海南環(huán)島高速鐵路路基設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

姚裕春 李安洪 袁碧玉

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.成都信息工程大學(xué)， 成都 610103)

海南環(huán)島高速鐵路是世界上首條環(huán)島式海洋鐵路，設(shè)計(jì)速度250 km/h，其中海口至美蘭機(jī)場(chǎng)采用無(wú)砟軌道，美蘭機(jī)場(chǎng)至三亞采用有砟軌道。海南島地處熱帶北緣，屬熱帶季風(fēng)氣候，年降水量在 1 000～2 600 mm之間，每年5～10月總降水量達(dá) 1 500 mm左右；此外海南是我國(guó)臺(tái)風(fēng)登陸最頻繁的省份之一，每年平均有5個(gè)及以上的臺(tái)風(fēng)在這里登陸，較強(qiáng)級(jí)別的就有1～3個(gè)，需要研究強(qiáng)降雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)鐵路路基邊坡的影響及路基邊坡加固防護(hù)措施。 海南地基土層主要為花崗巖全風(fēng)化層，需要研究花崗巖全風(fēng)化層路基的沉降特性及修建高速鐵路的地基處理技術(shù)。海南環(huán)島高速鐵路所經(jīng)過(guò)地區(qū)大部分為花崗巖地層，花崗巖全風(fēng)化層屬C組細(xì)粒土，不能直接作為高速鐵路路基填料，需要研究其改良用作高速鐵路路基填料的適用性和應(yīng)用條件。海南環(huán)島高速鐵路是我國(guó)首條城際旅游客運(yùn)專線，需要結(jié)合海南自然、人文環(huán)境把該鐵路建設(shè)為“景觀長(zhǎng)廊、生態(tài)鐵路”。美蘭機(jī)場(chǎng)1.73 km控制性 U型槽工程，需要解決高烈度地震、高地下水位、砂性地層強(qiáng)涌水、U型槽高懸臂長(zhǎng)拉槽等技術(shù)難題。

本文主要從花崗巖全風(fēng)化層地基處理技術(shù)，強(qiáng)降雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)路基邊坡加固技術(shù)，花崗巖全風(fēng)化層填料改良技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 花崗巖全風(fēng)化層地基處理技術(shù)

海南環(huán)島高速鐵路地基大多為花崗巖全風(fēng)化層，對(duì)于柔性基礎(chǔ)下全風(fēng)化花崗巖地層地基沉降特性的研究較少，以往對(duì)全風(fēng)化花崗巖性質(zhì)的研究，地域范圍主要集中在福建、廣東等地，且研究?jī)?nèi)容主要集中在花崗巖全風(fēng)化層的分布特征、工程分類、地基承載力、強(qiáng)度指標(biāo)及填料改良方面[1-9]。沉降控制是高速鐵路主要控制因素之一，開(kāi)展高速鐵路花崗巖全風(fēng)化層地基處理技術(shù)研究，既可滿足高速鐵路的沉降變形控制要求，又能避免實(shí)測(cè)沉降明顯小于計(jì)算沉降造成工程浪費(fèi)，還可有效指導(dǎo)工期受限情況下合理、經(jīng)濟(jì)的工程加固措施的選擇。

1.1 花崗巖全風(fēng)化層物理力學(xué)性質(zhì)[10]

1.1.1花崗巖全風(fēng)化層液塑限

選擇DK 67+640、DK 67+650、DK 108+923、DK 108+927斷面進(jìn)行了6組液、塑限試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，全風(fēng)化層的天然含水率w在16.7%～34.0%之間，塑限WP在17.7%～31.4%之間，液限WL在26.0%～49.3%之間，塑性指數(shù)IP在6.1～17.9之間，天然密度ρ在1.88～2.11 g/cm3之間?；◢弾r全風(fēng)化層的均勻性較差，塑性指數(shù)、液限、塑限隨埋深的增大逐漸減小，地表5～8 m呈現(xiàn)出粘性土性質(zhì)，隨地基埋深的增加，地基呈現(xiàn)出粉土的性質(zhì)。

表1 液塑限試驗(yàn)結(jié)果表

1.1.2花崗巖全風(fēng)化層顆粒組成

海南環(huán)島高速鐵路花崗巖全風(fēng)化層主要成分是石英和高嶺石，膠結(jié)物主要為游離氧化物，土中大、小孔隙發(fā)育，細(xì)顆粒部分具有較好的塑性，粗顆粒部分為花崗巖風(fēng)化碎屑，同時(shí)含有大量粗砂和礫粒。顆粒種類分布廣泛，試驗(yàn)得到的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示[10]。不均勻系數(shù)Cu在 28.9～178.2之間，曲率系數(shù)Cc在0.13～0.78之間，表明全風(fēng)化花崗巖的顆粒分布不均勻，粒徑范圍變化較大，主要為細(xì)砂以下粒組和中砂以上粒組。

圖1 全風(fēng)化花崗巖顆粒組成圖

對(duì)比福建、廣東花崗巖全風(fēng)化層顆粒分布情況[11]，結(jié)果表明，海南環(huán)島高速鐵路全風(fēng)化花崗巖的顆粒分布規(guī)律與廣東地區(qū)的全風(fēng)化花崗巖接近，但細(xì)粒土含量略高；與福建地區(qū)全風(fēng)化花崗巖相比，其粘粒含量偏低，孔隙比小，土體密度大，壓縮性不高。

1.1.3花崗巖全風(fēng)化層壓縮試驗(yàn)

對(duì)海南環(huán)島高速鐵路飽和花崗巖全風(fēng)化層進(jìn)行了6組土樣的固結(jié)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。得到全風(fēng)化層地基土的壓縮系數(shù)a0.1-0.2在0.141～0.284 MPa-1之間，為中低壓縮性土[12]，壓縮模量Es0.1-0.2在3.5～6.8 MPa之間。鑒于固結(jié)試驗(yàn)得到的壓縮模量較低，建議采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果[8]?；◢弾r全風(fēng)化層的內(nèi)摩擦角為24.09°～34.7°，粘聚力為9.5～62.7 kPa。

表2 固結(jié)壓縮試驗(yàn)結(jié)果表

1.2 花崗巖全風(fēng)化層路基沉降特性

1.2.1沉降特性離心模型試驗(yàn)

采用現(xiàn)場(chǎng)花崗巖全風(fēng)化層地基土開(kāi)展了路基沉降特性離心模型試驗(yàn)?zāi)M[13]，模擬路基填高5 m、填筑時(shí)間100 d、放置時(shí)間90 d。試驗(yàn)?zāi)M了3種地基條件：試驗(yàn)Ⅰ為天然地基，試驗(yàn)Ⅱ?yàn)樘烊坏鼗?強(qiáng)夯處理，試驗(yàn)Ⅲ為地基表層4.5 m厚軟土采用水泥攪拌樁處理+全風(fēng)化層地基，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 離心模型試驗(yàn)結(jié)果表

1.2.2沉降特性數(shù)值模擬

采用數(shù)值分析方法模擬了DK 67+630、DK 67+666、DK 79+065、DK 79+399路基的沉降特性，4個(gè)斷面的模擬條件如表4所示。各個(gè)斷面在不同填筑期、90 d放置期及運(yùn)營(yíng)后的沉降-時(shí)間關(guān)系曲線如 圖2所示，沉降變形數(shù)值模擬結(jié)果如表5所示。

結(jié)果表明，在填土荷載初期，沉降大致呈線性變化，隨著時(shí)間的推移，填土荷載逐漸增加，路基填筑完成放置3個(gè)月的工后沉降滿足有砟軌道高速鐵路工后沉降的要求，但不滿足無(wú)砟軌道鐵路工后沉降要求。

表4 數(shù)值模擬情況表

表5 數(shù)值模擬結(jié)果表

1.2.3沉降特性現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

對(duì)DK 67+630、DK 67+666、DK 79+065、DK 79+399路基的沉降進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)路基填筑時(shí)間約為205～210 d，4斷面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的沉降-時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示，沉降變形現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果如表6所示。

圖2 各斷面數(shù)值模擬沉降-時(shí)間關(guān)系圖

圖3 各斷面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降-時(shí)間關(guān)系圖

表6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表

1.3 高速鐵路花崗巖全風(fēng)化層地基處理原則

從表3、表5和表6可以看出，花崗巖全風(fēng)化層路基在施工+放置期的沉降完成比例可達(dá)75%～90%，施工期完成沉降明顯高于GB 50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中等壓縮性土的20%～50%。離心模型試驗(yàn)中，路堤填筑期完成總沉降的比例較小，其原因在于：模型制作時(shí)，花崗巖全風(fēng)化層存在液化現(xiàn)象。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的工后沉降基本滿足無(wú)砟軌道高速鐵路的要求。綜合分析，提出中低壓縮花崗巖全風(fēng)化層地基的處理原則。

(1)有砟軌道高速鐵路

路基分層填筑完成后放置3～6個(gè)月，路基的沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定，有砟軌道地基處理原則如表7所示。

表7 有砟軌道地基處理原則表

由于海南環(huán)島高速鐵路全風(fēng)化花崗巖屬中低壓縮性土，地基承載力較高，若沉降計(jì)算結(jié)果滿足表7，則可不需進(jìn)行地基處理，高填方地段和過(guò)渡段可采用沖擊碾壓、重型碾壓對(duì)地基表層進(jìn)行處理，然后即可填筑路堤工程；當(dāng)沉降計(jì)算結(jié)果表明需進(jìn)行地基處理時(shí)，一般可采用CFG樁進(jìn)行加固，當(dāng)?shù)鼗韺由细灿兴绍浲粱蜍浲粒页两涤?jì)算結(jié)果滿足表7地基不需加固處理?xiàng)l件時(shí)，通常對(duì)表層松軟土或軟土采取挖除換填、水泥土攪拌樁、CFG樁等復(fù)合地基措施進(jìn)行處理。

(2)無(wú)砟軌道高速鐵路

在路基分層填筑完成后，放置時(shí)間不少于6個(gè)月，監(jiān)測(cè)的工后沉降基本滿足無(wú)砟軌道沉降控制要求。由于地基淺層5～8 m表現(xiàn)為粘性土性質(zhì)，且淺層沉降量大，同時(shí)考慮淺層地基土的不均勻性以及降雨等因素對(duì)地基淺層的影響，對(duì)地基淺層5～8 m采用強(qiáng)夯、堆載預(yù)壓、CFG樁等措施進(jìn)行處理。對(duì)于地基表層存在松軟土、軟土的地段和過(guò)渡段，地基的處理深度應(yīng)加大，且宜聯(lián)合堆載預(yù)壓措施。中低壓縮的全風(fēng)化層可作為樁基的持力層。

2 強(qiáng)降雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)路基邊坡加固防護(hù)技術(shù)

海南雨量充沛，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，強(qiáng)降雨會(huì)使填筑路堤邊坡的表層土產(chǎn)生侵蝕，嚴(yán)重時(shí)造成邊坡失穩(wěn)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)會(huì)使邊坡護(hù)坡植物的樹(shù)枝折斷，甚至連根拔起，從而影響鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。研究強(qiáng)降雨和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)路基邊坡的影響及邊坡加固防護(hù)措施對(duì)指導(dǎo)海南環(huán)島高速鐵路建設(shè)具有重要意義。

2.1 強(qiáng)降雨路基邊坡植被護(hù)坡技術(shù)

通過(guò)降雨模型試驗(yàn)?zāi)M了骨架護(hù)坡、骨架結(jié)合草本植物護(hù)坡、骨架結(jié)合灌木護(hù)坡及裸露邊坡在強(qiáng)降雨情況下的穩(wěn)定性。

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：邊坡骨架的設(shè)置把邊坡坡面分成了多個(gè)徑流區(qū)域，故可降低徑流的速度，減弱徑流的沖刷能力，骨架護(hù)坡可適當(dāng)降低支骨架的間距；降雨強(qiáng)度越大對(duì)邊坡土體的侵蝕力越大，降雨徑流攜帶的土體主要是由降雨的濺蝕作用產(chǎn)生的，坡面設(shè)置植被防護(hù)，可有效減輕坡面侵蝕作用；草本植物和灌木均具有良好的護(hù)坡抗侵蝕效果，但單獨(dú)設(shè)置不能形成較為穩(wěn)定的生態(tài)群落，并易衰退，宜兩者結(jié)合方能達(dá)到長(zhǎng)久穩(wěn)定的護(hù)坡效果。

圖4 路堤迎風(fēng)坡面的風(fēng)壓分布圖(Pa)

2.2 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)路基邊坡植被護(hù)坡技術(shù)

采用數(shù)值分析方法模擬了無(wú)自然森林和有自然森林兩種情況下的路堤風(fēng)場(chǎng)。模擬計(jì)算中，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，入口風(fēng)速取30 m/s，路堤模型高度取為7 m，坡度1∶1.5，路基面寬度13.4 m，有自然森林情況，假設(shè)樹(shù)林高度為10 m。

(1)無(wú)自然森林情況

無(wú)自然森林情況下路堤迎風(fēng)坡面的風(fēng)壓分布如圖4所示。從圖4可以看出，臺(tái)風(fēng)通過(guò)7.0 m高路堤邊坡時(shí)，在爬坡的過(guò)程中，風(fēng)速逐漸增大，并在迎風(fēng)面的路肩位置達(dá)到最大值，風(fēng)速比平均值提高約60%，對(duì)邊坡本身及行車都會(huì)造成很大影響。邊坡背風(fēng)面風(fēng)速較小。

(2)有自然森林情況

有自然森林的路堤在迎風(fēng)坡面的風(fēng)壓分布如圖5所示。從圖5可以看出，有自然森林條件下，路基邊坡的風(fēng)速和風(fēng)壓較無(wú)自然森林時(shí)明顯降低。海南環(huán)島高速鐵路鐵路沿線密林分布較多，樹(shù)木高度也常在10 m以上，故可以有效降低臺(tái)風(fēng)對(duì)路堤邊坡的影響。

圖5 路堤邊坡的風(fēng)壓分布圖(Pa)

2.3 強(qiáng)降雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)路基邊坡加固技術(shù)

通過(guò)強(qiáng)降雨對(duì)路基邊坡侵蝕影響及強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)路基邊坡風(fēng)壓分布影響的模擬分析，結(jié)合植物生長(zhǎng)特點(diǎn)，提出強(qiáng)降雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)路基邊坡加固防護(hù)技術(shù)原則。

(1)設(shè)置護(hù)坡骨架可減弱徑流的沖刷能力，強(qiáng)降雨地區(qū)宜減小護(hù)坡骨架間距，骨架內(nèi)宜結(jié)合草本植物及灌木措施，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久穩(wěn)定的護(hù)坡效果。

(2)路基邊坡迎風(fēng)面的路肩附近是受風(fēng)力影響最大的位置，邊坡防護(hù)應(yīng)選擇抗風(fēng)能力強(qiáng)的植物，并且需經(jīng)常修剪，控制冠幅，以提高其抗風(fēng)能力。

(3)鐵路沿線宜栽植自然森林，能明顯降低強(qiáng)風(fēng)對(duì)鐵路路基邊坡穩(wěn)定和行車安全的影響，發(fā)揮良好的抗風(fēng)效能。

(4)海南環(huán)島高速鐵路路基宜選擇銀合歡結(jié)合莖稈柔韌、冠幅不大的低矮灌木對(duì)路基邊坡進(jìn)行防護(hù)。

3 花崗巖全風(fēng)化層填料改良技術(shù)

海南環(huán)島高速鐵路所經(jīng)過(guò)地區(qū)，地基表層土大部分為花崗巖全風(fēng)化層，多為C組細(xì)粒土，不能直接作為高速鐵路路基填料，須改良后才能填筑使用。因此，需研究花崗巖全風(fēng)化層用作高速鐵路路基基床底層和路堤本體填料的適應(yīng)性。

3.1 花崗巖全風(fēng)化層改良試驗(yàn)

由于海南島缺乏石灰材料，并考慮旅游島的環(huán)境保護(hù)，故海南環(huán)島高速鐵路選擇采用摻加水泥的方案進(jìn)行改良。全線選取了多組有代表性的花崗巖全風(fēng)化層C組填料進(jìn)行改良試驗(yàn)研究[14]，水泥摻量分別采用3%、 5%、7%，通過(guò)試驗(yàn)提出適宜的改良方案。

改良水泥采用P.042.5普通硅酸鹽水泥，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用5 cm×5 cm的試件尺寸，改良填料的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d和28 d，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

擊實(shí)試驗(yàn)表明，水泥摻量<3%時(shí)，改良土的最佳含水量變化較小，水泥摻量>3%時(shí)，改良土的最佳含水量逐漸增大，水泥摻量7%左右時(shí)，改良土的最佳含水量比改良前增大約1%～2%，改良土的最佳密度隨水泥摻量的增大略有增大。試驗(yàn)11號(hào)、15號(hào)、18號(hào)樣品分別在3%、5%、7%水泥摻量情況下的7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖6所示。

圖6 不同水泥摻量的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖

從圖6可以看出，低液限的花崗巖全風(fēng)化層采用水泥改良效果良好，隨著水泥摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但增長(zhǎng)率逐漸放緩，摻3%水泥改良土28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在250～400 kPa之間，摻5%水泥改良土28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在840～880 kPa之間，摻7%水泥改良土28 d的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)1 227 kPa。

鑒于海南環(huán)島高速鐵路降雨量大、降雨時(shí)間長(zhǎng)，路基基床表層結(jié)構(gòu)采用級(jí)配碎石填筑，滲水性好，為保證路基基床底層具有足夠的強(qiáng)度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并保證路基邊坡具有較好的抗強(qiáng)降雨沖刷能力，設(shè)計(jì)時(shí)，路基基床底層花崗巖全風(fēng)化層采用摻5%的水泥改良，路基本體采用摻3%的水泥改良。

3.2 花崗巖全風(fēng)化層改良土現(xiàn)場(chǎng)施工

改良土路基的填筑應(yīng)選擇非雨季施工，施工如偶遇降雨，需對(duì)路基進(jìn)行下雨前后的質(zhì)量對(duì)比檢測(cè)。通過(guò)對(duì)路基未防護(hù)邊坡、土工格柵加固邊坡不同位置挖探試坑，檢測(cè)雨水作用的浸潤(rùn)深度和不同深度處的含水率情況?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明：

(1)降雨后，路基基床表層以下改良土層的含水率增加。邊坡邊緣鋪設(shè)土工格柵后，含水率比未防護(hù)情況有所低，水穩(wěn)性得到提高，故全風(fēng)化花崗巖填筑路基，高度大于3 m時(shí)，邊坡兩側(cè)宜分層鋪設(shè)土工格柵加固并加強(qiáng)排水。

(2)降雨時(shí)間較短時(shí)，少量雨水對(duì)全風(fēng)化花崗巖改良土路基的沉降影響較小，但當(dāng)路基面有積水且積水時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，積水會(huì)逐漸滲透到改良土路基填筑體中，改良土?xí)霈F(xiàn)一定程度的軟化，對(duì)路基沉降變形控制造成較大的影響，因此，全風(fēng)化花崗巖改良土填筑路基施工過(guò)程中，不得長(zhǎng)期放置和積水，改良土不宜用作浸水路基填料。

4 結(jié)論

海南環(huán)島高速鐵路建設(shè)需解決花崗巖全風(fēng)化層的地基處理，強(qiáng)降雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)路基邊坡的加固防護(hù)和花崗巖全風(fēng)化層的填料改良三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)海南環(huán)島高速鐵路花崗巖全風(fēng)化層地基土的壓縮系數(shù)在0.141～0.284 MPa-1之間，為中低壓縮性土，地基具有快速收斂的特性，施工+放置期的沉降完成比例可達(dá)75%～90%。固結(jié)試驗(yàn)得到的壓縮模量較低，宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果。

(2)花崗巖全風(fēng)化層地基路堤，控制路堤填筑速率并放置3～6個(gè)月，路基沉降逐漸趨穩(wěn)；有砟軌道高速鐵路地基一般可不作處理，只對(duì)高填方地段和過(guò)渡段進(jìn)行淺層處理；無(wú)砟軌道高速鐵路一般地段應(yīng)對(duì)地基淺層5～8 m進(jìn)行處理，高填方地段和過(guò)渡段應(yīng)采用CFG樁加大處理深度，并宜聯(lián)合堆載預(yù)壓措施。地基表層存在軟土、松軟土?xí)r，花崗巖全風(fēng)化層可作為上部加固處理措施的持力基礎(chǔ)。

(3)強(qiáng)降雨、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)路基宜采用小間距骨架結(jié)合草本植物及灌木措施進(jìn)行邊坡防護(hù)，路堤邊坡迎風(fēng)面路肩附近是受風(fēng)力影響最大的位置，路堤邊坡迎風(fēng)面路肩宜選擇銀合歡結(jié)合莖稈柔韌、冠幅不大的低矮灌木。

(4)花崗巖全風(fēng)化層摻5%和3%的水泥進(jìn)行改良可滿足高速鐵路基基床底層和路堤本體的填料要求，填筑高度大于3 m的路基邊坡兩側(cè)宜采用土工格柵加固并加強(qiáng)路基排水，改良土不宜用于浸水路基填料。