武廣鐵路客運專線超載預壓路基沉降評估技術

樂 紅,余 飛,韓 卓,周 偉

(中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

1 概述

超載預壓法是處理土層的方法之一。超載作為臨時荷載,在持續(xù)作用一定時間滿足使用荷載下的工后沉降要求后,須卸荷到使用荷載水平,其效果可以從超載卸除后地基在建筑物荷載作用下的后續(xù)變形大小得到反映,后續(xù)變形小,則處理效果好[1～2]。由于鐵路客運專線無砟軌道鋪設對工后沉降提出了嚴格的要求,設計上多采用CFG樁、注漿、旋噴樁等措施對原軟土地基進行加固處理,然后再通過超載預壓來加速地基土層的壓縮變形,以減小工后沉降。另外,超載預壓路基的一個關鍵問題是卸載時機的確定,它直接影響了超載預壓的工程效果[3～4]。

高速鐵路超載預壓路基的沉降變形評估與一般路基在控制標準上是一樣的,均要滿足《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》的相關要求[5],但由于超載預壓路基經(jīng)歷了二次堆載、預壓和卸載的過程,基底沉降變形觀測曲線會隨著荷載的變化而出現(xiàn)轉折,其卸載時機的合理性和工程沉降的計算分析較常規(guī)路基要復雜得多。

本文以武廣鐵路客運專線堆載預壓路基沉降實測數(shù)據(jù)為基礎,總結分析超載預壓路基的沉降變形規(guī)律和特征,分別采用有效應力面積比法和基于實測數(shù)據(jù)回歸擬合的卸載控制方程,對超載預壓路基的卸載時機和沉降進行分析,探討與高速鐵路超載預壓路基沉降特征相適應的沉降評估技術。

2 典型超載預壓段的變形特征

實測數(shù)據(jù)表明,大多數(shù)超載預壓路基段的沉降變形發(fā)展過程基本相同。其典型斷面的沉降變形過程曲線如圖1所示。

圖1 DK1 671+426.46典型堆載預壓后卸載斷面的沉降變形過程曲線

從圖1中可以看出,路基從填筑到卸載可分為三個階段：

第一階段：為堆載階段,堆載后沉降變形明顯增長,沉降速率增大,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為下凹曲線。

第二階段：為預壓階段,此時停止加荷載,但沉降變形繼續(xù)增長,沉降速率變緩,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為上凸曲線。

第三階段：為卸載階段,卸載后沉降速率明顯減小,沉降變形趨于穩(wěn)定,且未出現(xiàn)明顯的回彈跡象,在沉降過程曲線上表現(xiàn)為一條平緩的曲線。

從以上變形規(guī)律可以看出,超載預壓路基的變形特征主要體現(xiàn)為：對于填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面,超載施加時,基底沉降變形發(fā)生突變,沉降過程曲線出現(xiàn)明顯的拐點；對于路基本體和超載連續(xù)填筑完成的觀測斷面,沉降過程曲線相對光滑,與常規(guī)路基無明顯的差異；卸載后,沉降變形速率明顯減小,沉降變形很快趨于穩(wěn)定；對于填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面,由超載引起的沉降增量與超載之比,一般要小于路基本體填筑引起的沉降增量與本體荷載之比。上述變化規(guī)律反應出堆載預壓措施能加速基底壓縮土層的變形,從而減小工后沉降是有效的。

3 沉降變形分析評估的技術要求和經(jīng)驗

超載預壓路基段的沉降變形分析評估應充分考慮以上變形特征,在滿足常規(guī)路基評估技術條件的基礎上,還應充分考慮以下控制要求：

(1)超載高度和預壓時間

超載高度和預壓時間均要達到滿足設計要求,設計預壓時間一般不小于6個月。

(2)沉降預測方法

在沉降預測方法的選擇上,不建議采用拓展雙曲線法。這主要是由于拓展雙曲線法引入了荷載系數(shù)的概念來反映荷載的變化,但其前提是加載量和加載速率基本相同,而超載浮土的填筑速度一般與路基本體填筑速度存在明顯差異,若采用拓展雙曲線法進行預測分析,可能帶來較大的誤差。故不建議采用,可以選擇三點法、常規(guī)雙曲線法進行預測。

(3)預測時間起點和時間段

對于路基本體填筑完成后直接進行堆載的路段,沉降預測起點和時間段與一般路基無明顯的差異,即取填筑完成后或沉降曲線出現(xiàn)突變后的觀測數(shù)據(jù),進行分析預測；對于路基本體填筑完成后有較長恒載期的觀測斷面,由于超載會引起沉降曲線出現(xiàn)明顯的拐點,因此建議采用拐點之后的觀測數(shù)據(jù)進行預測分析。

(4)最終沉降量的預測計算

最終沉降量是指設計荷載條件下路基最后的沉降量,對于超載預壓路基,原則上應根據(jù)卸載以后的觀測數(shù)據(jù)進行預測分析。但由于鐵路客運專線路基已進行過處理,在經(jīng)過堆載預壓后,其沉降變形量很小,甚至有可能發(fā)生回彈變形,采用卸載后的數(shù)據(jù)進行預測分析的難度較大。若采用荷載系數(shù)來對前期觀測數(shù)據(jù)進行修正,卸載后會出現(xiàn)明顯的回彈變形,這與實際變形觀測結果存在較大的差異。因此,建議采用超載預壓階段的數(shù)據(jù)預測的最終沉降量代替設計荷載條件下的最終沉降量,很顯然超載條件下的最終沉降量要大于設計荷載條件下的最終沉降量,這對于工程是偏于安全的。

(5)工后沉降的計算

工后沉降是由鋪設無砟軌道結構自重引起的沉降和鋪軌后至運營完成所發(fā)生的沉降兩部分組成,即

(1)

式中：T0為預計鋪設無砟軌道時間點；T3為預定運營完成的時間點(T3=T0+100年)；s(T3)-s(T0)為路基在鋪軌后至運營完成所發(fā)生的沉降；sst為鋪設無砟軌道結構自重發(fā)生的沉降。

對于超載預壓路基而言,超載一般明顯要大于結構層荷載,在經(jīng)過較長時間的預壓并趨于穩(wěn)定后,其歷史荷載水平已經(jīng)超過了使用荷載水平,按超載條件下觀測數(shù)據(jù)預測的最終沉降量實際已包含了結構層引起的沉降量。因此,對于超載預壓路基,當采用超載預壓階段的數(shù)據(jù)預測最終沉降量時,不再計入結構層引起的沉降量。而按超載階段的數(shù)據(jù)來預測鋪軌時間點沉降時,應將其轉換為路基本體荷載條件下的預測值,因此,應在預測時間段的選擇上考慮卸載后的觀測數(shù)據(jù),實際操作過程中,當卸載階段沉降已趨于穩(wěn)定或有回彈的情況下,可以取鋪軌前的最終觀測值代替。

根據(jù)以上原則,超載預壓路基的工后沉降按下式計算

(2)

式中：s(T3)超為按超載階段觀測數(shù)據(jù)計算的運營完成時間點的沉降量；s(T0)卸為按卸載階段計算的預計鋪軌時間點的沉降量,當卸載階段沉降已趨于穩(wěn)定或有回彈的情況下,可取鋪軌前的最終觀測值。

4 超載預壓路基沉降評估方法

根據(jù)武廣鐵路客運專線到目前為止沉降變形觀測數(shù)據(jù)來看,除部分軟土路基堆載預壓段的地基沉降變形量級在40～50 mm,大部分路基基底沉降變形小于15 mm,即總體而言,武廣鐵路客運專線路基的沉降變形量級相對較小。鑒于目前缺乏對高速鐵路超載預壓路基沉降評估方法的研究經(jīng)驗,建議分別采用有效應力面積比分析方法和基于實測曲線回歸擬合的分析方法來對卸載時機的合理性和工后沉降進行對比研究,以保證超載預壓路基的沉降變形評估的準確性和可靠性。

4.1 有效應力面積比分析方法

有效應力面積比R定義為：受壓土層范圍內(nèi)結構物荷載引起的附加總應力面積與卸載前相同厚度土層內(nèi)預壓荷載引起的有效應力面積之比。在對軟土地基、機場跑道等以沉降控制的結構物長期觀測研究基礎上,《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79—2002)[6]給出了有效應力面積比分析方法。

大量超載預壓地基處理的工程實踐表明,卸載后土體殘余變形不僅與卸載前土體的平均固結度有關,而且與預壓荷載的超載比即超載量與設計荷載之比有關。一維壓縮變形條件下,有效應力面積比R可簡化為

(3)

式中，Pf為設計荷載；ΔP為超載；U(t)為卸載時(t)壓縮層內(nèi)土的平均固結度。

對于基底總沉降量級s(∞)≤15 mm的情況,軟土地基20年土層殘余變形和有效應力面積比R的相關關系見圖2。由圖2可知,當R≤0.80時,卸載后土層的殘余變形為0或發(fā)生少量回彈。

應該指出,圖2的相關關系主要來自沿海軟黏土砂井地基超載預壓的工程經(jīng)驗。武廣鐵路客運專線路基大量采用了CFG樁加固和換填等其他處理方式,其變形機理與傳統(tǒng)的固結過程不完全相同。但是,作為一種對工后沉降直接分析的補充,是值得嘗試的。而且以往大量實際工程表明,這是一種偏于保守的估算方法,預估的卸載時間要大于實際需要的時間,對于武廣鐵路客運專線而言,是偏于安全的。

圖2 軟土地基20年土層殘余變形和有效應力面積比R的相關關系

另外,使用荷載條件下的荷載比為

(4)

當ξf確定后,有效應力面積比R≤0.80條件實際上變?yōu)?/p>

(5)

即t時實際發(fā)生的沉降s(t)和預測最終沉降s(∞)的比應≥ξf/0.8。對于路基沉降和變形觀測分析評估的強制性要求s(t)/s(∞)≥75%,由于s(t)/s(∞)≥ξf/0.8的條件一般情況高于75%。所以,此種情況只需用s(t)/s(∞)≥ξf/0.8的條件來控制,但應核準s(t)/s(∞)≥75%。

4.2 基于實測數(shù)據(jù)曲線回歸的分析方法

此種分析方法直接利用沉降變形觀測數(shù)據(jù),采用回歸擬合曲線預測計算工后沉降量,以評價當前堆載或卸載條件下基底沉降變形是否滿足工后沉降控制標準。

在計算工后沉降時,建議對擬合曲線預測設計荷載(包括上部軌道結構自重)作用下的最終沉降值采用加權系數(shù)η=1.1,而在用擬合曲線預測卸載時的沉降變形值則采用加權系數(shù)η=0.91,以減小由于擬合曲線的不確定性引起的偏差。

根據(jù)鐵路客運專線路基沉降控制標準和要求,卸載時預測工后沉降應滿足以下要求

(6)

即

(7)

式中：sR為根據(jù)擬合曲線計算的工后沉降值；[sR,p]為工后沉降控制值15mm,ξf為地基在鋪軌完成后(設計荷載下)的荷載水平,ξmax為地基最大荷載水平,即預壓階段ξmax=1.0；s(ξf,∞)為設計荷載條件下的最終沉降量,s(ξmax,tS)為堆載預壓條件下沉降觀測值。

式(6)即為基于工后沉降控制的卸載時機控制方程,即設計荷載條件下的最終沉降變形預測值(加權后)與超載條件下沉降觀測值(加權后)之差小于15mm。

5 工程應用

選取武廣鐵路客運專線DK1 671+426～DK1 672+850區(qū)間內(nèi)2段典型堆載預壓路基為分析對象,該路段地形以丘坡和谷地相間為主,地形起伏較大,丘坡自然坡度一般為10°～25°,植被較發(fā)育,谷地地形狹長,地勢較低洼,多辟為水田,分布水塘及居民。基底地層情況基本類似：丘坡上、谷地上覆黏土/粉質(zhì)黏土,軟塑～硬塑,下伏全風化花崗巖。堆載預壓地段設計堆載高度分別為2.5m和3.0m,設計預壓時間為6～10個月,基底采用CFG樁和攪拌樁進行地基處理,樁底持力層為全風化花崗巖。,現(xiàn)采用上述2種分析方法分別進行具體分析與評估。

采用有效應力面積比分析方法,對路基工點的計算結果列于表1,其中s(t)為超載條件下實際觀測沉降量,s(∞)為超載條件下預測最終沉降量。

表1 路基工點分析結果匯總(有效應力面積比法)

從表1所列分析結果可以看出,堆載2～3個月后卸載,實際觀測總沉降量s(t)為2.88～8.12 mm,預測最終沉降量s(∞)為3.23～9.30 mm,其比值s(t)/s(∞)為0.83～0.88,而實際荷載比ξf/0.8為0.712～0.850,s(t)/s(∞)明顯要大于ξf/0.8,且s(t)/s(∞)>75%。因此,根據(jù)有效應力面積比的分析結果,目前卸載后路基的工后沉降是能滿足控制要求的。

以下直接采用觀測數(shù)據(jù)計算工后沉降量,進行定量分析以進一步校驗上述分析結果,計算結果列于表2。

表2 路基工點工后沉降分析結果匯總

從表2所列分析結果可以看出,計算工后沉降量為0.932～3.106 mm,明顯小于容許工后沉降控制值15 mm。另外,上述計算工后沉降的過程中,已引入了加權系數(shù)(安全系數(shù))η=1.1。因此,直接采用觀測數(shù)據(jù)來分析得到的工后沉降量遠小于15 mm,滿足工后沉降控制要求,這與有效應力面積比法分析的結果是一致的。

6 結論

以武廣鐵路客運專線實測數(shù)據(jù)為基礎,分析了超載預壓路基沉降規(guī)律及特征,系統(tǒng)地總結了與之相適應的評估技術要求和經(jīng)驗。在此基礎上,建議分別采用有效應力面積比法和基于實測數(shù)據(jù)回歸擬合的分析方法,對超載預壓路基的卸載時機和工程沉降進行對比驗證分析,以提高沉降變形評估的準確性和可靠性,最后結合工程實例驗證了上述超載預壓路基評估技術的有效性和可行性,為鐵路客運專線超載預壓路基的沉降變形評估提供一條有效的途徑。

[1]潘秋元,朱向榮,謝康和.關于砂井地基超載預壓的若干問題[J].巖土工程學報力學,1991,13(2):1-12．

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[3]張光永,吳玉山,李彰明.超載預壓法閾值問題的室內(nèi)試驗研究[J].巖土力學,1999,20(1)：79-83．

[4]鐘才根,張 序.高速公路軟基路堤沉降速率控制[J].蘇州城建環(huán)保學院學報,2001,14(4):48-53.

[5]鐵建設[2006]158號，客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南[S]．

[6]JGJ79—2002,建筑地基處理技術規(guī)范[S].