基于離心模型試驗的海南膠濟客運專線地基沉降特性研究

基于離心模型試驗的海南膠濟客運專線地基沉降特性研究

0變加速度加載法離心模型試驗模擬高速高產低地基層覆蓋層，充分反映了原型土壤結構的沉降特征，預測土壤侵蝕，更好地指導土壤工程。這一直是市政工程專家的目標。為更好地模擬現場路基施工,研究者研究了多種實現分層填筑的離心模型試驗方法,3種最具代表性的實現分層填筑的加載方法如下。停機加載法:停機,填筑路基,開機運行至設置加速度,然后再重復這個過程,其每層填筑均是在離心機停機狀態(tài)下進行。謝永利等通過停機加載法研究了軟基變形性狀;饒錫保等通過停機加載法研究分級填筑路堤地基變形。變加速度加載法:在停機狀態(tài)下完成路基模型填筑,之后開機并加速至設置加速度,運行至設定時間,然后再加速至另一設置加速度,期間不停機。章為民等通過變離心加速度加載法研究了土石壩分層填筑;丁金華等先填筑隔堤,通過離心機逐步加速模擬填筑速率,以恒定轉速模擬放置期,停機再填高攔淤堤,模擬軟基和吹填土加筋堤沉降特性;陳勝立等通過變加速度加載法研究了土工織物加筋墊層對防波堤和軟基的變形性狀影響;盧國勝等通過變加速度法研究攪拌樁處理軟土地基面和路基面的沉降特性;Wang等通過變加速度加載法實現路基分層填筑,模擬不同樁間距對濕陷性黃土地基沉降的影響。恒加速度加載法:離心機加速至設置加速度后保持不變,通過離心機內設置的加料裝置,實現分層填筑。Bassett等通過設定專門的加料斗且在離心機高速穩(wěn)定速度下實現了分級填筑堤岸,堤岸材料使用的是萊頓-布扎爾德砂;Davies等使用同樣的方法對分層填筑路堤穩(wěn)定性進行了研究;Sharma等成功實現在離心機運行下填筑路基,研究在軟基上加固路基的穩(wěn)定性;Allersma等通過電腦控制填筑裝置,在離心機旋轉時進行填筑土堤,并研究不同的填筑速率對變形的影響。既有的地基沉降研究多是采用其中一種試驗方法,且很少與現場填筑試驗的結果進行對比。由于恒加速度加載法受到國內現有離心試驗系統的限制,本文僅使用停機加載法和變加速度加載法研究海南東環(huán)客運專線(以下簡稱“海東線”)花崗巖全風化土地基和膠濟客運專線(以下簡稱“膠濟線”)非飽和粉質粘土與粉土地基的沉降特性,并與現場填筑試驗的結果進行對比,分析采用其預測中等壓縮性土地基沉降的精度。1地基土物理參數試驗對象為海東線DK67+620/630斷面花崗巖全風化土(屬飽和中等壓縮性土)未處理地基和膠濟線DK218+950斷面非飽和粉質粘土與粉土(屬非飽和中等壓縮性土)未處理地基。DK67+620/630斷面路基填高為5.0m,頂寬為13.4m,坡度為1∶1.5;DK218+950斷面路基填高為7.5m,頂寬為13.7m,坡度為1∶1.5。地基土物理參數見表1。文中含量均為質量分數?？紤]到離心機模型箱尺寸限制,模擬路基為填高相同的單線標準路堤。海東線模型比尺n為60,膠濟線模型比尺n為80。模型尺寸及儀器埋設見圖1,尺寸單位為cm。1.1直流電機功率、水質采用西南交通大學TLJ-2型土工離心試驗機,最大容量為100gt,最大加速度為200g,有效半徑為2.7m,直流電機功率為185kW,模型箱尺寸為80.00cm×60.00cm×60.00cm。1.2路基固結和加速度取現場土曬干,碾碎,過篩,按原型土層密度和含水量配置地基重塑土,分層壓實制作地基模型,使其在設計加速度(海東線60g,膠濟線80g)下運行20min,以模擬原型地基在地基自重應力下實現固結。按實際路基密度2.0g·cm-3分層壓實路基。在停機加載法中分4級完成路基模型填筑,在每級填筑完成后,離心機啟動并運行至設計加速度(海東線60g,膠濟線80g)。在變加速度加載法中一次性完成路基模型填筑,海東線加速度分別為15g、30g、45g、60g,膠濟線加速度分別為20g、40g、60g、80g。變加速度加載法模型制作見圖2。2加載及加載過程對總沉降的影響圖3為海東線與膠濟線試驗斷面離心模型試驗模擬路基填筑過程所得的荷載、地基沉降與時間關系。由圖3可知,采用停機加載法和變加速度加載法產生的地基沉降具有相似的沉降特性:路基填筑初期,加載期沉降大,恒載期沉降小,隨路基填筑高度的增加,加載期產生的沉降呈減小趨勢;另一方面,停機加載法產生的地基沉降比變加速度加載法大1倍左右。為進一步比較2種離心模型試驗方法,單獨分析每級路基荷載下產生的地基面總沉降及發(fā)生在加載期的沉降,可得每級荷載下加載期沉降占總沉降的比例隨路基加載過程的變化關系(圖4)及每級荷載下產生的地基面總沉降隨路基加載過程的變化關系(圖5)。由圖4可知,每級荷載下加載期沉降占對應總沉降比例隨路基加載過程減小,至第4級加載后其所占比例均小于50%,從而可得隨路基填筑過程的進行,沉降由以加載期產生的瞬時沉降為主逐漸變成以恒載期產生的固結沉降為主。由圖5可知,在同級荷載下,停機加載法的地基面沉降比變加速度加載法的大,且在路基填筑初期,二者沉降差值最大,隨著路基填筑高度的增大,二者差值逐漸減小。每級恒載期地基應力見表2。由表2可知:每級加載下,停機加載法的地基同一深度的地基總應力比變加速度加載法大,且路基填筑初期總應力差值最大;隨著路基填筑高度的增加,二者之間的地基總應力差值逐漸縮小,并最終趨于0;自重應力表現出同樣的性質,而附加應力差值則是先增大后減小,且二者差值較小。由此可知地基自重應力差異是停機加載法和變加速度加載法沉降相差較大的主要原因。在表2中,總應力為恒載期的實測值,自重應力為計算值,計算式為σ=ρω2rhσ=ρω2rh式中:ρ為地基土密度;ω為角速度;r為離轉軸中心的距離;h為離地基面深度。3沉降擬合結果及現場填筑試驗結果根據分析結果,可將影響離心模型試驗方法預測原型地基沉降特性的主要因素歸納為:地基自重應力、路基填筑方式與速率等。只有當離心加速度達到ng時,模型中地基自重應力才與原型地基自重應力狀態(tài)相同,而在停機加載法加速階段、變加速度加載法加速階段和到達ng前的恒速階段均與原型地基自重應力狀態(tài)不同。對于停機加載法,由于卸載、再加載過程而存在路基反復填筑問題,對于變加速度加載法,由于一次性完成路基模型填筑而存在路基寬高比為常數的問題。在離心機加速過程中模型地基自重應力不斷變化,而在路基填筑過程中原型地基自重應力不變,雖然可通過增大加載速率來減小這種差異所引起的誤差,但加載速率過快會導致地基產生過大的剪切變形。為減小離心模型試驗加載方式上存在的部分缺陷對預測地基沉降的影響,本文采用以下數據整理方法:在停機加載法中刪除每級卸載與重復加載過程,并扣除其對應的地基回彈量與沉降量,之后所得的地基沉降再乘模型比尺n,在變加速度加載法中路基填筑各階段地基沉降均乘模型比尺n。圖6為進行數據處理后的荷載、沉降與時間關系。由圖6可知:應用停機加載法和變加速度加載法產生的地基沉降特性相似,且與數據處理前沉降特性相同。在圖6的基礎上扣除發(fā)生在加載期的沉降,得圖7。用雙曲線擬合圖6、7的沉降數據,擬合式為St=S0+(Sf-S0)(t-t0)/[b+(t-t0)]式中:S0為初始沉降;t0為初始時間;St為t時刻的沉降;Sf為最終沉降;b為擬合參數。擬合曲線與沉降數據相關性好,判定系數R2大于0.98,擬合結果及現場填筑試驗結果見表3。由表3可知,填筑期完成的沉降占總沉降比例為:在未扣除加載期沉降時,海東線DK67+620/630(停機加載法/變加速度加載法)地基各深度處沉降幾乎相等,其平均比值為88%;膠濟線DK218+950(停機加載法和變加速度加載法)沉降幾乎相等,其平均比值也為88%;現場填筑試驗地基各深度處沉降幾乎相等,海東線DK67+620與630斷面平均比值為94%,膠濟線DK218+950平均比值為93%。由此可知,采用停機加載法和變加速度加載法路基填筑期完成的沉降占總沉降比例相同,均為88%,且與現場填筑試驗的92%~95%接近。而扣除加載期沉降后,填筑期完成的沉降占總沉降比例明顯減小,且各深度沉降有差異。采用變加速度加載法所得的地基各深度處沉降均比停機加載法小,而比現場填筑試驗大;采用停機加載法地基各深度處沉降修正系數比采用變加速度加載法的小,且沉降修正系數隨地基深度增大而減小。由表4可知,海東線DK67+620斷面(停機加載法)地基表層0~6.0、0~10.5m處壓縮量占總沉降的比例與DK67+630斷面(變加速度加載法)地基表層0~6.0、0~13.0m處接近,但均小于50%;膠濟線DK218+950斷面(變加速度加載法)地基表層0~6.4、0~11.0m處壓縮量占總沉降的比例小于50%,而現場填筑試驗相應深度壓縮量占總沉降的比例卻接近或大于50%,由此可知現場填筑試驗主要沉降是由地基表層0~13.0m產生的,而離心模型試驗卻不是。未扣除加載期沉降的地基單位厚度壓縮量具有以下特征:海東線采用變加速度加載法比停機加載法小,但比現場填筑試驗大,膠濟線采用變加速度加載法地基表層0~6.4m處比現場填筑試驗小,而6.4~11.0m處與現場填筑試驗接近;隨著地基深度的進一步增大,離心模型試驗值增大,而現場填筑試驗值減小。扣除加載期沉降的地基單位厚度壓縮量表現為:海東線地基表層0~6.0m處的值比現場填筑試驗的值小,而6.0~10.5、6.0~13.0m處的值與現場填筑試驗的值接近;膠濟線0~6.4、6.4~11.0m處均比現場填筑試驗小;但隨地基深度的增大,離心模型試驗的值增大,而現場填筑試驗的值減小。由以上分析可知,采用停機加載法和變加速度加載法所產生的沉降與現場填筑試驗既有相似之處,也存在較大的差異。其主要差異表現在以下兩方面:一是沉降值上的差異,即2種離心模型試驗方法產生的地基各深度處沉降均比現場填筑試驗的大;二是沉降特性差異,現場填筑試驗的地基表層0~6.0、0~6.4、0~10.5、0~11.0、0~13.0m處產生的沉降較大,而離心模型試驗相應深度沉降卻較小?，F場填筑試驗地基單位厚度壓縮量隨地基深度增大而減小,而離心模型試驗0~13.0m處地基深度范圍內地基單位厚度壓縮量隨地基深度增大而增大。然而,停機加載法和變加速度加載法產生的地基沉降具有相同的特性,只是停機加載法產生的沉降更大些,且主要發(fā)生在加載期。綜合以上的分析可知,一方面,停機加載法和變加速度加載法產生的地基沉降特性與現場填筑試驗存在較大差異,很難精確預測花崗巖全風化土地基及非飽和粉質粘土、粉土地基那樣的中等壓縮性土地基沉降,所以對于具有高沉降控制標準的高速鐵路及無砟軌道鐵路,使用離心模型試驗的沉降結果來預測實際地基的沉降是不可行的;另一方面,這2種離心模型試驗方法本身產生的地基沉降特性是相似的,其作為一種定性分析方法有一定的應用價值。4采用多種方法對土地沉降特性的影響(1)采用停機加載法和變加速度加載法與現場填筑試驗得到的沉降特性存在較大差異,地基各深度處沉降均比現場填筑試驗的大,且隨著地基深度增大,沉降修正系數減小,沉降差異增大;現場填筑試驗地基6.0m范圍內產生的沉降量占地基