm以內(nèi)。由此可判斷，沉降處于5～10 mm范圍內(nèi)斷面為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 橫斷面沉降圖(5～10 mm)Fig.4 Cross sectional settlement curve (5～10 mm)

圖5 K279+557.3斷面沉降推算圖Fig.5 The calculation curve of section settlement

沉降處于10～15 mm范圍內(nèi)的斷面見圖6和圖7，其隨時間變化發(fā)展趨勢與沉降處于5～10 mm的斷面較為相似，但沉降明顯穩(wěn)定的時間較為滯后，而通過沉降推算得到的結(jié)果顯示，部分斷面并未明顯收斂，例如斷面K235+637.6，沉降繼續(xù)發(fā)展并有超過15 mm的趨勢。由此可判斷，沉降處于10～15 mm范圍內(nèi)的斷面為臨界超限狀態(tài)，應(yīng)加強該等級內(nèi)斷面的監(jiān)測，并及時對即將超限的斷面進行處理。

圖6 橫斷面沉降圖(10～15 mm)Fig.6 Cross sectional settlement curve (10～15 mm)

圖7 K235+637.6斷面沉降推算圖Fig.7 The calculation curve of section settlement

根據(jù)以上分析可知，運營期路基沉降特性有比較明顯的規(guī)律性，沉降狀態(tài)可劃分為“穩(wěn)定”、“基本穩(wěn)定”、“臨界超限”和“超限”4個狀態(tài)，分別對應(yīng)的工后沉降值為“小于5 mm”、“5～10 mm”、“10～15 mm”及“大于15 mm” 4個等級?；诼坊两档倪@種特性，加固效果可以沉降等級為依據(jù)進行評判。

3 加固效果運營期評判及對比

3.1 常規(guī)方法評判地基加固效果

常規(guī)方法僅對不同地基處理方式的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，不考慮沉降的影響因素，所得出的結(jié)論不具備相應(yīng)的物理含義。利用4個不同的沉降等級及狀態(tài)，將樁-筏及樁-網(wǎng)復(fù)合地基、樁-板結(jié)構(gòu)處理地基不同沉降工后沉降等級占全線的比例統(tǒng)計如圖8所示。可見，絕大部分路段的工后沉降滿足規(guī)范中“路基工后沉降不宜超過15 mm”的要求，樁-網(wǎng)復(fù)合地基沉降處于“穩(wěn)定”及“基本穩(wěn)定”狀態(tài)的斷面總量比例高于其余兩類，而處于“臨界超限”及“超限”狀態(tài)的斷面中，樁-板結(jié)構(gòu)處理地基比例最高，加固效果的優(yōu)劣排序為樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)、樁-筏復(fù)合結(jié)構(gòu)、樁-板結(jié)構(gòu)。

圖8 工后沉降統(tǒng)計Fig.8 Statistics of post-construction

樁網(wǎng)復(fù)合樁筏復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)99.24%98.02%94.07%

表4 臨界超限及已超限Table 4 Critical overrun and overrun

3.2 改進方法評判地基加固效果

3.2.1 當量軟弱土厚度”概念的提出 沉降特性建立在沉降影響因素的基礎(chǔ)之上，影響因素不同，沉降特性表現(xiàn)差異巨大。因此，不考慮沉降的影響因素而僅依據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來研究不同地基處理措施的沉降特性是片面的。結(jié)合《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定及實際情況，不同型式地基處理措施應(yīng)根據(jù)軟土厚度等沉降影響因素而確定，同時，滬寧城際高速鐵路由于工期緊張，且地處長江三角洲平原，預(yù)壓時間及路堤高度等因素差異不大。提出“當量軟弱土厚度”的概念，結(jié)合軟弱土對工后沉降的影響，改進傳統(tǒng)加固效果評判單純比較沉降等級的方法。以粉砂、粉土、軟塑狀粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等沉降易發(fā)生的軟弱土層厚度與其孔隙比之積累加來表示,見式(1)。

(1)

式中：H為當量軟弱土厚度；n為軟弱土層數(shù)；hi為第i層軟弱土層厚度；ei為第i層軟弱土的孔隙比。

3.2.2 評判過程 以一定范圍內(nèi)的當量軟弱土厚度均值為橫坐標，對應(yīng)該范圍厚度的沉降均值為縱坐標作圖，對不同地基處理措施路基工后沉降與當量軟弱土厚度的關(guān)系進行探究。從圖9～圖11可見，樁-網(wǎng)復(fù)合地基在當量軟弱土厚度在6 m以內(nèi)時，沉降變化緩慢，當厚度超過6 m后，沉降急劇增大，有效加固時的最大平均當量軟弱土厚度為12.5 m；樁-筏復(fù)合地基在當量軟弱土厚度在13 m以內(nèi)時，沉降隨厚度的增加而緩慢增加，當厚度達到13 m左右時，沉降增大的速率達到極致，有效加固時的最大平均當量軟弱土厚度為14 m；絕大多數(shù)的樁-板結(jié)構(gòu)被用于加固當量軟弱土厚度超過14 m的區(qū)段，其有效加固時的最大平均當量軟弱土厚度為35 m，當厚度達到24 m左右時，沉降速率明顯增大。

可見，3種不同措施加固的地基沉降與當量軟弱土厚度總體上成正相關(guān)關(guān)系，樁-板結(jié)構(gòu)有效加固時的當量軟弱土厚度遠大于樁-筏及樁-網(wǎng)復(fù)合地基，不同地基處理措施下隨當量軟弱土厚度增加沉降變化的趨勢有較大差異。

圖9 樁-網(wǎng)復(fù)合地基Fig.9 pile-net composition

圖10 樁-筏復(fù)合地基Fig.10 pile-raft composition

圖11 樁-板結(jié)構(gòu)

利用“當量軟弱土厚度”的概念，從不同地基處理措施的單位當量軟弱土厚度沉降值及臨界超限斷面所對應(yīng)的當量軟弱土厚度兩個方面對加固效果進行對比。

1)不同地基處理措施的單位當量軟弱土厚度沉降值，如表5所示。

表5 單位當量軟弱土沉降均值Table 5 The mean value settlement of unit equivalent soft soil

結(jié)果表明：樁-板結(jié)構(gòu)處理的地基單位當量軟弱土厚度的工后沉降值僅為樁-筏復(fù)合地基的59%，樁-筏復(fù)合地基是樁-網(wǎng)復(fù)合地基的76%。

2)臨界超限斷面所對應(yīng)的當量軟弱土厚度 根據(jù)沉降與當量軟弱土厚度成正相關(guān)的關(guān)系，當沉降達到臨界超限范圍時，可認為當量軟弱土厚度即是各種不同地基處理方式能有效發(fā)揮沉降控制作用的最大厚度，由此得到樁-板結(jié)構(gòu)、樁-筏及樁-網(wǎng)復(fù)合地基沉降處于臨界超限時的平均最大當量軟弱土厚度及此時每延米當量軟弱土厚度的沉降值，如表6所示。

表6 沉降控制效果對比Table 6 Comparison of settlement control effect

可見，樁-板結(jié)構(gòu)處理的地基中，每延米當量軟弱土發(fā)生的沉降遠小于樁-網(wǎng)及樁-筏復(fù)合地基，且樁-板結(jié)構(gòu)有效控制沉降時的當量軟弱土層厚度是樁-筏復(fù)合地基的1.7倍，而樁-筏是樁-網(wǎng)的1.3倍。由此可見，樁-板結(jié)構(gòu)的加固效果遠優(yōu)于樁-筏及樁-網(wǎng)復(fù)合地基。

3.3 比較與討論

基于實測數(shù)據(jù)的比較，樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的加固效果優(yōu)于樁-筏復(fù)合結(jié)構(gòu)及樁-板結(jié)構(gòu)(如圖8)，這顯然是不合理的。針對常規(guī)方法未考慮軟土厚度的問題，提出“當量軟弱土厚度”概念，將不同地基處理措施加固效果的對比建立在同一標準上，從單位當量軟弱土厚度沉降均值及有效控制沉降時的臨界當量軟弱土厚度兩個方面對不同地基處理措施加固效果進行對比，并得到樁-板結(jié)構(gòu)的加固效果優(yōu)于樁-筏及樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

由于樁-網(wǎng)復(fù)合地基的土拱效應(yīng)，使荷載向樁頂集中，從而使樁體產(chǎn)生刺入變形，同時，軟土本身的承載力較小，樁土荷載分擔比增大，使得刺入變形更為明顯。在荷載作用下，樁體的刺入變形導(dǎo)致復(fù)合地基承載力降低，從而沉降增大。樁-筏復(fù)合地基在筏板的調(diào)節(jié)作用下，樁間土發(fā)揮了較大的承載力，因此，當軟弱土厚度在一定范圍內(nèi)時，地基沉降變化較小。而樁-板結(jié)構(gòu)作為一種新型剛性軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，承臺板將荷載傳向樁基，樁基再將荷載傳遞到持力層，從而改善了路基軟弱土體部分的受力狀態(tài)，提高了整體承載力，故樁-板結(jié)構(gòu)常用于加固軟弱土厚度較大的區(qū)段。結(jié)合滬寧城際高速鐵路的實際應(yīng)用情況來看，樁-筏及樁-網(wǎng)復(fù)合地基通常用于當量軟弱土厚度14 m以內(nèi)的區(qū)段加固，而樁-板結(jié)構(gòu)則被大量用于加固當量軟弱土厚度超過14 m的區(qū)段，并取得良好的加固效果。

4 結(jié)論

以滬寧城際高鐵104.75 km路基運營3 a內(nèi)10余次的工后沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對運營期高鐵軟土路基沉降特性及加固效果兩個方面進行了分析。

1)運營3 a，路基工后沉降可劃分為4個等級—“小于5 mm”、“5～10 mm”、“10～15 mm”及“大于15 mm” ，對應(yīng)的里程長度依次為91.9、10、2.5、0.4 km，占路基總長比例為87.7%、9.5%、2.43%及0.37%。

2)利用沉降推測方法，基于實測數(shù)據(jù)的沉降等級劃分，運營期路基工后沉降狀態(tài)可區(qū)劃為“穩(wěn)定”、“基本穩(wěn)定”、“臨界超限”及“超限”4個狀態(tài)，可為運營期沉降預(yù)警預(yù)報奠定一定的理論基礎(chǔ)。

3)基于實測數(shù)據(jù)比較的常規(guī)方法顯示：樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的加固效果優(yōu)于樁-筏復(fù)合及樁-板結(jié)構(gòu)；利用“當量軟弱土厚度”概念對常規(guī)方法未考慮軟土厚度的缺陷改進后，分析結(jié)果顯示樁-板結(jié)構(gòu)加固區(qū)的單位當量軟弱土厚度沉降值僅為樁-筏復(fù)合地基的59%，樁-筏復(fù)合地基是樁-網(wǎng)復(fù)合地基的76%；樁-板結(jié)構(gòu)有效加固時的“臨界”當量軟弱土厚度為樁-筏復(fù)合地基的1.7倍，樁-筏復(fù)合地基是樁-網(wǎng)復(fù)合地基的1.3倍。

以上結(jié)論是基于滬寧城際高速鐵路路基工后沉降數(shù)據(jù)的分析而得出，加固效果評判新方法僅考慮軟弱土厚度，尚需要進一步考慮預(yù)壓方案、路基填筑方案等數(shù)據(jù)并驗證，使提出的概念及分析方法更加合理可行。