無砟軌道路基低壓縮性土沉降特性及地基加固方案分析

2011-01-24 01:27:39潘志剛

鐵道標準設計 2011年7期

潘志剛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)明確規定：無砟軌道地段路基在無砟軌道鋪設完成后的工后沉降應滿足扣件調整和線路豎曲線圓順的要求,工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15 mm,路橋或路隧處的沉降差異不應大于5 mm。

為了將路基工后沉降值控制在允許范圍內,對不滿足要求的地段應根據地形和地質條件、路堤高度、填料、工期等條件,采取合理的基底處理措施。當前無砟軌道路基常見的處理措施有挖除換填、堆載預壓、CFG樁復合地基、樁承式路堤及樁板結構等。

以某客運專線DK151+200～DK151+767段路基為例,根據沉降觀測資料,對圓礫土、卵石土等低壓縮性土沉降特性,以及合理選取地基加固方案進行了詳細的分析總結。

1 工點概況

1.1 工程地質條件

DK151+200～DK151+767段路基地貌屬低山前緣緩坡,地形疏緩開闊,略有起伏,交通便利。地層結構自上而下依次為：①Q4ml種植土,褐黃色,厚約0.4～2.6 m；②-1Q4al粉質黏土,灰黃色,軟塑,厚約0.5～2.0 m；②-2Q4al淤泥質粉質黏土,灰黑色,軟塑,厚約0.5～1.3 m,僅局部分布；③-1Q3al粉質黏土,灰黃色,硬塑,厚約0.3～4.9 m；③-2-1Q3al細圓礫土,灰黃色,潮濕,中密,厚約0.5～2.6 m,僅局部分布；③-2Q3al粗圓礫土,灰黃色～黃褐色,潮濕,中密,厚約5.1～11.9 m；③-2-2Q3al卵石土,灰黃色,潮濕,中密,厚約1.8～13.2 m；④-1D3w粉砂巖,褐黃色,全風化,厚約0.6～4.1 m；④-2D3w粉砂巖,灰白色～青灰色,強風化,揭示層厚>3 m。其中③-2及其亞層為典型的低壓縮性土層,由于碎石類土難以采取原狀樣,故其檢算指標壓縮模量Es參照相關規范進行經驗取值。各主要土層的物理力學指標見表1。

1.2 沉降估算

地基沉降可采用壓縮模量Es按分層總和法進行計算,通過推導,路基工后沉降ΔS可按公式(1)計算

ΔS=φsS有荷-φsS無荷·U(1)

式中 ΔS——工后沉降,mm；

φs——沉降計算經驗系數；

U——沉降完成比例(設計計算取值)；

S有荷——填土及軌道恒載產生的沉降,mm；

S無荷——由填土荷載產生的沉降,mm。

其中,沉降計算經驗系數φs可根據壓縮模量參照《建筑地基基礎設計規范》(GB5007—2002)中附表進行線性內插法計算取值。

因《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》(鐵建設[2006]158號)中明確規定,路基填筑完成后應有不少于6個月的觀測和調整期；按放置期半年考慮,各代表性斷面的工后沉降計算值見表2,從中不難看出：當不采用預壓措施時,多數斷面估算得出的工后沉降均大于15 mm；而當采用預壓措施時,估算得出的工后沉降均為負值,小于零,故而實際上可按零沉降考慮。

表2 各代表性斷面工后沉降計算值

1.3 地基加固處理方案

DK151+200～DK151+767段路基填高2.5～8.0 m,路基面寬13.6 m,邊坡坡率1∶1.5；于DK151+767處接橋臺設過渡段；地基處理結合現場地形、填高、地質條件及結構類型,分別選取了挖除換填(淺層處理)、CFG樁等加固方案,并在路基填筑完成后進行堆載預壓,具體加固措施見表3。

表3 地基加固方案

2 現場觀測分析

2.1 現場沉降觀測

該段路基于2009年7月13日開始進行填筑,2009年12月29日填筑至路堤基床底層頂面,2010年1月1日開始進行堆載,1月16日堆載完成,截至2010年6月20日,在主體工程完工后的連續觀測時間已滿足規范要求的不少于6個月。代表性斷面的沉降-荷載-時間曲線見圖1、圖2及圖3。

圖1 DK151+250基底沉降-荷載-時間曲線

圖2 DK151+515基底沉降-荷載-時間曲線

圖3 DK151+660基底沉降-荷載-時間曲線

從圖中可以看出,該段路基的地基土在填筑預壓過程中,具有以下變形特征。

(1)在填筑期間,隨著路堤填土高度的增加,地基的沉降量不斷增大,并且沉降速率較快；

(2)當堆載荷載完成后,在預壓期間,地基的沉降速率逐漸減小,且沉降量最終趨于穩定。

2.2 觀測數據分析

假定下列各符號意義及單位如下：S∞—預測路基在鋪軌后的最終沉降量，mm；S填筑—路基主體工程填筑完成后的累計沉降量，mm；S堆載—路基堆載預壓6個月后的累計沉降量，mm；S鋪板—預測路基在鋪板時的沉降量，mm；S軌道—路基鋪設無砟軌道結構后發生的沉降量，mm；V填筑—路基填筑期間的平均沉降速率，mm/d；V預壓—路基預壓期間的平均沉降速率，mm/d；而工后沉降ΔS還可以通過公式(2)表示

ΔS=S軌道+S∞-S鋪板(2)

根據現場觀測記錄數據,結合以上代表性斷面的基底沉降—荷載—時間曲線圖,采用三點法進行總沉降預測,通過分析,可以看出：

(1)由于該段地基的主要土層結構是由低壓縮性、強滲透性的③-2-1細圓礫土、③-2粗圓礫土及③-2-2卵石土組成,在路基主體填筑期間產生的沉降量約占預測總沉降量的74.6%,詳見表4,這表明,低壓縮性土的沉降在填筑期間已大部分完成。

表4 代表性斷面填筑期間沉降完成比例

(2)該段地基堆載預壓期間的平均沉降速率遠小于主體填筑期間的平均沉降速率,詳見表5,且在堆載預壓約2個月后,沉降曲線趨于平緩、收斂,這表明,對于類似地基條件,通過增加堆載預壓措施,可以對工后沉降進行有效、穩定的控制。

表5 代表性斷面填筑期和預壓期沉降速率比值

(3)該段地基上覆淤泥質黏土、軟塑～硬塑粉質黏土累計層厚1～5 m,下臥圓礫土、卵石土層厚10～20 m,預壓6個月后,累計所完成沉降量約占總預測沉降量的91.5%,詳見表6。由于黏性土壓縮性高,滲透性弱,從而上覆黏土層所完成沉降比例較少(按80%計),故而下臥圓礫土、卵石土等低壓縮性地層在堆載預壓6個月后,其沉降完成比例(U)可按95%考慮。