樁板墻支護(hù)下的高速鐵路陡坡地基路堤變形演化特性

謝 濤，羅 強(qiáng)，張 良，連繼峰，周 成

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610031)

山地與丘陵地形在我國中西部分布廣泛，鐵路建設(shè)中不可避免地會遇到大量斜坡地基，其中坡率大于1∶2.5的稱為陡坡地基[1]。修筑在斜坡地基上的高速鐵路路堤主要存在以下工程問題[2-3]：路堤填土高度差異引起填料橫向不均勻壓縮變形；地基土層厚度與填筑高度的差異導(dǎo)致地基橫向不均勻沉降；對于陡坡地基，由于設(shè)置了支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行收坡，使得填筑體下部分寬度變窄、填土壓實(shí)困難；支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移導(dǎo)致路堤產(chǎn)生橫向變形，對軌道平順性造成不利影響。高速鐵路，特別是無砟軌道，除了保證路堤整體穩(wěn)定性外，對路堤工后沉降有著嚴(yán)格的限制，文獻(xiàn)[4]明確規(guī)定，無砟軌道的過渡段及路基工后沉降不宜超過5～15 mm；對于路基側(cè)向變形雖然目前還沒有明確的規(guī)定限值，但根據(jù)文獻(xiàn)[5]，300 km/h線路的軌道軌向動/靜態(tài)偏差達(dá)到8 mm/5 mm就必須進(jìn)行臨時維修，而對應(yīng)的高低偏差限值則是11 mm/7 mm，并且無砟軌道鋼軌高低調(diào)整量為-4/+26 mm，水平調(diào)整量則僅為±6 mm?？梢姡瑹o論從軌道調(diào)整量還是從允許偏差角度來講，路堤側(cè)向變形對軌道平順性及安全性影響都更為顯著。為滿足高速鐵路建設(shè)要求，通常的做法是在陡坡地基段布置約束樁或樁板墻限制路堤側(cè)向變形，并采用復(fù)合地基提高樁后地基土強(qiáng)度與模量，減小地基面沉降。然而，對于以路肩樁板墻進(jìn)行支護(hù)的陡坡地基路堤，在路堤荷載長期作用下，路堤豎向及水平變形、樁后地基面沉降、樁前地基土變形特性及樁體側(cè)向位移隨時間的發(fā)展規(guī)律依然是亟需研究的問題。

目前，對于斜坡地基條件下路堤變形的研究手段主要集中于模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場測試及工程實(shí)踐總結(jié)。模型試驗(yàn)方面，文獻(xiàn)[6-7]進(jìn)行土工離心模型試驗(yàn)，研究表明斜坡軟弱地基變形主要位于路堤下側(cè)邊坡，地基土在壓密的同時會出現(xiàn)較大側(cè)向變形，導(dǎo)致下坡腳處產(chǎn)生較為明顯的推移、隆起現(xiàn)象。數(shù)值模擬方面，斜坡下無支擋結(jié)構(gòu)的山區(qū)公路路堤研究[8]表明，斜坡填方路堤變形以沉降為主，水平位移表現(xiàn)為側(cè)向外鼓，1/2坡高附近最大；文獻(xiàn)[9-10]對比分析了傾斜軟弱地基路堤分層填筑過程中，側(cè)向變形、豎向沉降及穩(wěn)定性的變化情況，研究結(jié)果表明錨固樁使地基土側(cè)向變形顯著減小，豎向沉降急劇降低，而且斜坡軟弱地基變形并非斜坡地基與軟弱地基變形的線性疊加。工程實(shí)踐方面，文獻(xiàn)[11-12]分別對高原斜坡軟土地區(qū)地基處理、抗滑支擋及路堤填筑施工技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了將強(qiáng)基固本、治軟抗滑作為確保斜坡地基條件下路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)則。

已有的研究加深了對斜坡地基條件下路基穩(wěn)定性及基本變形規(guī)律的認(rèn)識，但對于為滿足高速鐵路無砟軌道在少維修條件下維持長久高平順性要求而在陡坡地基上修建的樁板墻式路堤長期變形特性的研究依然欠缺。因此，本文以某高速鐵路陡坡地基樁板墻式路堤為研究對象，對填土與地基土變形、樁體側(cè)向位移進(jìn)行近3年的現(xiàn)場長期測試，以探求陡坡地基條件下路基變形，特別是側(cè)向變形隨時間的發(fā)展規(guī)律。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)概況

1.1 工點(diǎn)簡介

測試工點(diǎn)為某高速鐵路陡坡地基樁板墻式路堤，試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)時速300 km，無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。工點(diǎn)原地面自然坡度30°左右，屬于陡坡地基[1]。地基土上層為含水率w=25%、厚10 m的低液限粉質(zhì)黏土，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化頁巖。路堤填高8.5 m，采用懸臂段長8 m、錨固段長16 m的樁板墻支護(hù)，其中樁身底部嵌入基巖6 m。樁身橫截面為2 m×3 m的矩形,樁間距5 m；擋土板為4 m×0.5 m的預(yù)制混凝土板，板厚0.35 m。路堤下地基采用樁間距1.6 m、直徑0.5 m的無樁帽CFG樁處理，梅花形布置。路堤填料為粗顆粒土。試驗(yàn)工點(diǎn)橫斷面見圖1。

圖1 試驗(yàn)工點(diǎn)橫斷面(單位:m)

1.2 路堤填料及地基土物理力學(xué)性質(zhì)

路堤填料的室內(nèi)試驗(yàn)測得，粒徑為20～60 mm的顆粒占17.9%，粒徑大于2 mm的占72.9%，粒徑小于0.075 mm的占1.9%，不均勻系數(shù)Cu=17.8、曲率系數(shù)Cc=1.2，級配良好，屬于細(xì)角礫類A組填料[1]；填料最優(yōu)含水率wop=4.3%，最大干密度ρdmax=2.37 g/cm3。

樁前地基土的相對密度、擊實(shí)、含水率及界限含水率試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。地基土中粒徑為5～20 mm的顆粒占10.6%，0.075～5 mm占15.2%，0.005～0.075 mm占39.5%，小于0.005 mm占33.1%，塑性指數(shù)Ip=13.71，屬于低液限粉質(zhì)黏土[1]。

表1 地基土物理參數(shù)

重度γ=19.8 kN/m3的地基土經(jīng)壓縮試驗(yàn)測得初始孔隙比e0=0.70，壓縮系數(shù)aν1-2=0.22 MPa-1，壓縮模量Es1-2=7.57 MPa，屬于中等壓縮性土[1]。直剪強(qiáng)度指標(biāo)c=29.2 kPa，φ=23.3°。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 樁體位移

樁體側(cè)向位移測試由兩部分組成。一部分在樁體內(nèi)安裝2只測斜管，測量樁身范圍內(nèi)施工期及施工完成后的側(cè)向位移；另一部分，在樁頂以下1.5 m，即路基面以下2.6 m處安裝設(shè)有位移計(jì)的水平測桿，測桿一端固定于樁身內(nèi)側(cè)，另一端通過與測桿剛性連接的錨固板固定于樁后14 m處的路堤填土中，見圖2。

圖2 位移測試元件布置示意

2.2 樁前地基土水平應(yīng)變

地面以下1.5 m深度處，在樁前2.56、4.56、6.56、8.56、10.56 m的地基土中，各埋設(shè)一支標(biāo)距為0.5 m的水平應(yīng)變計(jì)，測定淺層地基土側(cè)向應(yīng)變及其沿橫向的分布規(guī)律，布置見圖3。

圖3 樁前地基土應(yīng)變計(jì)布置示意(單位:m)

2.3 樁后地基面沉降

在樁后1.6、5.9、10.7、15.0 m，相應(yīng)路堤填高8.5、6.7、5.7、3.6 m的地基內(nèi)各安裝一支單點(diǎn)沉降計(jì)，共計(jì)4支，其中兩支位于左右軌道中心線下，另外兩支位于路基頂肩處，見圖4和圖5(a)。

圖4 單點(diǎn)沉降計(jì)布置示意(單位:m)

2.4 路堤變形

路基填筑至距路基面5.7、4.0、2.3、1.15、0.25 m時，在樁后5.5 m處以豎向挖孔的方式依次埋入豎向應(yīng)變計(jì)，測定相應(yīng)位置路堤填土豎向應(yīng)變及分布規(guī)律；在距樁頂1.5 m，即路基面以下2.6 m深度處，樁后2、4、6.3、8.7、11.1、15.4 m的路堤填土中，各安裝1支水平向應(yīng)變計(jì)，測定相應(yīng)位置填土水平應(yīng)變及沿橫向的分布，見圖5。

圖5 應(yīng)變計(jì)及單點(diǎn)沉降計(jì)布置示意(單位:m)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 樁體側(cè)向位移

(1)測斜管

通過測斜管測得樁體側(cè)向位移隨著與樁頂距離的增加呈現(xiàn)出近似線性減小的分布規(guī)律，并在樁底以上3 m位置附近出現(xiàn)負(fù)值，見圖6。兩測斜管所測數(shù)據(jù)大小及分布規(guī)律基本一致，最大誤差不超過1.5 cm，分析時取平均值。樁體橫向抗彎剛度較大，接近剛性樁[13]；樁身撓曲變形較小，接近剛性轉(zhuǎn)動。路堤填筑完成(7 d)時，樁頂側(cè)向位移為15.7 mm，轉(zhuǎn)角約為0.7‰，接近總變形的70%。樁體側(cè)向位移隨時間逐漸發(fā)展至22.6 mm，轉(zhuǎn)角約為1.1‰、與懸臂段長度之比為2.8‰，不到規(guī)范[14]限值(1%)的1/3。

圖6 樁體側(cè)向位移

對于鐵路路基樁板墻，土質(zhì)地基下懸臂段與錨固段之比一般接近1∶2，即使在巖質(zhì)地基下也不低于1∶1。樁體具有典型的深錨固、強(qiáng)約束性特點(diǎn)，其側(cè)向變形接近剛性樁的變形形態(tài)。如圖6所示，地面處樁體側(cè)向位移為13 mm左右，已超過規(guī)范[14]中有關(guān)地面處樁體位移不宜大于10 mm的規(guī)定，而樁頂位移卻僅有23 mm，不到規(guī)范[14]限值(100 mm)的1/4。顯然，在土質(zhì)地基條件下，地面處樁體水平位移不宜大于10 mm的規(guī)定存在與樁頂側(cè)向位移不宜超過100 mm規(guī)定不匹配的問題。

(2)路堤內(nèi)水平測桿

通過水平測桿測得路堤填筑完成后樁體側(cè)向位移隨時間的變化曲線，見圖7。路堤填筑完成后，距樁頂1.5 m，即路基面以下2.6 m處樁體側(cè)向位移隨時間的增長呈現(xiàn)出非線性增加的變化規(guī)律，填筑完成初期增長較快，隨后位移隨時間的增長速率逐漸降低，填筑完成后350～450 d趨于穩(wěn)定。

圖7 樁頂側(cè)向位移

填筑完成7 d內(nèi)樁頂以下1.5 m處樁體變形較小，為0.11 mm，可以忽略。因此，在對測斜管所測樁體位移進(jìn)行分析時，以填筑完成7 d樁體位移作為填筑完成后變形初值不會有較大誤差。對比測斜管和水平測桿所測樁體位移可以發(fā)現(xiàn)，水平測桿測得填筑完成后樁體最終位移為3.97 mm，相對于填筑完成7 d時增加3.86 mm；測斜管數(shù)據(jù)表明相同位置，即樁頂以下1.5 m處樁體的最終側(cè)向位移為20.6 mm，相對于填筑完成7 d時的15.5 mm增加了6.1 mm(比3.86 mm大2.24 mm)，可能是埋設(shè)于路堤填土中的錨固板向樁體一側(cè)移動，導(dǎo)致水平測桿所測位移偏小。

可見，樁板墻的設(shè)置有效限制了陡坡地基路堤側(cè)向變形。路堤填筑完成后，樁體側(cè)向位移仍隨時間有略微發(fā)展，填筑完成初期增長較快，1～1.5年基本趨于穩(wěn)定，最終樁頂位移與懸臂段長度之比為2.8‰，其中填筑期間與填筑完成后分別占70%和30%。

3.2 樁前地基土水平應(yīng)變

圖8 樁前地基土水平應(yīng)變

通過埋設(shè)于樁前地基土的水平應(yīng)變計(jì)，測得地面以下1.5 m深度處、樁前2～11 m范圍內(nèi)地基土的側(cè)向應(yīng)變，見圖8。樁前2.56 m處地基土側(cè)向應(yīng)變?yōu)?3×10-4，地基土側(cè)向應(yīng)變隨樁前距離的增加而減小，10.56 m處衰減83.5%至3.8×10-4，影響范圍為樁前8～10 m。如圖9所示，將穩(wěn)定后的樁前地基土側(cè)向應(yīng)變曲線延伸至縱坐標(biāo)軸，交點(diǎn)為27×10-4。將延伸后的應(yīng)變曲線沿橫坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)值積分，得到地面以下1.5 m深度處樁前地基土側(cè)向變形為13.96 mm，與相應(yīng)位置測斜管所測得的樁體位移12.5 mm基本一致，變形影響范圍內(nèi)樁前地基土平均水平應(yīng)變?yōu)?1.6×10-4。

圖9 樁前地基側(cè)向變形

樁前地基土水平應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律見圖10。施工加載對地基土側(cè)向變形影響顯著，路堤填筑期間地基土的側(cè)向變形已完成大部分，填筑完成后地基土應(yīng)變隨時間的推移有略微的增加，并基本趨于穩(wěn)定，局部出現(xiàn)小幅波動?？梢姡瑯扼w的側(cè)向移動對樁前一定區(qū)域內(nèi)的地基土產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，其強(qiáng)度隨樁前距離的增加而減小。

圖10 地基土水平應(yīng)變隨時間變化曲線

3.3 路堤填土水平應(yīng)變

通過埋設(shè)于路基填土中的水平應(yīng)變計(jì)，測得路堤填筑完成后樁頂以下1.5 m處、樁后2～16 m范圍內(nèi)路堤填土水平應(yīng)變，見圖11。樁后8 m范圍內(nèi)土體側(cè)向變形主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變，其大小隨樁后距離的增加而近似線性降低，樁后2 m處應(yīng)變值為-15.0×10-4(1.5‰)，至線路中心附近衰減至0，影響范圍為樁后6～8 m。

圖11 路堤填土水平應(yīng)變

如圖12所示，對于黏聚力較小的粗粒土，可將樁板墻后的填土分為主動區(qū)、穩(wěn)定區(qū)及兩者之間的過渡區(qū)。其中，主動區(qū)是指土體達(dá)到極限狀態(tài)的區(qū)域；穩(wěn)定區(qū)是指即使沒有支擋結(jié)構(gòu)土體依然處于穩(wěn)定狀態(tài)的區(qū)域，其與水平向夾角為休止角φ0。此處，φ0按實(shí)測填土內(nèi)摩擦角φ=47.2°取值。結(jié)合圖11和圖12基本可以判定，由樁板墻側(cè)向位移引起的墻后填土水平跟隨變形的影響范圍大致位于主動區(qū)與過渡區(qū)，而穩(wěn)定區(qū)土體幾乎不受其影響。

圖12 路堤橫向跟隨變形影響范圍示意

圖13為路基填土水平應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律。由于缺乏填筑完成后400～785 d測試數(shù)據(jù)，根據(jù)圖7樁體側(cè)向位移隨時間的變化規(guī)律，可近似預(yù)測該段時間內(nèi)應(yīng)變隨時間的發(fā)展趨勢，見圖13中虛線。樁后2、4、6.3 m處路堤填土側(cè)向應(yīng)變隨時間的增加而緩慢增大，路堤填筑完成初期填土出現(xiàn)了較小的側(cè)向擠壓變形，而后隨著墻體側(cè)向移動，填土側(cè)向約束減弱，土體內(nèi)產(chǎn)生水平拉應(yīng)變，其大小隨時間的推移逐漸發(fā)展，路堤填筑完成350～450 d趨于穩(wěn)定。樁后8.7 m和15.5 m處土體僅在填筑完成初期出現(xiàn)較小的側(cè)向擠壓變形，并快速趨于穩(wěn)定。

圖13 路堤填土水平應(yīng)變隨時間變化曲線

如圖14所示，對穩(wěn)定后的路堤水平應(yīng)變曲線進(jìn)行延長，交縱坐標(biāo)于-20×10-4，將延長后的應(yīng)變曲線對橫坐標(biāo)0～16 m范圍進(jìn)行數(shù)值積分，得到填土側(cè)向變形約為6.38 mm；測斜管數(shù)據(jù)表明路堤填筑完成后路基面以下2.6 m處樁體側(cè)向位移為6.1 mm，可見土體側(cè)向變形與樁體位移大小基本一致，兩者僅相差5%。將側(cè)向變形6.38 mm除以張拉變形區(qū)域?qū)挾? m，得到平均拉應(yīng)變約為-8×10-4。

圖14 路堤側(cè)向變形

可見，樁體側(cè)向移動作用下，墻后一定區(qū)域內(nèi)填土產(chǎn)生隨著與墻體距離增加近似線性降低的張拉跟隨變形，其大小與相應(yīng)位置樁體位移基本一致，影響范圍位于主動區(qū)及過渡區(qū)。路堤填筑完成后，填土側(cè)向變形隨著樁體側(cè)向位移隨時間的發(fā)展而增加，1～1.5年趨于穩(wěn)定。

3.4 路基填土豎向應(yīng)變

通過埋設(shè)于路堤中的豎向應(yīng)變計(jì)，測得路堤填筑完成后，樁后4.3 m處，路基面以下0～6.7 m范圍內(nèi)路堤填土的豎向應(yīng)變，見圖15。填筑完成后，路堤填土的豎向應(yīng)變隨深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的分布規(guī)律，路基面以下0.25 m處路堤填土豎向應(yīng)變較小，為6.3×10-4，4 m位置附近土體豎向變形最大，為27.6×10-4。這是由于在施工過程中，路堤下部填土受機(jī)械碾壓力及隨填高逐漸增加的上部土體重力作用，變形在填筑中已完成一部分，使填筑完成后的變形較小；而路堤上部填土所受上覆壓力小，填筑完成后變形也較小，最終導(dǎo)致路堤填筑完成后填土豎向應(yīng)變呈現(xiàn)出中部大兩端小的分布規(guī)律。

圖15 路堤填土豎向應(yīng)變

同樣，對穩(wěn)定后豎向應(yīng)變曲線進(jìn)行延長后沿縱坐標(biāo)進(jìn)行積分，得到路堤填土豎向變形約為11.1 mm，與填土高度6.7 m之比為1.7‰，即平均應(yīng)變?yōu)?7×10-4。根據(jù)國內(nèi)外高速鐵路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測資料[2]，路堤填料為粗粒土及碎石類土?xí)r，填土壓實(shí)沉降量約為路堤高度的1‰～3‰，當(dāng)路堤較高且填料壓實(shí)困難時取上限，當(dāng)路堤較低且填料密實(shí)時取下限；試驗(yàn)工點(diǎn)豎向變形測試點(diǎn)路堤填高6.7 m，屬于中等高度路堤，填土為密實(shí)的粗顆粒填料，壓實(shí)沉降量為填土高度的1.7‰，與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)及實(shí)測資料基本一致。

路基面以下不同深度處豎向應(yīng)變隨時間的變化曲線見圖16。路堤填筑完成后，填土豎向變形隨時間的增長逐漸增加，填筑完成初期增加較快，隨后逐漸降低，填筑完成200 d左右基本趨于穩(wěn)定。

圖16 路堤填土豎向應(yīng)變隨時間變化曲線

對比路堤填土的水平與豎向變形可知，從應(yīng)變大小上來講，路堤填土的水平拉應(yīng)變小于豎向壓應(yīng)變。如圖11和圖15所示，路基面以下6.7 m范圍內(nèi)平均豎向應(yīng)變?yōu)?7×10-4，是路基面以下2.6 m處平均水平拉應(yīng)變8×10-4的2.1倍。從變形隨時間的發(fā)展趨勢上來講，水平變形隨時間發(fā)展緩于豎向變形。如圖13和圖16所示，路堤填筑完成后約200 d，填土豎向變形已基本完成并趨于穩(wěn)定，而水平變形仍然隨時間的延長緩慢發(fā)展，填筑完成350～450 d才趨于穩(wěn)定。路堤填土水平應(yīng)變隨時間的發(fā)展主要取決于樁體側(cè)向位移，而樁體側(cè)向位移受樁前地基土的影響顯著，路堤填土的豎向應(yīng)變隨時間的發(fā)展則主要與填土性質(zhì)及密實(shí)程度有關(guān)。試驗(yàn)工點(diǎn)路堤為密實(shí)的A組填料，樁前地基土為低液限粉質(zhì)黏土，其變形隨時間的收斂速度小于密實(shí)的角礫類A組填料，并且拉應(yīng)變的發(fā)展對于土體是一個逐漸劣化的過程，壓密變形則是對土體本身的強(qiáng)化，正是這兩方面的因素導(dǎo)致路堤水平拉應(yīng)變趨于穩(wěn)定的時間滯后于豎向應(yīng)變。

3.5 樁后地基面沉降

布設(shè)于樁后地基面的單點(diǎn)沉降計(jì)，一端位于樁后地基面處，另一端深入基巖內(nèi)。由于頂肩處兩單點(diǎn)沉降計(jì)在施工過程中損壞，僅測得樁后5.9、10.7 m處地基面沉降，見圖17。路堤填筑完成后地基面沉降隨著時間的推移而增加，路堤填筑完成70 d內(nèi)，沉降增長較快，達(dá)到穩(wěn)定后沉降的75%左右，而后沉降隨時間緩慢增加，并逐漸趨于穩(wěn)定。從沉降大小來看，地基面沉降隨路堤填土高度而增加，樁后5.9 m處地基面沉降為8.3 mm，與對應(yīng)位置填土高度(6.7 m)之比1.2‰；樁后10.7 m處為4.7 mm，與填高(5.7 m)之比為0.8‰，橫向差異沉降約為3.6 mm。

圖17 地基面沉降

可見，CFG樁復(fù)合地基有效控制了樁后地基土變形，減小了由填土高度差異導(dǎo)致附加應(yīng)力非對稱擴(kuò)散[6-7]引起的陡坡地基橫向不均勻沉降。CFG樁處理后，地基強(qiáng)度與模量顯著提高，地基面沉降大為減小，填筑完成900 d后的橫向差異沉降僅為0.75‰。

4 樁板墻長期側(cè)向變形狀態(tài)分析

4.1 基本原理

樁板墻支護(hù)下的陡坡地基路堤側(cè)向變形的源頭在于樁的側(cè)向位移，路堤僅僅是隨同樁體一起產(chǎn)生跟隨變形。因此，在陡坡地基條件下，樁體側(cè)向位移是路堤側(cè)向變形控制的核心。事實(shí)上，影響高速鐵路軌道平順性的是路堤工后變形，即軌道鋪裝完成后隨時間產(chǎn)生的長期變形。然而，針對路堤施工完成后的具體變形值目前還沒有成熟的計(jì)算理論，其估算主要是基于總變形，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)以函數(shù)擬合的方法進(jìn)行綜合評估，例如路基面的后期沉降預(yù)測。這主要是因?yàn)楦咚勹F路路基的工后變形一般很小，處于5～20 mm級別，即使是針對巖土材料總變形的計(jì)算理論，其精度也難以達(dá)到。

文獻(xiàn)[15]基于土體變形時間效應(yīng)演化特征，針對高速鐵路基床設(shè)計(jì)提出了變形狀態(tài)控制的概念，核心是認(rèn)為巖土后期變形隨時間的發(fā)展與土體當(dāng)下的應(yīng)力或應(yīng)變水平相關(guān)，其實(shí)質(zhì)是通過限制土體應(yīng)力或應(yīng)變水平來控制變形發(fā)展的趨勢，而不是具體的變形值。此外，熊勇[16]針對壓實(shí)系數(shù)為0.9、塑性指數(shù)為12的粉質(zhì)黏土(與本文測試點(diǎn)樁前地基土相近)，開展了多荷載水平下的小型平板載荷試驗(yàn)(K30)，其豎向塑性變形隨時間的發(fā)展見圖18。按變形發(fā)展的劇烈程度及是否收斂，并基于負(fù)冪函數(shù)擬合的冪次判別準(zhǔn)則[15]對土體長期變形狀態(tài)進(jìn)行了分類：荷載水平λ≤30%時，土體處于變形時間效應(yīng)微弱的快速收斂狀態(tài)，其中λ≤10%時無時間效應(yīng)，類似于純彈性狀態(tài)；30%<λ≤60%時為具有變形時間效應(yīng)的緩慢收斂狀態(tài)；60%<λ≤90%時為緩慢發(fā)散狀態(tài)；λ> 90%時為快速發(fā)散狀態(tài)。

圖18 K30試驗(yàn)中各荷載水平下的蠕變曲線[16]

4.2 樁板墻長期側(cè)向變形狀態(tài)評價方法

至于樁板墻，其長期側(cè)向變形狀態(tài)控制的核心在于樁前地基土因樁體擠壓引起的橫向應(yīng)力水平或應(yīng)變水平。樁前地基土受到樁體側(cè)向擠壓荷載越大，地基土的應(yīng)變水平就越高，其變形隨時間發(fā)展也就收斂得越慢，甚至出現(xiàn)破壞。因此，可通過限制樁前地基土橫向應(yīng)變的方式實(shí)現(xiàn)對樁體長期側(cè)向變形狀態(tài)的控制。需要指出的是，因樁前地基土側(cè)向變形具有隨埋深增加而減小的總體變化趨勢，地面位置土體的應(yīng)變最大，要將整個埋深范圍內(nèi)的地基土都控制在某個狀態(tài)(如快速收斂)顯然難以實(shí)現(xiàn)，同時也不經(jīng)濟(jì)。因此，將樁底以上2h/3(h為埋深)范圍內(nèi)地基土作為狀態(tài)控制區(qū)，設(shè)計(jì)時只要保證狀態(tài)控制區(qū)內(nèi)地基土處于某一應(yīng)變水平即可，見圖19。由此，即可求得圖19中檢算點(diǎn)處的樁體側(cè)向位移Sh/3為

Sh/3=[ε]·L

( 1 )

式中：L為樁前地基土側(cè)向變形橫向影響范圍，由圖19所示的被動滑移面確定；土體各變形狀態(tài)間的平均水平應(yīng)變閾值[ε]可由文獻(xiàn)[15]有關(guān)粉質(zhì)黏土的試驗(yàn)總變形獲得(影響深度取2倍荷載板直徑)，見表2。

圖19 樁板墻側(cè)向變形狀態(tài)控制示意

表2 水平應(yīng)變閾值及樁體側(cè)向位移

表2所列為測試工點(diǎn)地基土處于不同變形狀態(tài)的樁體側(cè)向位移閾值，其中SH與S0分別對應(yīng)樁頂處和地面處樁體側(cè)向位移，根據(jù)Sh/3按剛性樁近似計(jì)算。對于少維修或不維修的高速鐵路無砟軌道，設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量將其控制在快速收斂狀態(tài)，其檢算點(diǎn)的樁體實(shí)測側(cè)向位移約為8 mm

可見，無論是從實(shí)測的樁頂側(cè)向位移(不足規(guī)范[14]限值的1/4)，還是從樁體位移隨時間的發(fā)展趨勢(圖7)，或是以表2所得檢算點(diǎn)的位移閾值和施工完成后良好的運(yùn)營情況，均可判定測試工點(diǎn)樁板墻滿足高速鐵路無砟軌道工后長期變形的要求。然而，若以地面處實(shí)測樁體側(cè)向位移13 mm判斷，卻難以滿足不宜超過10 mm的規(guī)范[14]要求。因此，即使對于無砟軌道下的深錨固、強(qiáng)約束性樁板墻，規(guī)范[14]關(guān)于地面處樁體側(cè)向位移的規(guī)定，對于土質(zhì)地基仍存在優(yōu)化空間。事實(shí)上，結(jié)合樁板墻長期側(cè)向變形狀態(tài)的理論分析可以大致判斷，對于以土質(zhì)地基為主要覆蓋層的工點(diǎn)，地面處樁體側(cè)向位移不超過10 mm的規(guī)定，其長期變形大致相當(dāng)于λ≤10%的無時間效應(yīng)快速收斂狀態(tài)，樁板墻結(jié)構(gòu)基本處于純彈性工作狀態(tài)，顯然過于嚴(yán)格。

需指出的是，表2所得數(shù)據(jù)主要適用于本文所測土質(zhì)地基工點(diǎn)或類似樁板墻。對于巖質(zhì)等其他類型地基，需根據(jù)相應(yīng)控制目標(biāo)按式( 1 )求得檢算點(diǎn)處的位移閾值進(jìn)行檢算。此外，限于文章篇幅，有關(guān)樁板墻長期側(cè)向變形狀態(tài)評價的方法將由另外的文章詳細(xì)介紹，此處僅就思路做了簡要陳述。

5 結(jié)論

基于某高速鐵路試驗(yàn)工點(diǎn)陡坡地基樁板墻路堤結(jié)構(gòu)900余天的現(xiàn)場長期觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了以路基側(cè)向變形特性及控制為重點(diǎn)的試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

(1)為適應(yīng)高速鐵路變形控制嚴(yán)格而在陡坡地基上設(shè)置的深錨固、強(qiáng)約束性路肩樁板墻有效限制了路基側(cè)向變形。測試表明，樁頂側(cè)向位移與懸臂段長度之比僅為規(guī)范限值(1%)的1/3左右。其中路堤填筑期間占70%，填筑完成后1～1.5 a趨于穩(wěn)定。

(2)樁板墻側(cè)向位移使得墻后填土產(chǎn)生隨時間發(fā)展、隨與墻后距離增加逐漸衰減的水平拉應(yīng)變，其影響范圍基本位于墻后主動區(qū)及過渡區(qū)，而與水平向夾角為內(nèi)摩擦角的穩(wěn)定區(qū)土體幾乎不受影響。

(3)填筑完成后路堤填土豎向應(yīng)變呈現(xiàn)出中部大、上下端小的分布規(guī)律，豎向總變形與填高之比約為1.7‰，0.5～1 a即可趨于穩(wěn)定，表明陡坡地基條件下的路堤填土豎向沉降收斂速度具有快于側(cè)向變形的特點(diǎn)。

(4)基于土的變形演化特征，提出了以限制樁前地基土水平應(yīng)變?yōu)楹诵摹⒁缘孛嫦?/3埋深處樁體位移為控制指標(biāo)的樁板墻長期變形狀態(tài)評價方法。分析表明，土質(zhì)地基下，盡管測試工點(diǎn)地面處的樁體側(cè)向位移(13 mm)已超過10 mm的規(guī)范要求，但墻體結(jié)構(gòu)長期變形仍處于時間效應(yīng)微弱的快速收斂狀態(tài)。