客運專線路基沉降特征及其影響因素分析

周全能,姜領發

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司工程承包公司,武漢 430063;2.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)

路基沉降變形主要包括列車行駛中對路基面的彈性變形、長期行車引起的基床積累下沉(塑性變形)及路基本體填土及地基的壓縮下沉。參考國內外經驗可知,列車行駛中彈性變形、運營階段的塑性變形及路基填土壓實下沉,只要滿足基床及路基本體填筑材質、壓實標準,其值都是有限的,且也是可控的。因此,如何控制路基的沉降變形特別是工后沉降值,關鍵在于控制支承路基的地基的沉降。現代鐵路修筑經驗表明，作為支承路基的地基不允許發生地基破壞,也不允許發生不適應使用要求的沉降量和沉降速率。以往的設計多只考慮對地基不允許發生基底破壞,對變形雖有一定要求,但沒予以充分重視。我國鐵路路基主要病害現象的下沉問題,除因填土壓實度不夠造成之外,不少也是基底變形所致,特別是長期困擾我國在軟土地基上修筑路基所存在的不斷下沉病害問題。隨著客運專線的大規模建設,地基沉降變形控制問題越來越得到建設者的重視,地基的沉降變形標準也經歷了認識、實踐、再認識的發展歷程,沉降控制標準逐漸提高。

高速旅客列車要求路基軌下基礎提供高平順性的軌道系統,按照《京滬高速鐵路設計暫行規定》[1],路堤基底以下25 m壓縮層內的地基土不符合基底條件時,應作工后沉降分析。路基工后沉降不應大于5 cm,年沉降速率應小于2 cm；按《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》[2]要求,路基上鋪設無砟軌道前,應對路基變形作系統的評估,要求沉降預測應采用曲線回歸方法,并滿足一定的觀測時間及相關參數要求。

德、法強調控制路基的不均勻沉降,其追求沉降的目標為不均勻沉降為零；對于無砟軌道路基,德國有更為嚴格的要求,要求路基的差異沉降為零。由于中德兩國的國情不同,德國采用較長的施工周期來達到工后沉降為零的目的,而我國具體國情使我們必須通過加大對地基的處理力度、增加填料質量和碾壓工藝等措施來盡量消除工后沉降的影響。如何確保路基沉降變形滿足設計要求就成為路基工程中的重點課題,特別是深厚軟土路基,常規方法很難滿足工后沉降要求,迫切需要逐步開發引入新型的更為有效的路基處理方式及探討合理的沉降觀測期。

本文借助合理的預測方法,針對武廣鐵路客運專線軟土地基實際工點進行了工后沉降預測與分析,分析了經不同工程措施處理的路基沉降特性及其影響因素,揭示了路基沉降特性變化規律,進而探討了客運專線路基變形控制對策。針對不同地質條件,建議了合理的地基處理方法及合理的沉降觀測期。

1 工程概況

試驗區段位于武廣鐵路客運專線DK1 343+619～DK1 346+712.32，共有路基工點8個,路基全長1 174.27 m。

此區段為丘陵區,丘坡植被發育,小樹較多,村莊人口密集,良田分布廣泛。跨谷地,鄉間公路、小河和村民住房。

此區段地層自上而下由第四系全新統坡洪積層,殘坡積層,寒武系上統組成。第四系全新統坡洪積層為粉質黏土、黏土,殘坡積層為細角礫土,寒武系上統多為黃褐色～灰色頁巖。

地基處理方式為CFG樁、巖溶注漿、換填。

本區段路基本體均采用A、B組填料,基床底層采用A、B組填料,基床表層采用級配碎石、級配碎石+5%水泥填筑。

2 路基填土高度和速度對地基沉降的影響

從試驗區段中任選1個有代表性的斷面,結合現場觀測的沉降數據(圖1),對比分析路基填土高度和填筑速度對地基的影響。利用《沉降觀測數據管理與分析預測》軟件[4],可繪制路基沉降(S)-荷載(P)-時間(t)關系曲線和地基沉降速率曲線,詳見圖2。

圖1 DK1 344+560斷面地基沉降數據曲線

圖2 DK1 344+560斷面地基沉降速率曲線

(1)從圖1的曲線圖可知,隨著填土高度的加大,沉降進一步增大,停止填土,路基沉降繼續發展,但逐步趨于平緩。當路基填筑達到一定高度時,沉降隨著填筑高度的增加迅速增大,當路基填筑即將竣工和竣工后,路基沉降又呈緩慢增加形式,直至路基完全穩定下來。其原因主要為：路基在初始填筑過程中,由于原地基具有一定的承載力，可以承受一定高度填土產生的壓力,在地基容許承載力范圍內,地基沉降呈現出類似彈性變化的形式,即地基沉降隨著填土高度的增加而增加。

在路基施工過程中,填土高度是影響路基沉降的主要因素,這是因為路基沉降主要是由于路堤填土產生的靜力和路面上的行車荷載產生的動力荷載引起的,而施工期間沉降主要由路堤本身的自重壓力引起。故在路堤的設計過程中,一般要設置路堤高度上限,減少自重,以此來減小地基沉降。從圖中可知路基沉降量隨著填土高度(圖中用荷載表示)的增大而增大,而且增加量呈現衰減的趨勢,它們之間并不呈線性關系,這是由于路基沉降還受路基寬度、側向變形等因素影響。

(2)分析圖2的填土與沉降數據、沉降速率發現,在施工期間,路基(主要指地基)隨填土的不斷增加而不斷沉降,隨著填土高度的增加,填土速度加快,相應的沉降速率也加大。從3個斷面填土高度與路基沉降速率對比圖上也可看出填土高度曲線陡的時間段,沉降曲線也較陡,這反映了沉降對加載速率的敏感性。隨著時間的延長,沉降速率逐漸變小、收斂。從沉降速率曲線上看,早期沉降速率變化范圍比后期明顯要大,這除了與填土速率有關外,可能與早期地層孔隙比較大,含水量較高,從而孔隙水消散速率較快有關。

控制填土速率的最終目的是保持填土路基的穩定。若填筑速率快,表示荷載較早地作用于地基增加了初期的沉降量,但它完工得早,與速率較小者相比,到完工時固結的時間較短,因此,完工時的沉降量反而較小。而施工速率對最終沉降量幾乎沒有影響。此外,填筑速度過快,產生過大孔隙水壓力,還可能危及路基的穩定性。

3 不同地基處理方式下路基填土高度與地基沉降的關系

客運專線不但要控制路基填筑的速度和最終沉降量,而且更要控制路基的工后沉降,利用《沉降觀測數據管理與分析預測》軟件，對DK1 343+619～DK1 346+712.32中地基采用壓實和CFG樁處理的斷面所提供的路基沉降觀測數據(包括用來觀測地基沉降的沉降板觀測數據和路基沉降的表面樁數據)進行較系統的統計及對不同地基條件下的路基填筑高度和工后沉降的進行曲線回歸,其匯總結果及曲線回歸見表1及圖3、圖4。

表1 試驗段各斷面信息匯總

圖3 路基填土高度與工后沉降關系(壓實)

從前面的分析可知,產生路基沉降(這里重點討論工后沉降)的因素除了列車動載長期作用和路基填料在自重作用下的壓實沉降外,占整個沉降較大比重的因素則是支承路基的地基沉降變形。路基高度不同,地基處理方式不同,沉降也有較大差異。

由表1、圖3、圖4可以看到,不同地基處理方式條件下,路基的工后沉降和其填土高度存在一定的相關性。即滿足下述關系式

(1)

式中,H為路基填土高度；S工為工后沉降；a、b為回歸曲線的常數值。

(1)用壓實方式處理地基時,其路基填土高度和工后沉降的回歸趨勢線方程為

(2)

可見,該回歸曲線與數據散點擬合較好(一般R2≥0.85即為優)。

(2)用CFG樁方式處理地基時,其路基填土高度和工后沉降的回歸趨勢線方程為

(3)

同理可知,該回歸曲線與數據散點擬合較好。

(3)從表1可知,不同地基處理方式下,路基工后沉降隨路基填筑高度的增加而增加,但其關系不是線性的、正比的關系。

一般來說,路基建成后發生的沉降主要有：路堤(主要指基床)在列車荷載作用下發生的累計沉降；路基本體在自重作用下的壓密沉降；支承路基的地基壓密沉降。在路基填料的材質與施工質量有保證的前提下,前兩部分的數值是有限的,且路基填土的壓密沉降主要通過壓實度來控制,且沉降最終完成的時間也較短。因此,控制路基沉降主要是控制地基的工后沉降。因為,對一般地基(尤其軟土地基)來說,由于其壓縮性大,滲透系數小等特性,路基建成后,不僅沉降量大而且需要較長時間才能完成最終沉降。

從本試驗段的觀測數據的分析可知,雖然地基對路基的工后沉降影響較大,但通過不同的處理后,不但能滿足路基的工后沉降小、最終沉降完成期短的目標,而且還能使不同地質、不同路基填高具有相近的工后沉降值,即可保證列車高速、安全、舒適運行,并盡可能減少維修。

由于武廣鐵路客運專線沿線地形地質情況復雜,紅黏土、軟土及松軟土分布廣泛,成因千差萬別、厚度相差大,所以地基處理方式多樣。通過對武廣鐵路客運專線的大量監測數據統計分析,建議地基處理方式采用下列方案。

①一般土質地基

以沖擊壓實為主處理,對沉降不滿足設計要求地段采用CFG樁、強夯置換等進行處理；當表層軟土、松軟土、黏性土厚度小于1.5 m，采用挖除換填A、B組填料處理。

②軟土及松軟土地基

以CFG樁復合地基為主進行加固處理,對于正常固結的淤泥、淤泥質土和軟黏土,地基承載力標準值不大于120 kPa的黏性土和粉性土底層,厚度不超過12 m時,輔以攪拌樁等進行加固。

③巖溶發育區地基

一般采用注漿處理防止塌陷,確保路基整體穩定,對上覆紅黏土軟弱地基帶采用CFG樁處理。

④含較多碎石黏性土和砂性土、填土、碎石土地基采用旋噴樁復合地基加固。

⑤部分特殊地段采用預應力管樁、鉆孔灌注樁等剛性樁-網復合地基加固。

4 路基沉降時程發展規律與合理觀測期

利用試驗段某一斷面的觀測數據(該斷面包括5個測點,分別為：地基表面左、右兩個沉降板；路堤表面左、中、右三個觀測樁),分析討論同一層面不同測點、不同層位測點沉降規律以及路基填筑完成前路基沉降的比例。

(1)該斷面地基表面埋設的兩個沉降板的監測數據曲線見圖5。

圖5 地基左、右兩個沉降板沉降觀測曲線

從圖中曲線可知,地基左右兩側的沉降規律基本一致,并且在路基填筑初期沉降隨著填筑高度的增加迅速增大,當路基填筑即將竣工和竣工后,路基沉降又呈緩慢增加形式,直至路基完全穩定下來。從沉降發展曲線不但可以得出該地基壓實質量良好的結論,而且監測數據真實合理,因為其呈“S”形的4個階段,即：

①發生階段：從曲線圖可知,路基剛填筑時,亦即地基剛加載時,測點的土體尚處在彈性狀態,測點的沉降量隨荷載的增加近似線性增減。

②發展階段：隨著路基填筑高度的不斷增加,地基測點土體所受的荷載也越來越大,并使其逐步進入到彈塑性狀態。隨著塑性區不斷開展,測點的沉降速率也不斷增加,但由于該區段的路基填筑時間較長,導致土體固結完成的比例較大,致使土體的沉降速率到達一定時間后隨著路基的填筑增加反而有減小的趨勢。

③成熟階段：當路基填筑完成,地基荷載不再增加時,部分尚未完成的固結即土體的流變導致測點的沉降隨時間的延長而繼續,但沉降速率遞減。

④到達極限：經過1年多的沉降,從曲線上明顯看到沉降速率快速減小,并趨于穩定。

(2)為了驗證路基填筑完成后的不同層位(即路基和地基)的沉降趨勢是否一致,將地基表面沉降板的沉降數據起點與路基表面樁一致(兩者觀測始點都為路基填筑完成時)。不同測點曲線見圖6。

圖6 5個測點路基填筑完成后的沉降觀測曲線

從圖中可知,路基和地基不但同一層位沉降近似一致,而且由于填筑時間較長,地基的固結大部分已經完成,導致其沉降值和沉降速率在其最初的一段時間內都要遠小于路基的相應值。

(3)根據國外高速鐵路的經驗和實測資料,路堤填土壓實沉降量一般在施工期及放置期內基本完成。當路堤以粗粒土、碎石類土填筑時,其總沉降量為其高度的0.1%～0.3%；當以細粒土填筑時,其總沉降量為其高度的0.3%～0.5%。該部分沉降一般在路堤竣工之后1年左右完成[3]。從中可知,路基壓實總沉降量分施工期及放置期,但兩者各占多大比例卻沒有量化。本部分借助上面的斷面對路基放置期的沉降量及合理的放置期進行初步探討,以期為相關工程路基填筑提供借鑒。表2、表3分別為DK1 345+892斷面5個測點的路基填筑后的沉降信息匯總及沉降比例。

由于DK1 345+892斷面路基的填料屬于粗粒土、碎石類土,按上面所提的國外經驗,其路基總沉降量為其高度的0.1%～0.3%；從表2、表3可知,當路堤填筑高度為5.2 m時,其路基總沉降值為5.2～15.6 mm,填筑完后進行觀測,經過6個月的放置期后觀測,其路基沉降值為1.33 mm,占路基總沉降量8.5%～25.6%；以該觀測數據預測工后沉降值(不考慮結構層引起的沉降)為0.22 mm,占路基總沉降量1.4%～4.2%。

表3 DK1 345+892斷面路基沉降比例

從上面的相關數據可知,在武廣鐵路客運專線現有地基和路基填料和施工工藝下,路基的大部分(70%～90%)沉降值在路基填筑過程中都已完成,且6個月后的路基工后沉降值只占路基總沉降量的1.4%～4.2%,亦即放置期達到6個月后,路基的沉降量基本已經完成。而按國外經驗,這個過程要1年左右。產生這種差異的原因可能是武廣鐵路客運專線全線對地基進行針對性處理、路基使用優質填料,并且提高施工質量的結果。

5 結論與建議

(1)在路基工程中,填土高度是影響路基沉降的主要因素。在一定的地基處理方式下,沉降值隨著填土高度的加大而增大,停止填土,路基沉降繼續發展,但逐步趨于平緩。

(2)路基(主要指地基)沉降隨填土高度的不斷增加而不斷增大,隨著填土高度的增加,填土速率加大,相應的沉降速率也加大,沉降對加載的速率具有很強的敏感性。隨著時間的延長,沉降速率逐漸變小、收斂。因此,為了保持路基的穩定,應控制填土速率。

(4)雖然地基對路基的工后沉降影響較大,但通過不同的處理后,不但能滿足路基的工后沉降小、最終沉降完成期短的目標,而且還能使不同地質、不同路基填高具有相近的工后沉降值,這即可保證列車高速、安全、舒適運行,并盡可能減少維修。

(5)路基填筑完成后,路基和地基沉降趨勢近似一致,其沉降值和沉降速率在其最初的一段時間內都要遠小于路基的相應值。

(6)武廣鐵路客運專線現有地基和路基填料和施工工藝下,路基的大部分(70%～90%)沉降量在路基填筑過程中已基本完成,路基填筑完成后6個月的路基沉降值只占路基總沉降量的1.4%～4.2%,亦即放置期達到6個月后,路基的沉降量基本已經完成。因此,建議在保證施工質量的條件下,可適當縮短路基填筑完成后的觀測期(4～6個月)。這樣就可大大提前鋪軌時間和提高經濟效益。

[1]鐵建設函[2004]157號,京滬高速鐵路設計暫行規定[S]．

[2]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]．

[3]鐵建設[2007]47號,新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定[S]．

[4]陳善雄,余 飛,劉紹波,等.鐵路客運專線沉降監測數據管理與分析預測集成系統研發[J].鐵道標準設計，2010(2).