泡沫輕質(zhì)土在高填幫寬路基中的應(yīng)用

楊瑩

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063

泡沫輕質(zhì)土是將穩(wěn)定泡沫體系與膠凝料漿按照一定的比例均勻混合硬化形成的一種輕質(zhì)材料。泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)、強度可調(diào)節(jié)、高流動性、固化后能自立、施工性和耐久性良好等特點［1-5］。

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)已成功應(yīng)用于多條高速鐵路泡沫輕質(zhì)土路基工程建設(shè)［6-11］。商合杭高速鐵路肥東站應(yīng)用了9.7萬m3泡沫輕質(zhì)土，是鐵路建設(shè)工程中應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土方量最大的工程［12］，自2016年施工以來，既有合肥至南京鐵路安全運營未受影響，有效解決了軟土地基既有線高填幫寬的變形控制和安全運營難題。

本文以商合杭高速鐵路肥東站的泡沫輕質(zhì)土高填幫寬路基為依托，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗監(jiān)測，對比分析了采用泡沫輕質(zhì)土和常規(guī)路基填料幫寬的附加應(yīng)力和附加沉降變形。

1 工程概況

肥東站位于安徽省合肥市肥東縣，為合寧鐵路的中間車站，規(guī)模2臺6線，為運營速度200 km/h的有砟軌道高速鐵路，路基基底地基局部淺層拋填片石加固，狀況穩(wěn)定。商合杭高速鐵路在既有車站兩側(cè)各增加1股道作為商合杭正線，并改建既有2股道作為到發(fā)線。

1.1 工程地質(zhì)條件

肥東站所處場地屬于崗地間坳谷地貌，地面平坦開闊，地面標(biāo)高一般為19.0～30.4 m。地基地層巖性從地表往下依次為：?層人工填土，褐黃色，稍濕，層厚0.5～3.1 m，多為合寧鐵路路基填土；①1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al），灰褐色，流塑，基本承載力σ0=80 kPa，層厚2～6 m，在河流及水塘附近局部分布；①2層黏土，褐黃色，軟塑～可塑，σ0=120～150 kPa，場區(qū)廣泛分布，層厚4.8～11.0 m；①3層黏土，褐黃色，硬塑，土質(zhì)較均勻，含鐵錳質(zhì)氧化物、姜石，σ0=180～200 kPa，層厚15～35 m；②1～3層泥質(zhì)砂巖（K2c），褐紅色～紫紅色，全～弱風(fēng)化，其中全風(fēng)化巖芯風(fēng)化呈砂土狀，黏性較大，σ0=250 kPa，層厚1.0～8.5 m，弱風(fēng)化砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖芯較完整，呈柱狀，節(jié)長一般5～30 cm，單軸飽和抗壓強度2.61 MPa，σ0=450 kPa，層厚1.2～15.0 m。

1.2 主要問題及處理措施

商合杭高速鐵路肥東站填高變化較大，正線路基填高3.1～9.3 m，且地表存在軟土層和軟塑土層。高填方路基兩側(cè)幫填新線路基，處理不當(dāng)會引起既有線較大的附加變形。如何選用既能滿足新建線路要求又能減小既有線附加變形的工程措施，是肥東站的設(shè)計難點。

根據(jù)設(shè)計方案，肥東站路基采用復(fù)合地基+泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)。采用攪拌樁復(fù)合地基加固軟弱地基，樁直徑0.5 m，樁間距0.8～1.0 m，呈正方形布置，樁長5～8 m。新線填土高度大于6 m地段的基床以下采用泡沫輕質(zhì)土填筑，泡沫輕質(zhì)土重度6～7 kN/m3，抗壓強度1.0～1.2 MPa。泡沫輕質(zhì)土重度小、密度和強度可調(diào)性、直立性好的工程特性可以減小既有線附加應(yīng)力，從而減小對營業(yè)線路基的影響。K438+320典型斷面加固設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 K438+320橫斷面加固設(shè)計方案（單位：m）

2 數(shù)值模擬分析

2.1 幾何模型

采用軟件GeoStudio的SIGMA/W進行數(shù)值模擬計算。K438+320斷面路堤形式為軸對稱的雙側(cè)幫寬，以既有路堤中心線為基準(zhǔn)取一半結(jié)構(gòu)建立模型，底端邊界約束豎向位移和水平向位移，兩側(cè)邊界約束水平向位移，如圖2所示。

圖2 K438+320斷面數(shù)值計算模型

2.2 材料參數(shù)

主要土層計算參數(shù)見表1。既有線路堤下的①2黏土已預(yù)壓固結(jié)，因此壓縮模量大于其他區(qū)域的①2黏土。根據(jù)統(tǒng)計資料，一般情況，土體的彈性模量是壓縮模量的幾倍，且土體的壓縮性越小，模量比越大。

表1 主要土層情況及參數(shù)

泡沫輕質(zhì)土和水泥土樁的彈性模量按其無側(cè)限抗壓強度qu的倍數(shù)估算，泡沫輕質(zhì)土的彈性模量按250qu估算，水泥土樁的彈性模量按100qu～200qu估算。為驗證泡沫輕質(zhì)土填筑的處理效果，將采用泡沫輕質(zhì)土填筑的部分換成常規(guī)A、B填料填筑進行計算對比。計算模型其他材料參數(shù)見表2。

表2 模型其他材料參數(shù)

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 既有路堤基底附加應(yīng)力

普通填料和泡沫輕質(zhì)土幫寬方案的ch位置處基底附加應(yīng)力分布見圖3。

圖3 K438+320斷面附加應(yīng)力

由圖3可知：既有路堤幫寬后，既有線基底附加應(yīng)力呈倒鐘形分布，基底附加應(yīng)力隨著距既有路基中線的距離增大而不斷增大，在坡腳處達到最大值；既有線坡腳b點基底附加應(yīng)力最大值，采用普通填料幫寬時為142.9 kPa，采用泡沫輕質(zhì)土幫寬時為59.7 kPa，比普通填料幫寬減小約58.2%。

2.3.2 既有路堤地基附加沉降

普通填料和泡沫輕質(zhì)土進行路堤幫寬后基底ch位置的附加沉降曲線見圖4。經(jīng)過多年運營后，既有路堤下的地基沉降已基本完成，路堤幫寬后變形主要發(fā)生在幫寬區(qū)域?？芍簬蛯捄蠹扔新返坍a(chǎn)生附加沉降，隨著距既有路基中線的距離增加而逐漸增大，最大值發(fā)生在新老路堤搭接處。普通填料幫寬時，既有線坡腳b點處附加沉降最大值為141.1 mm，而泡沫輕質(zhì)土幫寬時為41.9 mm，且?guī)蛯捖坊壮两祷鞠嗤?，附加沉降比普通填料幫寬時減小70.3%。普通填料幫寬時，既有線路肩處a點附加沉降73.3 mm，泡沫輕質(zhì)土幫寬時附加沉降24.6 mm，相比減小了66.4%。普通填料幫寬時，斷面最大差異沉降6.6‰，泡沫輕質(zhì)土幫寬時為1.6‰。泡沫輕質(zhì)土幫寬對減小既有線附加沉降和差異沉降效果顯著。

圖4 K438+320斷面沉降位移

2.3.3 既有路堤地基深層水平位移

既有路堤坡腳bd、e f位置的地基水平位移曲線見圖5。

圖5 K438+320斷面總位移

由圖5可知：地基土體水平位移隨著深度的增加逐漸減小。bd位置既有路堤坡腳處最大水平位移，普通填料幫寬時為往左偏移2.0 mm，泡沫輕質(zhì)土幫寬時為往右偏移0.8 mm；ef位置幫寬路堤坡腳處最大水平位移，普通填料幫寬時為0，泡沫輕質(zhì)土幫寬時為往左偏移0.8 mm。大約11 m深度處，水平位移最大，普通填料和輕質(zhì)土填料e f位置最大水平位移分別為向右側(cè)22.8、6.4 mm。

既有線路肩與幫寬路基形成一體，在幫寬路基的作用下，也發(fā)生向右的水平位移。路肩處a點普通填料幫寬時附加水平位移往右偏移22.3 mm，泡沫輕質(zhì)土幫寬時附加水平位移往右偏移8.0 mm，相對減小64.1%。

2.3.4 穩(wěn)定安全系數(shù)

普通填料和泡沫輕質(zhì)土幫寬后路堤的穩(wěn)定安全性采用Morgenstern?Price法進行檢算，滑動面位置見圖6。

圖6 K438+320斷面穩(wěn)定安全性檢算滑動面位置

由圖6可知：兩種填料幫寬路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.483和2.426，均滿足要求。普通填料幫寬時滑面自幫寬路基路肩從墻底剪出，泡沫輕質(zhì)土幫寬時滑面半徑增大，自既有路基路肩穿過復(fù)合地基從坡腳外剪出，泡沫輕質(zhì)土幫寬時穩(wěn)定安全系數(shù)大幅提高。

3 現(xiàn)場測試

3.1 測試方案

在泡沫輕質(zhì)土路堤澆筑之前，在K438+320斷面幫寬路堤底部沿橫斷面方向相距4.5 m布置兩個變形位移自動監(jiān)測點，監(jiān)測路堤底部的豎向沉降，基準(zhǔn)點布置在擋墻外側(cè)，砌筑平臺固定基準(zhǔn)點，如圖7所示。

圖7 K438+320斷面監(jiān)測點布置

3.2 地基沉降

K438+320試驗段泡沫輕質(zhì)土路堤自2017年7月7日開始澆筑。依據(jù)自動監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，獲得現(xiàn)場測點1和測點2的累計沉降曲線，見圖8。

由圖8可知：在幫寬路堤整個施工過程中，路堤底部的沉降逐步增加。泡沫輕質(zhì)土路堤澆筑完成后，沉降速率有所減慢，在澆筑完成后大概一個月的時間，路堤底部的沉降變形基本穩(wěn)定。在A、B料填筑施工過程中，沉降速率又明顯變大，而后沉降速率變緩直至沉降穩(wěn)定。泡沫輕質(zhì)土填筑產(chǎn)生的沉降較小，測點1的沉降約為5 mm，測點2的沉降約為7 mm；A、B料填筑完成后穩(wěn)定一段時間，測點1的總沉降約為16 mm，測點2的總沉降約為19 mm。由于既有線運營的原因，未取得既有線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，但是施工過程中既有路基一直保持正常運營，說明對既有線基本無影響。

圖8 沉降監(jiān)測點累計沉降曲線

3.3 地基深部水平位移

K438+320斷面幫寬路堤外側(cè)土體深部水平位移變化見圖9。

圖9 K438+320斷面水平位移變化

由圖9可知：土體深部水平位移呈現(xiàn)隨深度逐漸減小的變化規(guī)律，且隨著填筑高度的增加，土體水平位移最大值逐漸增大。K438+320斷面填筑高度達10 m，A、B料填筑完成后，地基最大水平位移為10.8 mm?？芍?，采用泡沫輕質(zhì)土進行路堤幫寬不會產(chǎn)生較大的土體深部水平位移。

4 結(jié)論

1）采用泡沫輕質(zhì)土幫寬可顯著減小既有線和幫寬路基的附加應(yīng)力、附加沉降、差異沉降和附加水平位移。在新老路堤搭接處產(chǎn)生59.7 kPa的附加應(yīng)力，比采用普通填料幫寬降低58.2%；新老路堤搭接處既有線路堤坡腳附加沉降41.9 mm，比普通填料幫寬時減少70.3%，最大差異沉降1.6‰；既有線路肩附加沉降24.6 mm，比普通填料幫寬減小66.4%；既有路基路肩水平位移向右偏8.0 mm，比普通填料幫寬減小64.1%；坡腳水平位移0.8 mm，不會對既有路堤的地基深層水平位移產(chǎn)生顯著影響。

2）根據(jù)肥東站泡沫輕質(zhì)土幫寬路堤工程的現(xiàn)場試驗，高度為6 m的泡沫輕質(zhì)土路堤澆筑后產(chǎn)生的沉降約5～7 mm，泡沫輕質(zhì)土以上2.5 m厚度基床填筑以后總沉降為16～19 mm，泡沫輕質(zhì)土能顯著減小地基沉降。

3）泡沫輕質(zhì)土施工簡便，拌和、發(fā)泡均在路基以外完成，采用現(xiàn)澆施工，施工速度快，對營業(yè)線路的影響小，是解決鄰近營業(yè)線高填幫寬路基的有效方案。