高速鐵路地基土壓縮模量確定方法比較研究

李 想

(青海交通職業技術學院,西寧 810003)

高速鐵路地基土壓縮模量確定方法比較研究

李 想

(青海交通職業技術學院,西寧 810003)

為掌握高速鐵路復合地基中天然土層壓縮模量準確簡便的確定方法,以武廣客運專線12個試驗斷面和京滬高速鐵路4個試驗斷面路堤設計參數和地基處理情況為依據,分別采用E1-2法和e-p曲線法確定各天然土層壓縮模量,計算地基沉降值并將其與實測沉降值進行比較。結果表明:對于淺薄地層地基而言,路堤高度略大于5 m (不超過7.5 m)時,E1-2法的計算沉降值與e-p曲線法相比誤差小于10%,路堤高度小于5 m時,兩者誤差隨路堤高度減小而增大,但是控制在30%以內;為簡化運算,可以采用E1-2法代替e-p曲線法計算淺薄地層地基沉降;對于深厚地層而言,E1-2法計算沉降值明顯大于e-p曲線法,其誤差隨壓縮層厚度增大而增大,故不宜采用E1-2法計算深厚地層地基沉降。

高速鐵路;地基沉降;E1-2法;e-p曲線法;壓縮模量

1 概述

我國高速鐵路事業的飛速發展,對地基沉降計算精度提出了更高的技術要求。而地基土層壓縮模量的合理確定,是準確計算地基沉降的關鍵性因素。

由于土體是彈塑性體,應力應變關系呈非線性變化,其壓縮模量隨上覆壓力變化而變化[1-4],因此進行沉降計算時,需根據土中應力情況,以e-p曲線為依據來確定各壓力段天然土層壓縮模量,這種確定壓縮模量的方法稱為e-p曲線法。然而,在工程實踐中,往往忽略上覆壓力對土體模量的影響,選取土體100～200 kPa標準壓力段的壓縮模量進行沉降計算,這種確定壓縮模量的方法稱為E1-2法[3]。

在實際工程的沉降計算中,往往為追求計算方法的簡化,存在盲目忽略天然土體壓縮模量隨上覆壓力的變化而采用E1-2法計算沉降的現象。選取武廣客運專線和京滬高速鐵路地基土層進行沉降計算,通過將E1-2法與e-p曲線法的計算沉降值進行對比,分別指出E1-2法的適用范圍和必須采用e-p曲線法的工程情況,并將修正計算值與實測值進行比較,驗證方法的準確性,所得結論對簡便確定地基土層壓縮模量,并準確計算高速鐵路地基沉降具有一定參考價值。

2 試驗斷面基本情況概述

2.1 試驗斷面路堤基本情況

武廣客運專線計算分析采用的試驗斷面共12個,均位于株洲市南端,路基面寬13.6 m,路堤高度3.10～7.51 m,路堤填土重度20 kN/m3,路堤邊坡坡度1∶1.5,坡腳設高1.0 m,寬2.0 m干砌片石護道。京滬高速鐵路李窯試驗段4個路堤試驗斷面在鋪設基床表層之前進行堆載預壓,此時路基面寬度14.8 m,路堤設計高度為7.15～7.35 m,路堤填土重度和邊坡坡度與武廣客運專線相同。武廣客運專線和京滬高速鐵路試驗斷面分別如圖1、圖2所示。

2.2 土層物理力學參數

對武廣客運專線和京滬高速鐵路試驗段均進行了詳細地勘工作,其中武廣客運專線12個斷面均分布硬塑黏土、全風化泥質砂巖和強風化泥質砂巖,部分斷面還分布有淤泥質粉質黏土,各土層物理力學參數見表1,其中fak為土層天然地基承載力。京滬高速鐵路4個斷面土層分布情況較為復雜,故選取其中一個斷面為代表性斷面(斷面(13)),其土層分布情況和各土層物理力學參數見表2。

圖1 武廣客運專線試驗斷面示意(單位:m)

表1 武廣客運專線地基土層物理力學參數

2.3 地基處理情況

武廣客運專線試驗斷面地基為淺薄地層,地下10 m深度范圍內分布有巖質堅硬的強風化泥質砂巖。斷面均采用CFG樁進行地基加固,CFG樁穿透軟土,樁長7.60～9.43 m,樁徑均為0.5 m,樁間距為1.4 m或1.5 m,采取正三角形布樁方式,樁頂鋪設0.6 m厚碎石墊層。京滬高速鐵路試驗斷面屬于深厚地層,地下60 m深度處仍分布有黏性土和粉土。同樣采用CFG樁進行地基加固,樁長24 m,樁徑0.5 m,樁間距1.7～1.8 m,樁頂設置0.5 m厚鋼筋混凝土板。

表2 京滬高速鐵路斷面(13)土層物理力學參數

3 沉降計算數據分析

3.1 沉降計算理論

采用基于一維固結理論的分層總和法計算地基總沉降[5]:

式中,s為地基總沉降;Δpi為第i土層附加應力增量;Esi為第i土層壓縮模量,加固區范圍內取土層的復合模量;hi為第i土層厚度,n為壓縮層深度范圍內土層數。

加固區土層復合模量按承載力比法確定[5- 8]:

式中,Ecs為加固區土層復合模量;Es為天然土層壓縮模量;ξ為模量提高系數;fspk為土層復合地基承載力,按式(4)確定;fsk為處理后樁間土承載力,可取土層天然地基承載力。

式中,u為樁身周長;qsi、qp分別為樁側第i土層阻力和樁端阻力,按文獻[9]確定;li為樁周第i土層厚度;Ap為樁端面積,n0為加固區土層數。

3.2 試驗斷面的計算沉降

由于武廣客運專線地基是淺薄地層,其下分布有巖質堅硬的強風化泥質砂巖。所以當CFG樁樁長小

式中,m為樁體置換率;Ra為單樁承載力,由式(5)確定;Ap為CFG樁橫截面面積;β為樁間土承載力折減系數,這里取0.85。于強風化泥質砂巖的土層深度時,可以忽略強風化泥質砂巖層產生的沉降;當樁長大于泥質砂巖深度時,則需要考慮樁長伸入泥質砂巖的那一部分土層產生的沉降[10,11]。依據上述壓縮層厚度確定原則以及沉降計算理論,將武廣客運專線12個試驗斷面分別采用E1-2法和e-p曲線法計算其沉降值(分別記為s1和s2),并將二者進行對比,見表3。

表3 武廣客運專線試驗各斷面計算沉降值

當路堤高度(即上部荷載)小于5 m時,E1-2法比e-p曲線法計算沉降值偏小,兩者差異在10%～30%,并且路堤高度越小,差異越大;當路堤高度略大于5 m (不超過7.5 m)時,隨著路堤高度增加,E1-2法結果逐漸接近e-p曲線法的結果,并有超過的趨勢,兩者之間的差異小于10%。

京滬高速鐵路地基屬于深厚地層,故壓縮層厚度確定方法有變形比法和應力比法。其中應力比法指地基中附加應力衰減至自重應力的10%或者20%處,以此處深度作為地基壓縮層厚度;變形比法的壓縮層厚度按照下式確定[12]

式中,Δsn為計算深度范圍內從底面向上取1.0 m范圍內的沉降值;Δsi為計算深度范圍內第i土層的沉降值。

在采用變形比法和應力比法(應力比為0.1和0.2)確定壓縮層厚度的前提下,分別采用E1-2法和ep曲線法計算4個試驗斷面沉降值,見表4。

將京滬高速鐵路4個試驗斷面分別采用E1-2法和e-p曲線法的計算沉降值進行對比,其最大差異高達50%,明顯大于武廣客運專線淺薄地層兩種方法的差異。

3.3 E1-2法和e-p曲線法差異分析

對于武廣客運專線淺薄地層而言,其壓縮層厚度較小,一般情況下小于10 m,計算深度范圍內自重應力在0～200 kPa變化。當路堤高度為略大于5 m時,以路堤填土平均重度為20 kN/m3計算,相當于施加了略大于100 kPa的荷載,由于附加應力沿土層深度衰減并在淺層衰減速度緩慢,故壓縮層厚度范圍內各土層附加應力增量在100 kPa左右,與標準壓力段的應力增量100 kPa相比差異不大。因此,對于埋深較淺的土層,由于其自重應力較小,而附加應力增量適中,故按實際應力范圍確定的土層天然壓縮模量小于標準模量;而對于埋深較深的土層,由于其自重應力明顯超過了100 kPa,故按實際應力范圍確定的天然壓縮模量大于標準模量。以武廣客運專線斷面(1)為例,各土層實際壓力段與100～200 kPa壓力段壓縮模量對比如圖3所示,為說明方便,假設采用e-p曲線法時各地基土層壓縮模量沿土層深度近似呈線性變化。

表4 京滬高速鐵路4個試驗斷面計算沉降值

圖3 斷面(1)兩種方法確定壓縮模量比較

從圖3可以看出,斷面(1)壓縮層厚度為9.43 m,雖然在深度小于4 m的土層范圍內,采用E1-2法計算值比土體的實際壓力段壓縮模量偏大,但是深度大于4 m的范圍內,則偏小。故對于淺薄地層地基而言,當路堤高度略大于5 m(不超過7.5 m)時,采用E1-2法確定壓縮模量的沉降計算結果與e-p曲線法較為接近,誤差控制在10%范圍內,如斷面(1)～(7)。

但是當路堤高度較小(小于5 m)時,其施加在地基上的荷載小于100 kPa,地基各土層的附加應力增量在經過衰減之后就會更小,此時在一定地層深度內實際壓力段各土層壓縮模量會明顯小于E1-2法計算值,即便存在少數斷面在地層較深處實際壓縮模量略大于E1-2法計算值,但是其壓縮層厚度內大部分土層實際壓縮模量仍然處于小于E1-2法計算值的狀態,故采用E1-2法計算值法計算沉降值會比e-p曲線法明顯偏小。路堤高度越低,二者差異越大。斷面(8)實際壓力段壓縮模量與E1-2法計算值對比如圖4所示。其壓縮層厚度范圍內各土層E1-2法計算值均明顯大于e-p曲線法確定的實際壓縮模量,使得E1-2法計算值法計算沉降偏小,但是誤差仍然在30%以內。

圖4 斷面(8)兩種方法確定壓縮模量比較

對于京滬高速鐵路深厚地層而言,其壓縮層厚度較大,雖然變形比法較應力比法確定的壓縮層厚度明顯偏小,但是也大于20 m,按應力比0.1確定的壓縮層厚度深達50 m。雖然京滬高速鐵路地下水位較高,但是當土層埋深超過10 m時,其自重應力也會大于100 kPa。此時,對于深度大于10 m的土層,其實際壓力段的壓縮模量大于E1-2法計算值,并且隨著深度的增加,其壓縮模量與E1-2法計算值差值越大。故對于深厚地層而言,采用E1-2法計算值法確定壓縮模量時,沉降計算值會明顯大于e-p曲線法,并且隨著壓縮層厚度的增加,二者差異會越來越大。斷面(13)實際壓縮模量與E1-2法計算值對比如圖5所示。對于地層較淺的小部分土層而言,其e-p曲線法確定的壓縮模量小于E1-2法計算值;但是對于地層較深的大部分土層,其實際壓力段壓縮模量明顯大于E1-2法計算值。

圖5 斷面(13)兩種方法確定壓縮模量比較

綜上所述,對于淺薄地層地基而言,在采用E1-2法確定土層壓縮模量時,CFG樁復合地基沉降計算值與e-p曲線法相比,誤差在30%以內。并且在路堤高度略大于5 m(不超過7.5 m)時,誤差更小,一般小于10%;路堤高度小于5 m時,誤差會隨著路堤高度的減小而逐漸增加。但是對于深厚地層而言,采用E1-2法計算地基沉降值明顯大于e-p曲線法,并且差異隨著壓縮層厚度的增加而增加,故E1-2法不適用于深厚地層計算沉降值。

3.4 修正計算沉降值與實測值

在采用分層總和法計算地基沉降時,由于次固結變形和剪切變形等因素的影響,使得計算沉降值與實測值之間存在較大的差異,需要引入沉降計算經驗系數ψs對計算沉降值進行修正,使其能夠反映地基的真實沉降。ψs隨當量壓縮模量ˉEs變化規律如表5所示[5]。

表5 沉降計算經驗系數ψs

其中,當量壓縮模量ˉEs按下式確定[5]

式中,Ai為第i土層附加應力系數沿土層厚度的積分值。

當武廣客運專線采用E1-2法確定地基各土層壓縮模量時,將其計算沉降值通過ψs修正后得到修正沉降值s′1,與實測沉降值s對比如表6所示,其中實測沉降值s為按照分層沉降實測數據推算的預測最終變形值。

____表6 武廣客運專線修正沉降值與實測沉降值s

____表6 武廣客運專線修正沉降值與實測沉降值s

?

可以看出,與實測沉降值相比,12個試驗斷面的修正計算沉降值平均誤差為16.07%,其中10個試驗斷面誤差小于30%,2個斷面誤差略大于30%,滿足工程設計的精度要求。故對于淺薄地層而言,為簡化計算,可以采用E1-2法計算地基沉降值。

4 結論

對武廣客運專線12個試驗斷面和京滬高速鐵路4個試驗斷面分別采用E1-2法和e-p曲線法計算其沉降值,并將武廣客運專線E1-2法的修正計算沉降值與實測值進行對比,得到以下結論。

(1)對于淺薄地層CFG樁復合地基而言,當路堤高度略大于5 m(不超過7.5 m)時,與e-p曲線法相比,采用E1-2法計算沉降值誤差小于10%;當路堤高度小于5 m時,隨著路堤高度減小,E1-2法誤差逐漸增大,但最大誤差不超過30%。

(2)對于深厚地層復合地基而言,在采用E1-2法作為各土層壓縮模量時,明顯低估了分布較深土層的壓縮模量,故E1-2法的計算沉降值明顯大于e-p曲線法,并且壓縮層厚度越大,E1-2法誤差也越大,故計算深厚地層沉降值時,不宜采用E1-2法確定壓縮模量。

(3)在采用E1-2法計算淺薄地層地基沉降值時,經過沉降計算經驗系數ψs修正后的計算沉降值與實測值相比誤差基本可以控制在30%以內,故計算淺薄地層地基沉降時,為簡化計算,可以采用E1-2法確定土層壓縮模量。

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Comparison of Methods for Calculating Ground Soil Compression Modulus of High-speed Railway

LI Xiang
(Qinghai Communications Technical College,Xining 810003,China)

12 test sections from Wuhan-Guangzhou passenger railway line and 4 sections from Beijing-Shanghai high-speed railway are selected to master the method for calculation of ground soil compression modulus in high-speed railway composite foundation.Based on the embankment design data and foundation treatments,both method and e-p curve method are used to ascertain the nature soil compression modulus.Moreover,the foundation settlement is calculated and comparison of the calculated settlement is conducted with the actual settlement.The results show that for the shallow strata,the error of the method is less than 10%compared with e-p curve method when the embankment height is slightly larger than 5 meters(less than 7.5 meters),while the error is increased as the embankment height decreases when the height is less than 5 meters,but it's less than 30%;method may be used to replace _e-p curve method to simplify the calculation in the shallow strata;the calculated settlement with methodis obviously larger that of e-p curve method in the deep strata,the difference of the two methods is increased as the compression thickness increases,so method is not recommended to calculate the settlement of deep strata.

High-speed railway;Foundation settlement;method;e～p curve method;Compression modulus

U238;U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.008

1004-2954(2014)12-0031-05

2014-04-02;

2014-04-21

李 想(1986—),男,工程師,E-mail:1027634073@qq.com。