京滬高速鐵路中厚層軟土地基沉降分析

京滬高速鐵路中厚層軟土地基沉降分析

在填充過程中（在鋪設(shè)軌道之前），車輪沉降為建設(shè)沉降，這不是控制部分，但可以通過填充和抬起來解決?？ㄝ伣ǔ珊螅囕喅两祪H為工人沉降，其調(diào)整只能通過調(diào)整車道來調(diào)整。因此，工人沉降直接關(guān)系到高速鐵路的運(yùn)營(yíng)能力、維護(hù)模式和成本。因此，《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行條例》（以下簡(jiǎn)稱“短期規(guī)則”）對(duì)車輪沉降提出了嚴(yán)格的要求。結(jié)果表明，沉降后沉降不應(yīng)超過10cm，沉降速度應(yīng)小于3cm抗應(yīng)力指數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)。軟土路基工后沉降問題的解決相當(dāng)復(fù)雜,同時(shí)也是高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)之一.對(duì)這一問題僅靠理論計(jì)算來解決是非常困難的.常規(guī)的模型試驗(yàn)或土工離心模擬試驗(yàn)只能從定性的角度解決一些問題,要準(zhǔn)確量化仍是非常困難的;而原位試驗(yàn)雖然代價(jià)大周期長(zhǎng),但一些重大的技術(shù)問題仍需要原位試驗(yàn)來研究解決.1分析軟硬土壤工藝后沉降的組成軟土路基工后沉降由施工完成后填土壓密下沉、運(yùn)營(yíng)階段行車引起的基床累積下沉和輔軌后軟土地基仍未完成的沉降組成.1.1填土壓密工后沉降量的變化輔軌后,由散體材料填筑而成的路基本體產(chǎn)生一定的壓密下沉是正常的;但如果下沉量過大,說明填土的壓實(shí)密度不足,容易形成不均勻變形.因此,目前各國(guó)關(guān)于路基填土的壓密下沉控制通常都是通過控制壓實(shí)密度予以保證的.日本對(duì)填土的壓實(shí)質(zhì)量采用K30值作指標(biāo),規(guī)定了K30的控制標(biāo)準(zhǔn).另外,對(duì)于填土壓密工后沉降量,德國(guó)和日本采用了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式估算,即S=h23000(1)S=h23000(1)式中:S為路堤壓密工后沉降量,m;h為路堤高度,m.按此估算,高為4.5m的路堤壓密下沉引起的工后沉降約0.7cm.根據(jù)《暫規(guī)》,當(dāng)路堤以粗粒土、碎石類土填筑時(shí),其工后沉降量可按路堤高度的0.1%～0.3%計(jì).由此計(jì)算得到的高為4.5m的路堤壓密下沉引起的工后沉降為0.45～1.35cm,與德國(guó)、日本采用的經(jīng)驗(yàn)公式估算值相當(dāng).1.2日本基床表層下沉規(guī)律的研究這部分下沉是由列車通過道床傳遞到路基面的動(dòng)荷載引起的.為預(yù)測(cè)行車引起的基床累積下沉,各國(guó)都十分重視下沉規(guī)律的研究.根據(jù)日本的資料,當(dāng)基床表層的K30≥150MPa·m-1,底層的K30≥70～110MPa·m-1,荷載作用次數(shù)為150萬次(相當(dāng)于日本主要干線1年的作用次數(shù))時(shí),累積下沉量?jī)H為1～2.5mm,且經(jīng)過1年時(shí)間行車后便能趨于穩(wěn)定而不會(huì)再發(fā)展.1.3填料的最適比例我國(guó)根據(jù)《暫規(guī)》的要求,為保證填土具有足夠的強(qiáng)度和控制路基的工后沉降,在基床表層設(shè)級(jí)配碎石,厚0.7m,要求K30≥190MPa·m-1;基床底層厚2.3m,根據(jù)填料不同,要求K30≥110～150MPa·m-1;基床以下路堤K30≥90～130MPa·m-1.標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外的要求基本相同.根據(jù)前面資料分析可知,高為4.5m的路堤由路基填土壓密下沉和行車引起的路基工后沉降約1cm,僅占《暫規(guī)》工后沉降要求10cm的10%左右.因此,對(duì)于路堤高度4.5m的軟土路堤,由地基所引起的路基工后沉降不應(yīng)大于9cm,即占《暫規(guī)》要求的90%左右.軟土地基的處理及填土速率決定了其路基工后沉降能否滿足要求.2試驗(yàn)計(jì)劃2.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)基地土對(duì)于《暫規(guī)》要求的工后沉降量,當(dāng)軟土層厚時(shí),采用常規(guī)路堤是無法實(shí)現(xiàn)的,可以采用高架橋.那么,對(duì)于10m左右中等厚度的軟土地基,是否可以通過地基處理方法達(dá)到《暫規(guī)》的目標(biāo)呢?為此,需要選擇合適的場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn).就我國(guó)擬建的京滬高速鐵路而言,軟土地基上路堤的高度多在3～5m之間.本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)路堤高度4.5m,路基面寬度按軟土地區(qū)雙線路堤標(biāo)準(zhǔn)定為13.8m;長(zhǎng)度為65m,其中35m為改良土,30m為夯填土.試驗(yàn)點(diǎn)地基土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1.主要軟土層為第4層淤泥質(zhì)粘土,厚9.9m;地基處理設(shè)計(jì)采用插塑料排水板,按正三角形布置,間距1.2m,深15.0m;基底設(shè)厚0.6m中粗砂墊層,鋪設(shè)2層土工格柵.2.2分層沉降孔的布置為研究路堤施工期間和堆載預(yù)壓期間軟土地基的沉降歷時(shí)規(guī)律,評(píng)價(jià)塑料排水板處理軟基效果,對(duì)軟土地基沉降、土體的側(cè)向位移和孔壓的消散等項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了觀測(cè).在路基中心線各布置分層沉降孔CJ1和CJ2兩孔,孔隙水壓力觀測(cè)孔KY1和KY2兩孔;在坡腳布置分層沉降孔CJ3和孔隙水壓力觀測(cè)孔KY3各一孔,測(cè)斜孔CX1和CX2兩孔.分層沉降孔、孔隙水壓力觀測(cè)孔深35m,測(cè)斜孔深40m.另在地基面布置沉降板DB1～DB10.測(cè)點(diǎn)平面布置見圖1.限于篇幅,本文僅對(duì)路基的沉降加以分析.3基床表層板的施工路基試驗(yàn)點(diǎn)從2000年5月18日開始施工,于2000年7月29日完成雜填土及塑料排水板的施工.2000年7月30日～2001年5月23日進(jìn)行砂墊層及路堤本體填筑,2001年5月23日～2001年6月23日為預(yù)壓土施工期,2001年6月23日～2002年5月18日為堆載預(yù)壓期,2002年5月18日～2002年5月27日進(jìn)行基床表層施工.3.1地表徑流場(chǎng)及壓縮層范圍改良土和夯填土容重20.0kN·m-3,兩者在路基中心地基面的沉降規(guī)律一致.其路基中心、坡腳的地基面及深層沉降與填土荷載、時(shí)間的關(guān)系見圖2和圖3.從測(cè)試結(jié)果可看出:①在填土高度等于2.0m,即在沉降曲線第一拐點(diǎn)前,地基沉降較小,僅15.0cm,每米填土沉降為7.5cm.當(dāng)填土高度大于2.0m后,地基沉降明顯增加,至2001年5月19日預(yù)壓土施工前,地基沉降為46.5cm,平均每填筑路基高度1.0m,沉降量增加17.5cm.至2002年4月17日預(yù)壓期結(jié)束時(shí),路基中心沉降59.9cm,坡腳沉降30.8cm.②從沉降曲線上看出,主要壓縮層范圍為16.0m.預(yù)壓期結(jié)束時(shí),地表下16.0m處沉降僅10.4cm,占總沉降量的17.4%.當(dāng)然,這與下臥層的土性有關(guān).本試驗(yàn)點(diǎn)15.0m以下的下臥層為粘質(zhì)粉土,壓縮模量達(dá)14.0MPa.③地表以下16.0m范圍內(nèi),預(yù)壓期結(jié)束時(shí)壓縮量為49.5cm,而5.0～16.0m之間的第4層淤泥質(zhì)粘土壓縮量為42.1cm,占總沉降量的70.3%,為主要的壓縮層.3.2工人后沉降率與下降率的分析3.2.1路基沉降預(yù)壓期確定根據(jù)實(shí)測(cè)資料,本次采用雙曲線方程估算,最終算得總沉降量為65.0cm.從地基面沉降曲線上可看出,2001年12月25日實(shí)測(cè)地基面沉降為55.4～57.8cm.路基按工后沉降控制10cm考慮,預(yù)壓期為6個(gè)月;如果再考慮路基填土壓密下沉和運(yùn)行期間由列車引起的基床累積下沉,最終沉降量按66.0～67.0cm考慮,則預(yù)壓期應(yīng)為8個(gè)月.軟土路基工后沉降控制涉及到許多因素,如軟土厚度及特性、地基處理方法、填土高度、填土速率及預(yù)壓時(shí)間等.在其他因素確定的情況下,控制施工填土速率及保證預(yù)壓時(shí)間成為能否控制軟土路基工后沉降的關(guān)鍵.3.2.2沉降速率的確定通過實(shí)測(cè)沉降曲線推算總沉降量、工后沉降量和預(yù)壓時(shí)間,作為衡量是否滿足設(shè)計(jì)要求的控制方法,理論上是合理的,實(shí)際操作也是可行的,故其是路堤預(yù)壓期動(dòng)態(tài)控制的基本方法.本試驗(yàn)點(diǎn)預(yù)壓期沉降速率見表2.根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可采用與預(yù)壓期中的t時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的沉降速率作為判斷路堤沉降是否穩(wěn)定的控制標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)預(yù)壓期8個(gè)月的沉降速率綜合分析,將沉降速率5～6mm·月-1作為路基穩(wěn)定的控制標(biāo)準(zhǔn)比較合適.從目前的沉降速率可看出,工后第1年沉降速率不會(huì)超過3.0cm·年-1.3.3固結(jié)度的計(jì)算地基的總沉降量S由3部分組成S=Sd+Sc+Ss(2)S=Sd+Sc+Ss(2)式中:Sd為瞬時(shí)沉降,系由剪切變形引起的附加沉降;Sc為主固結(jié)沉降,系由加載后土體內(nèi)孔隙水壓力消散引起的體積壓縮變形;Ss為次固結(jié)沉降,系主固結(jié)沉降完成后發(fā)生的沉降.大量的實(shí)踐表明,要想從理論上、試驗(yàn)中準(zhǔn)確地將各部分的沉降區(qū)分開來是非常困難的,如次固結(jié)沉降并非是在主固結(jié)沉降完成后才發(fā)生的,而是與主固結(jié)沉降同時(shí)發(fā)生的.此外,對(duì)Sd尚無成熟的計(jì)算分析方法.因此,實(shí)用上往往以主固結(jié)沉降為基礎(chǔ)推求總沉降量,即用分層總和法推求Sc,再乘以一個(gè)沉降修正系數(shù)ms,求出總沉降量.即S=msSc(3)S=msSc(3)本次采用分層總和法計(jì)算主固結(jié)沉降Sc為47.9m,其中塑料排水板加固區(qū)沉降41.6cm,下臥層沉降6.3cm,修正系數(shù)ms為1.36.為對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方法有個(gè)了解,本次試驗(yàn)研究采用公式(4)對(duì)塑料排水板(換算為砂井)進(jìn)行地基固結(jié)度的計(jì)算.砂井以下部分土層的平均固結(jié)度U—zU—z按太沙基固結(jié)理論計(jì)算,施工期多級(jí)等速加荷情況按改進(jìn)的高木俊介法修正,得到的計(jì)算結(jié)果見表3.砂井深度范圍內(nèi)地基的平均固結(jié)度U—rzU—rz為U—rz=1?αe?βt(4)U—rz=1-αe-βt(4)式中,α和β皆為排水固結(jié)參數(shù).從表3可看出:將理想井與考慮井阻和涂沫效應(yīng)的固結(jié)度分別計(jì)算,對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大,僅施工填筑期及預(yù)壓期6個(gè)月內(nèi),考慮井阻和涂沫效應(yīng)計(jì)算出的固結(jié)度比理想井的略小;預(yù)壓期6個(gè)月后,兩者計(jì)算的固結(jié)度相等.從預(yù)壓期6個(gè)月時(shí)的沉降來看,計(jì)算塑料排水板加固區(qū)和下臥層未完成的沉降量分別為0.4cm和2.1cm,共2.5cm,而實(shí)測(cè)結(jié)果是后期沉降有7.2～9.6cm.計(jì)算結(jié)果總沉降量和后期沉降量都明顯偏小.因此,軟土的沉降計(jì)算方法仍然有待進(jìn)一步研究.4地表徑流的沉降(1)經(jīng)1年時(shí)間的地基處理、施工填筑和10個(gè)月的堆載預(yù)壓期固結(jié)后,地基沉降56.8～59.1cm,估