鄭徐客運專線深厚層黏性土地基沉降預測分析

李春紅

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

為保證軌道的平順性和高速行車安全，高速鐵路對線下工程工后沉降有極其嚴格的控制標準，路基穩定和工后沉降等已成為在軟土地基上進行高速鐵路建設的關鍵技術問題，相關研究也越來越受到人們的關注［1-3］。目前軟土路基的沉降計算主要有理論分析、現場試驗和數值模擬等方法:理論分析方法較難全面考慮復雜工況下路基的實際受力特性;現場試驗方法較為真實可靠真，但所需費用較為較高、周期較長，且實際操作過程中易受現場條件的制約;數值模擬方法具有可重復性經濟性的特點，并且研究結果可根據實際情況進行動態調整，研究結果較為可靠，成本較為低廉，是一種有效而可靠的研究手段［3-5］。因此，采用有限元數值模擬方法對鄭徐客運專線DK319路基工點的沉降特性進行了分析，得出了一些有益的結論。

1 工程概況

鄭徐客運專線位于黃淮沖積平原區，沿線廣為厚層或巨厚層的第四系地層覆蓋，厚度最大超過400m。全線表層的軟土和松軟土厚度巨大，正線采用無砟軌道，路基工程工后沉降容許值為15 mm，工后沉降控制極為困難。

DK319路基工點分布厚層松軟土，地層軟弱，地基承載力較低。表層Q4地層厚達48～65m，以松軟的黏性土為主，其中:上部為流塑—軟塑的粉質黏土地層，層厚9.0～15.0m，Es=2.44～5.90 MPa，σ0=70～130 kPa，屬高壓縮性土;其下為可塑—硬塑的粉質黏土，層厚17.5～35.8m，Es=6.0～13.2 MPa，σ0=150～170 kPa。該層多為中壓縮性土。其下為力學特性相對較好的Q3地層。設計的地基加固方案為管樁，樁長35m，樁徑0.4m，間距2.0m，正方形布置。

2 分析模型及參數

數值分析采用Plaxis有限元程序。分析時將地基簡化為復合地基形式，按平面應變問題進行分析。根據對稱原理，分析模型取路基的半幅建立數值分析模型，如圖1所示。其中模型橫向寬80m、豎向寬120m。邊界條件為:頂面為自由表面，兩邊為橫向約束，底面為固定約束。

按照復合地基原理，將樁基加固區看做一個整體的復合地基，數值分析所采用的復合地基變形模量Esp按照下式計算

式中:Ep為樁基的壓縮模量，Es為加固區土體的壓縮模量，m為樁土置換率。分析時以超空隙水壓小于1.0 kPa為固結完成條件。

圖1 有限元分析模型

分析時土層及路基材料參數，根據室內土工試驗、現場試驗成果確定，復合地基參數按照公式(1)計算確定，見表1。

表1 力學參數取值

3 軟土路基工后沉降影響因素分析

3.1 滲透系數及堆載時間的影響

復合地基滲透系數的基準值取為kV=5×10－4、kH=4 ×10－4m/d，按基準值的1/4、1/2、1.0、2.0、4.0、8.0倍共計六種方案進行計算，求得在路堤自重、堆載3個月、堆載6個月三種工況下(其他參數按照表1取值，堆載高度按3m考慮)，路堤最終沉降量以及達到工后沉降控制標準的時間，計算結果見表2。

表2 工后沉降到達控制標準所需時間 d

分析可知:①隨著滲透系數的增加，土體完成固結沉降所需的時間逐漸減小，達到工后沉降控制標準所需的時間也逐漸減小，路堤填筑完成6個月后時沉降量逐漸增大;這是由于隨著滲透系數越大，土中水的滲流速度越快，土體固結沉降的速度也相應加大所致。②堆載預壓作用可有效加快土體固結沉降的完成，堆載時間越長，同樣的時間內固結完成率相應增大，土體沉降較大。③與沒有施加車輛荷載的工況相比，施加車輛荷載后，路堤固結完成后的總沉降量增大了21 mm，達到工后沉降15 mm的控制標準，所需時間也相應增加了3個月以上。④在荷載條件相同時，在不同的工況下，路堤固結完成后的總沉降量幾乎不變，可見路堤固結完成后的總沉降量，受地基所承受荷載大小和形式的影響，與滲透系數的大小沒有關系。

3.2 樁長的影響

按照樁長14m、19m、24m、29m、34m、39m 共計六種方案計算，研究樁長對工后沉降達標時間的影響，堆載擺放時間按6個月考慮，其他參數按照表1取值。分析得到不同樁長下路堤最終沉降及達到沉降控制標準所需的時間，如表3所示。

表3 樁長對路堤沉降的影響

分析可知:①隨著樁長的增加，復合地基加固范圍逐漸增大，地基固結沉降的完成時間逐漸減小，達到沉降控制標準的時間也逐漸減小。②隨著樁長的增加，最終固結沉降量逐漸減小。③隨著樁長的增加，在相同時間內，預先施加的堆載作用下地基沉降量逐漸減小，但所占最終沉降量的比例逐漸增大，卸載時基地的反彈量也隨之有所減小。

4 計算結果分析

(1)不考慮堆載工況下:總沉降為176 mm，路堤填筑完成時，發生的沉降為120 mm，剩余沉降為56 mm;擺放3個月時沉降達143 mm，剩余沉降為33 mm;擺放6個月時沉降達156 mm，剩余沉降為20 mm;擺放15個月時，可達到工后沉降控制標準，剩余沉降約為12 mm。

(2)考慮堆載時間3個月:總沉降為179 mm;路堤填筑完成時，發生的沉降約為120 mm，剩余沉降為59 mm;施加堆載后，沉降約為139 mm，剩余沉降有40 mm;擺放3個月后，沉降達到165 mm，剩余沉降僅有14 mm，但是當卸除堆載后，產生了約12 mm的回彈變形，導致路堤沉降恢復到153 mm，剩余沉降約為26 mm;之后再擺放3個月時(共擺放6個月)，沉降可達161 mm，剩余沉降為18 mm。之后再擺放6個月時(共擺放9個月)，沉降達到165 mm，剩余沉降14 mm，達到工后沉降控制標準。

(3)考慮堆載時間6個月:總沉降為186 mm，路堤填筑完成時，發生的沉降為120 mm，剩余沉降為58 mm;施加堆載后，沉降約為139 mm，剩余沉降有39 mm;擺放6個月后沉降達到179 mm，固結沉降幾乎完成，但是卸除堆載時，產生約13 mm的回彈變形，路堤沉降恢復到166 mm，剩余沉降約12 mm。可見堆載預壓施加6個月，可以在很大程度上加快土體固結變形，減小工后沉降量。

5 結論

通過以上分析，得到以下結論:

(1)在路堤荷載作用下，黏性土地基固結沉降的完成時間受滲透系數的顯著影響，選擇合理的滲透系數是進行路堤工后沉降預測的關鍵。

(2)堆載預壓可加快土體固結沉降的完成，堆載時間越長，同樣的時間內固結完成率相應增大，土體沉降較大，路堤達到工后沉降控制標準的時間也越短。

(3)隨著樁長的增加，復合地基加固區域增大，地基固結沉降的完成時間逐漸減小，達到沉降控制標準的時間也逐漸減小，最終固結沉降量逐漸減小。

(4)在設計樁基礎條件下，DK319工點在不考慮堆載、考慮堆載3個月、考慮堆載6個月三種工況下，達到工后沉降控制標準分別需要15個月、9個月、6個月的時間。工程實施過程中，可根據實際情況選堆載預壓方式。

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