黃土地區(qū)鐵路近接路基變形分析及監(jiān)測研究

趙文輝，韓 峰，王瑞琦，劉澤興，王定順

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

隨著中國鐵路網(wǎng)的進一步完善,新建鐵路不可避免地要接軌既有鐵路,形成近接路基段[1]。隨著運營速度的提高,列車對上部軌道結(jié)構(gòu)TQI參數(shù)變化更敏感和對軌下結(jié)構(gòu)要求更高[2-3],如何保證近接路段列車的舒適性和安全性,控制軌下結(jié)構(gòu)的變形是近接工程面臨的技術(shù)難題[1]。

當(dāng)黃土地區(qū)修筑近接路基工程時,對于既有路基結(jié)構(gòu)在填筑階段和服役階段已發(fā)生一定的工后沉降,且強度降現(xiàn)象對沉降控制意義重大[4-7],結(jié)合工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn),明確其理論分析模型和工后沉降要求值是新建路基結(jié)構(gòu)形式選取的基礎(chǔ)和前提,近接路基工程斷面見圖1。黃土作為一種特殊土,土體結(jié)構(gòu)在附加應(yīng)力或水分增加的作用下容易產(chǎn)生顯著的附加變形[8],且缺少黃土地區(qū)近接路基相關(guān)研究。在近接路段復(fù)合地基選擇時,高壓旋噴樁既滿足施工機械凈空要求低、工藝簡單、施工周期短等特點,又可達到加固地基的目的。文獻[9-10]分別結(jié)合不同臨近工程研究了高壓旋噴樁施工對既有結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)高壓旋噴樁施工過程中主要以側(cè)向荷載的形式對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。結(jié)合TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[11]和文獻[12-14],為保證新建-既有路基的協(xié)同作用,沿既有路基邊坡位置進行臺階開挖,并于臺階位置布置土工格柵。

黃土地區(qū)鐵路工程領(lǐng)域關(guān)于此類問題的研究較少,結(jié)構(gòu)形式不明確。本文以黃土地區(qū)鐵路近接路基實際工程為背景,結(jié)合靜荷載和循環(huán)荷載下修正的Burgers模型,基于各階段監(jiān)測數(shù)據(jù),分析既有路基填筑階段和服役階段沉降變化規(guī)律,研究新建旋噴樁復(fù)合地基施工和路基填筑對既有路基的影響,揭示近接路基結(jié)構(gòu)新建-既有路基變形響應(yīng)規(guī)律。

1 近接工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

監(jiān)測工點地層巖性主要為砂質(zhì)黃土、粗砂、礫砂和下伏泥巖夾砂巖。結(jié)合地勘資料,各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1,工程地質(zhì)特征如下:

1.2 近接段路基工況及監(jiān)測斷面

近接段路基段位于蘭州市永登縣樹坪鎮(zhèn),結(jié)合既有路基施工和運營資料,復(fù)合地基采用雙動力水泥土攪拌樁進行處理,樁徑50 cm,樁長13 m,樁間距1.3 m,設(shè)計時復(fù)合地基設(shè)計承載力要求不小于150 kPa,樁頂設(shè)置為0.5 m的開級配碎石墊層,墊層中間位置鋪設(shè)一層雙向土工格柵?；脖韺?、基床底層和基床以下路堤分別采用級配碎石(0.6 m)、摻4%水泥改良土(1.9 m)和滲水土分層填筑,開挖臺階位置布設(shè)不小于3 m的雙向土工格柵。

新建路基地基采用高壓旋噴樁復(fù)合地基,樁徑50 cm,樁長13 m,樁間距1.4 m,樁平面采用正方形布置,復(fù)合地基承載力不小于155 kPa;坡腳外側(cè)2 m設(shè)置應(yīng)力釋放孔,樁徑0.5 m,縱向間距1.2 m,機械掏孔后孔內(nèi)填碎石,孔口三七灰土封閉。基床表層、基床底層和浸水防護高程以下分別采用0.6 m級配碎石+0.1 m中粗砂+復(fù)合土工膜+0.1 m中粗砂、B組非凍脹滲水填料(0.8 m,滲透系數(shù)>5×10-5m/s)和滲水土(同基床底層)。

對于既有路基與新建路基分別采用沉降板(既有線路中心與路基坡腳位置)和沉降觀測標(biāo)監(jiān)測(線路中心與路肩位置),同時新建路基施工前既有路基道砟坡腳位置縱向設(shè)置物位計,見圖2。

圖2 典型斷面圖(單位:m)

2 理論分析模型

鐵路路堤結(jié)構(gòu)填筑完成后需不小于6個月的靜置期,保證工后沉降要求,該階段上部荷載僅為上部路堤結(jié)構(gòu)自重。上部軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)完成通車后,增加了上部軌道結(jié)構(gòu)靜荷載和上部列車動荷載。結(jié)合文獻[15]可知,路堤結(jié)構(gòu)層豎向動應(yīng)力值隨時間的變化接近正弦荷載,同時動應(yīng)力衰減系數(shù)至基床底層底部位置已低于0.1,列車動荷載引起的路基累積沉降主要發(fā)生在基床部分[16]。

路基結(jié)構(gòu)填料在各階段受到的蠕變應(yīng)力小于屈服應(yīng)力,其流變可采用黏彈性流變分析,實測數(shù)據(jù)表明路基在靜載或靜動載復(fù)合作用下流變呈現(xiàn)出加速、等速和減速的變形規(guī)律,見圖3。

圖3 荷載作用下路基填料層動態(tài)變形規(guī)律

Burgers模型具有應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡單、參數(shù)概念明確、應(yīng)用方便等優(yōu)點,但精度不一定高。Burgers模型見圖4。

圖4 Burgers模型

文獻[17]采用其預(yù)測靜載作用下路基長期沉降,Burgers模型適合描述應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時的變形規(guī)律,變形為時間近似線性函數(shù),但當(dāng)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時,變形在初期階段加速和等速發(fā)展后逐步趨于穩(wěn)定[18]?；贐urgers模型,非線性修正Maxwell模型黏性元件,將粘壺單元擴展為廣義粘壺,其黏度ηM(t)=AeBt,A、B為粘壺的黏度系數(shù)[19]。

2.1 靜荷載下力學(xué)模型

由于路基結(jié)構(gòu)層在服役過程中,累積沉降較小,在基于Burgers模型的土體蠕變方程進行求解時,假定應(yīng)力作用下,土體體積變形受力瞬間完成,不隨時間的延續(xù)而變化,同時泊松比保持不變。對于Maxwell模型,其本構(gòu)方程為

(1)

式中:eij為偏應(yīng)變;Sij為偏應(yīng)力;GM為Maxwell模型剪切模量;ηM為Maxwell模型黏滯系數(shù)。

將豎向偏應(yīng)力S11=2(σ1-σ3)/3代入式(1)并對t進行積分,并代入初始條件t=0,e11=(σ1-σ3)/(3GM)時,可得

(2)

對于Kelvin模型,其本構(gòu)方程為

(3)

式中:GK為Kelvin模型剪切模量;ηk為Kelvin模型黏滯系數(shù)。

將豎向偏應(yīng)力代入式(3)并對t進行積分,并代入初始條件t=0,e11=0時,可得

(4)

式中:K為體積模量。

結(jié)合式(2)和式(4),得到靜力荷載作用下,其永久變形為

(5)

2.2 循環(huán)荷載下力學(xué)模型

在列車循環(huán)動荷載作用下,路基的永久變形由兩部分構(gòu)成:殘余黏彈性變形和黏性流動變形。求解時,可將修正的Burgers模型分為Kelvin-Viogt模型和修正過的粘壺。對于Kelvin-Viogt模型,蠕變量J(t)為

(6)

第i個至第N個循環(huán)荷載作用,殘余黏彈性變形εkvi為

(7)

將式(6)代入式(7),積分可得N次循環(huán)荷載作用下(t=NT),殘余黏彈性變形εkvN為

(8)

式中:σd為附加動應(yīng)力。

對于修正的粘壺,第i個循環(huán)荷載產(chǎn)生的永久變形εMi為

(9)

對式(9)積分,可得N個循環(huán)荷載作用,永久變形εMN為

(10)

綜上所述,N個循環(huán)荷載作用下,路基的永久變形ε為

(11)

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 既有路基填筑階段沉降觀測結(jié)果分析

圖5為既有線中心沉降板與沉降標(biāo)沉降-填筑-時間關(guān)系曲線。由圖5可知,對于既有線中心位置,2014年7月13日路基開始填筑,至2014年9月8日填筑至3.83 m,由于施工原因,路基本體填筑停滯3.27個月,而后填筑至設(shè)計標(biāo)高4.26 m,經(jīng)歷6個月靜置期,最后進行道砟及軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè),至2015年7月15日鋪軌完成,沉降量達77.541 mm,結(jié)合指數(shù)預(yù)測模型,預(yù)測總沉降量為79.060 mm,預(yù)測工后沉降量為1.519 mm;沉降標(biāo)沉降值均隨著時間的增長呈增大現(xiàn)象,且前期增長速率快,后期增長速率低,在2015年4月至6月道砟、軌道鋪設(shè)階段出現(xiàn)沉降快速增長,分析原因主要為冬雪融化、春季降雨及上部附加荷載造成路堤本體產(chǎn)生非常態(tài)永久變形[19];對于線路中心(J2)和路肩位置(J1、J3)沉降,J1和J3沉降相當(dāng),J2略大于J1和J3,路基橫斷面沉降呈現(xiàn)中心大、兩側(cè)小的規(guī)律。

圖5 既有線中心沉降板與沉降標(biāo)沉降-填筑-時間關(guān)系曲線

對于路基本體,當(dāng)填筑完成后,路基結(jié)構(gòu)承受填料和上部軌道結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用,結(jié)合TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[20]可得上部軌道結(jié)構(gòu)自重荷載和線間荷載可簡化為矩形荷載p,其產(chǎn)生的附加應(yīng)力σz可基于角點法計算,即

(12)

式中:m、n均為關(guān)于距離、豎向深度的參數(shù)。

疊加路基填料自重,可得到路基結(jié)構(gòu)各層位的豎向應(yīng)力。表2為路基變形預(yù)測模型參數(shù),對于J2沉降表沉降-時間關(guān)系曲線,采用式(5)擬合可得到A=49 300 GPa,B=3.366×10-8s-1,相關(guān)系數(shù)為0.894,擬合度較高。

表2 路基變形預(yù)測模型參數(shù)

3.2 既有路基服役階段沉降觀測結(jié)果分析

結(jié)合研究資料[21-22],基床表層頂面動應(yīng)力幅值σmax為

σmax=2.6P0×(1+αV)

(13)

式中:P0為機車車輛的靜軸重,t;α為速度系數(shù),本文取為0.003;V為車輛運行速度。

線路運行列車以CRH2、CRH5型動車組為主,平均靜軸重為12.7 t,平均運行速度為160 km/h,計算可得基床表層頂面動應(yīng)力幅值為48.9 kPa。路基動應(yīng)力傳遞系數(shù)沿深度的變化規(guī)律見表3[5]。

表3 路基動應(yīng)力傳遞系數(shù)

結(jié)合文獻[15]可知,在考慮列車荷載作用下進行永久變形計算時,對于基床表層,計算可得T1為0.056 25 s,基床底層和基床以下路堤部分計算可得T2為0.562 5 s,對于作用次數(shù)N,基床表層N1為基床底層和基床以下路堤部分N2的4倍。結(jié)合既有線路列車運行圖,得到各測試時間內(nèi)動車組列車對數(shù)及編組數(shù)。圖6為沉降標(biāo)沉降-運營時間關(guān)系曲線,結(jié)合式(11),疊加不同測試時間內(nèi)路基頂面以下3 m深度范圍內(nèi)沉降,擬合J2位置沉降可知,三位置沉降均隨著運營時間的增加而增加,且前期增長速度較快,后期較慢;J2位置沉降較J1和J3位置較大,且運營約2.5年時,J2位置沉降基本穩(wěn)定,穩(wěn)定沉降值為1.257 mm;由于監(jiān)測點凍土深度可達1.46 m,且J1和J3路肩位置監(jiān)測點基礎(chǔ)處于松弛區(qū)而非受力區(qū),受自然應(yīng)力影響較大,與J2位置相比,J1和J3位置沉降穩(wěn)定時時間較長,且隨著外界環(huán)境變化出現(xiàn)一定的波動現(xiàn)象;采用式(11)擬合J2位置沉降,黏度系數(shù)A=5.18×108GPa,黏度系數(shù)B=1.05×10-4s-1,相關(guān)系數(shù)為0.996,擬合度較高。

圖6 沉降標(biāo)沉降-運營時間關(guān)系曲線

3.3 近接路基施工階段沉降觀測結(jié)果分析

近接路基各階段施工主要包括應(yīng)力釋放孔施工、高壓旋噴樁復(fù)合地基施工、褥墊層施工和路堤本體分層填筑,其中,高壓旋噴樁施工時,結(jié)合高壓噴射注漿試驗,注漿壓力為25 MPa,提升速度約為0.2 m/min,施工順序見圖7,高壓旋噴樁采用跳樁法相對既有線由近及遠(yuǎn)施工,即先順序施工1→3→5排樁,等樁體強度不低于設(shè)計要求的50%后,施工2→4→6排樁。

圖7 高壓旋噴樁復(fù)合地基施工順序

基于高壓旋噴樁施工工法對土體破壞的噴射動壓和動量定律,結(jié)合文獻[23-24]提出的噴射壓力衰減經(jīng)驗公式為

(14)

式中:k、n為注漿工藝相關(guān)系數(shù);m為擬合系數(shù);d0為注漿設(shè)備噴嘴直徑,m,本文取0.001 8 m;p0為出口壓力值,kPa;x為噴嘴距中心軸位置長度,m。

經(jīng)計算可得,樁周壓力為220 kPa。圖8為道砟坡腳隆起量隨各排高壓旋噴樁施工時間關(guān)系曲線,其中,單排樁施工時間為2020年10月8日,雙排樁施工時間為2020年11月25日。由圖8分析可知,分析斷面道砟坡腳位置隆起量隨各排高壓旋噴樁施工均呈現(xiàn)先增加后波動性減小的現(xiàn)象,各排樁中臨近既有線最近的旋噴樁施工對既有線影響最大,P1～P6排樁施工時,監(jiān)測點附加最大隆起量分別為0.704、0.702、1.472、1.317、0.853、0.600 mm,說明近接段旋噴樁施工對既有線監(jiān)測點的影響與距離成反比;對于各排樁施工時,當(dāng)施工至距離頂面1/3～2/3位置時,對既有線影響最大;對于單排樁和雙排樁,距離監(jiān)測點相同距離時,單排樁施工對既有線造成隆起量相對較大,且施工完成后,單排樁施工完成后隆起量衰減速度較快,分析原因主要是雙排樁施工時,單排樁已具有較高的強度,當(dāng)施工時造成監(jiān)測點隆起和施工完成隆起量下降時均起到限制作用;對于該分析斷面,旋噴樁施工引起的最大隆起量為2.307 mm,滿足既有線變形量控制值,說明設(shè)置應(yīng)力釋放孔和跳樁法施工,可減弱旋噴樁復(fù)合地基施工對既有線的影響。

圖8 道砟坡腳隆起量隨各排高壓旋噴樁施工時間關(guān)系曲線

近接路基路堤施工階段主要分為墊層施工階段和路堤本體填筑施工階段。圖9為既有與新建線路基沉降-填筑-時間關(guān)系曲線,分析可知,對于既有路基,墊層施工開始時,物位計沉降值為-1.531 mm,沉降標(biāo)J1、J2和J3沉降值分別為-1.155、0.001、0.224 mm,對于物位計和沉降標(biāo)變形是既有路基軌道結(jié)構(gòu)自重、列車動荷載、旋噴樁復(fù)合地基等復(fù)合作用的結(jié)果,其中,對于物位計和沉降標(biāo)J1位置,旋噴樁復(fù)合地基施工影響占主導(dǎo)作用,對于沉降標(biāo)J2位置,旋噴樁復(fù)合地基施工和列車動荷載影響相當(dāng),對于沉降標(biāo)J3位置,各因素影響均較小;結(jié)合不同填筑高度時附加沉降與距離幫寬側(cè)路肩長度關(guān)系曲線見圖10,隨著墊層及路堤本體填筑高度的增加,物位計和沉降標(biāo)J1、J2和J3附加沉降值均逐漸增加,且均隨著填筑高度增加和距離幫寬側(cè)路肩長度減小呈現(xiàn)非線性增加,主要原因是其隨著新建路基填筑層填筑高度逐層增加。如圖11所示,假定各層位為均布荷載,其對既有路基影響范圍逐層增大,且對既有路基物位計和沉降標(biāo)的影響幅值逐漸增加。

圖9 既有與新建路基沉降-填筑-時間關(guān)系曲線

圖10 不同填筑高度時附加沉降與距離幫寬側(cè)路肩長度關(guān)系曲線

圖11 各層位均布荷載對既有路基附加應(yīng)力等值線示意

至2021年11月1日,沉降標(biāo)J1、J2和J3附加沉降值分別為15.248、4.019、0.516 mm,沉降值分別為14.093、4.020、0.730 mm,均滿足工后沉降值要求(≤5 cm)。在新建路基逐層填筑過程中,物位計位置附加黏性變形亦逐漸增加;新建路基沉降板沉降隨著填筑高度的增加而增加,結(jié)合文獻[25-28],由于作用至監(jiān)測位置新建路基荷載、下部新建線與既有線復(fù)合地基剛度差異性及上部荷載作用下既有線復(fù)合地基對新建線復(fù)合地基起到側(cè)向限制作用,綜合作用下在監(jiān)測點位置附近出現(xiàn)最大的沉降變形,同時為避免新建-既有路基差異沉降,在新建路基填筑時嚴(yán)格控制其壓實度,至2021年11月3日沉降變形為19.041 mm。新建路基本體沉降尚未開展監(jiān)測,但后期可結(jié)合靜動荷載力學(xué)模型下修正的Burgers模型,確定各階段新建路基工后沉降值和穩(wěn)定時間,為近接段施工和運行提供技術(shù)支撐。

綜合分析可知,結(jié)合各階段觀測結(jié)果及機理分析,對于該工點黃土地區(qū)近接既有路基工后沉降(≤5 cm)要求,既有路基填筑和服役階段沉降由于結(jié)構(gòu)自重、列車荷載和自然營力的復(fù)合作用呈現(xiàn)受力區(qū)大,松弛區(qū)小的規(guī)律。新建線復(fù)合地基施工和路堤施工引起既有線變形明顯大于既有路基填筑和服役階段沉降,但隨著填筑高度增加和距離幫寬側(cè)路肩長度減小呈現(xiàn)非線性增加現(xiàn)象,對于該工點各監(jiān)測點各階段沉降值均滿足工后沉降要求。

4 結(jié)論

以黃土地區(qū)鐵路近接路基實際工程為背景,結(jié)合靜荷載和循環(huán)荷載下力學(xué)模型,基于各階段監(jiān)測數(shù)據(jù),分析既有路基填筑階段和服役階段沉降變化規(guī)律,研究近接路基施工階段新建-既有路基變形響應(yīng)規(guī)律,得到以下主要結(jié)論:

(1)既有線填筑階段,沉降標(biāo)沉降值均隨著時間的增長呈增大現(xiàn)象,且前期增長速率快,后期增長速率低,伴隨局部的非常態(tài)永久變形;沉降沿路基橫斷面呈中心大、兩側(cè)小的現(xiàn)象;對于中心位置,沉降可采用非線性修正Maxwell模型黏性元件的Burgers模型擬合,相關(guān)系數(shù)為0.894,擬合度較高。

(2)既有線運營階段,沉降標(biāo)沉降均隨著運營時間的增加而增加,且前期增長速度較快,后期較慢;中心位置沉降較大,且運營約2.5年時,沉降基本穩(wěn)定。疊加不同測試時間內(nèi)路基面以下3 m深度范圍內(nèi)沉降,采用循環(huán)荷載下力學(xué)模型擬合中心位置沉降,相關(guān)系數(shù)為0.996,擬合度較高。

(3)分析斷面道砟坡腳位置隆起量隨各排高壓旋噴樁施工均呈現(xiàn)先增加后波動性減小的現(xiàn)象,旋噴樁施工引起的最大隆起量為2.307 mm,滿足既有線變形量控制值;對于各排樁施工時,當(dāng)施工至距離頂面1/3～2/3位置時,對既有線影響最大;距離監(jiān)測點相同距離時,單排樁施工對既有線造成隆起量相對較大,且施工完成后,單排樁施工完成后隆起量衰減速度較快。

(4)隨著墊層及路堤本體填筑高度的增加,物位計和沉降標(biāo)J1、J2和J3附加沉降值均隨著填筑高度增加和距離幫寬側(cè)路肩長度減小呈現(xiàn)非線性增加,附加沉降值分別為15.248、12.049、4.019、0.516 mm,均滿足工后沉降值不大于5 cm的要求。