石武高鐵黃淮平原區粉質土特性試驗研究

陳遠洪

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

石武高鐵黃淮平原區粉質土特性試驗研究

陳遠洪

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要：石武鐵路為按車速350 km/h無碴軌道設計的高速鐵路，工程技術標準高，對變形要求極為嚴格.深厚層粉質土性質較差、變形控制尤為困難，提供可靠的粉質土地質參數是實現該類地基上路基和橋涵工程高標準沉降控制的基礎，對設計和施工起著重要的指導作用.采用土工試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、載荷試驗等多種方法進行綜合勘探測試，試驗研究黃淮平原區粉質土特性，準確獲得其特征參數和變化規律，得到粉質土壓縮模量與標貫擊數的關系曲線，掌握粉質土單橋靜力觸探與雙橋靜力觸探的關系特征，分析粉質土載荷試驗、標準貫入試驗及靜力觸探試驗測試承載力的差異，確定準確求取粉質土承載力的經濟實用方法.

關鍵詞：高速鐵路；粉質土特性；沉降；綜合勘探測試

陳遠洪(1975- )：男，碩士，高級工程師，主要研究領域為道路與橋梁工程

0引言

石武高鐵鄭武段約300km穿越黃淮沖積平原，主要由路基和橋涵構成，沿線廣泛分布深厚第四系地層，厚100～300m，主要由粉土、粉質黏土組成，屬粉質土地基，這種土介于無粘性土與粘性土之間[1]，粘粒含量較少，塑性指數小，飽水性強，性質差，具壓縮性，對工程較為不利.石武鐵路為按車速350km/h無碴軌道設計的高速鐵路，工程技術標準高，對變形要求極為嚴格[2]，路基和橋梁鋪軌后允許沉降僅為15～20mm[3-4]，路基、橋涵等組成的基礎設施的平順性和穩定性是確保高速行車安全、平穩、舒適的前提條件[5].深厚層粉質土性質較差、變形控制尤為困難，提供可靠的粉質土地質參數是實現該類地基上路基和橋涵工程高標準沉降控制的基礎，同時對設計和施工起著重要的指導作用.為此，本文采用土工試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、載荷試驗等多種勘探測試手段方法，通過綜合比較和驗證分析，研究黃淮平原區粉質土特性，確定其特征參數和變化規律.

1試驗工點概況

代表性試驗工點分別設于許昌和駐馬店，試驗工點均屬黃淮平原區，地勢平坦開闊，出露第四系沖洪積厚層粉質土，地下水主要為第四系孔隙潛水和弱承壓水，地下水埋深2～3m.

許昌試驗工點地層分為6個主要層次：(1)2-1第四系全新統Q4粉質黏土，褐黃色間有灰白色，軟塑，夾雜2%～10%姜石，粒徑5～20mm，層厚2.45～11.30m；(2)2-2第四系全新統Q4粉質黏土，黃褐色及褐黃色，硬塑，層厚2.50～14.50m； (3)4-2 第四系全新統Q4粉土，灰黃色及褐黃色為主，局部為淺灰色，潮濕～飽和，稍密，局部地段夾雜薄層粉質黏土及少量細小鈣質結核，層厚1.95～8.50m；(4)4-3 第四系全新統Q4粉土，灰黃色及褐黃色為主，飽和，中密，局部地段夾雜薄層粉質黏土及少量細小鈣質結核，層厚3.9～11.5m；(5)1-4 第四系上更新統Q3粉質黏土，局部夾薄層粉土，灰黃間棕黃色，硬塑，局部夾有姜石，分布不均勻，層厚3.55～36.20m；(6)4-4 第四系上更新統Q3粉土，灰黃色及褐黃色為主，飽和，密實，層厚3.40～20.15m.

駐馬店試驗工點地層分為3個主要層次：(1)1-4 第四系上更新統Q3粉質黏土，灰褐～黃褐色，軟塑，層厚約5.00～8.80m；(2)1-6 第四系上更新統Q3粉質黏土，褐黃～淺黃色，硬塑，可見有針狀孔隙，含有灰黑色鐵錳質斑點及結核，夾有灰綠色條帶，層厚12.20～28.50m；(3)1-8 第四系上更新統Q3粉質黏土，褐黃、淺黃色，硬塑，可見有針狀孔隙，含有灰黑色鐵錳質斑點及結核，夾有灰綠色斑點，層厚1.00～36.00m.

2粉質土特性綜合測試分析

2.1土工試驗成果分析

1) 強度指標試驗通過室內剪切試驗發現，在豎向壓力作用下粉質土較之黏性土易于排水固結、強度提高較快，盡管粉質土與砂土有著相似的破壞應力水平和整體應力發展趨勢，但粉質土的體積收縮性顯著高于砂土的體積收縮性.通過剔除異常值，強度指標變異系數較小，一般不超過0.25，表明強度指標具有較好的統計特性，地基土層性質較為均勻，具有良好的沉積特征和成層性，粉質土強度指標取用標準值，見表1.

表1　粉質土強度指標

2)變形指標試驗.土層變形指標變異系數一般不超過0.21，地基土層性質較為均勻，粉質土變形指標取用平均值，見表2.粉質土壓縮系數處于0.13～0.32之間，屬中等壓縮性土.由考慮應力歷史的粉質土e-lgp試驗及表2可知，在初始階段，當壓力小于前期固結壓力時，曲線斜率相對平緩；壓力超過超過某一值(前期固結壓力)后，曲線變陡，Q3粉質土要陡于Q4粉質土；回彈再壓縮曲線明顯緩于初始壓縮曲線，回彈變形遠小于壓縮變形，回填變形不到壓縮變形的1/10.

表2　粉質土變形指標

2.2標準貫入試驗成果分析

根據文獻[6]，粉質土層標貫擊數變異系數較小，一般不超過0.26，表明標貫擊數具有較好的統計特性，標貫擊數取用標準值，標貫擊數按《工程地質手冊》換算承載力，標準貫入試驗粉質土層標貫擊數及換算承載力見表3.

表3　粉質土標準貫入試驗指標

根據對試驗測試的163組壓縮模量與標貫擊數數據進行統計擬和分析，各粉質土地基壓縮模量與標貫擊數具有良好的相關性，隨著標貫擊數增加，壓縮模量相應增大，呈線性相關，相關系數達0.98，見圖1，粉質土壓縮模量與標貫擊數相關公式為：Es=0.26N+3.13.

2.3靜力觸探試驗成果分析

粉質土層靜力觸探值變異系數較小，一般不超過0.3，取用粉質土層靜力觸探標準值見表4.由表4可知，對粉質黏土層，單橋探頭的比貫入阻力(Ps)與雙橋探頭的錐尖阻力(qc)相比，比值為1.1～1.3，與規范的經驗值1.1較為吻合[7]，說明規范公式對粉質黏土是適用的；對粉土層，二者比值則為2.0～2.1，可取粉土層二者比值為2.0.

圖1　粉質土壓縮模量與標貫擊數的關系曲線

工點項目單橋比貫入阻力ps/MPa雙橋錐尖阻力qc/MPa雙橋側壁阻力Fs/kPa比值ps/qc壓縮模量Es/MPa許昌駐馬店 (1)2-2Q4粉質黏土1.21.131.51.15.9 (1)2-3Q4粉質黏土2.42311.29 (1)4-2Q4粉土2.41.129.42.16.1 (1)4-3Q4粉土3.91.9115.7211.4(2)1-4Q3粉質黏土1.891.4457.131.38.3(2)1-6Q3粉質黏土3.933.43150.81.116.5

2.4載荷試驗成果分析

圖2　許昌粉土載荷試驗曲線

許昌表層粉土代表性載荷試驗曲線見圖2，圖上沒有明顯的第一拐點和第二拐點，經雙曲線擬合相關系數較高，計算得到載荷試驗參數：承載力σo=130 kPa，極限承載力pu=625kPa，變形模量Eo=4.05MPa，壓縮模量Es=5.42MPa，基床系數Ksa=5.00MPa/m，基準基床系數K1=16.39MPa/m.壓縮模量Es約為變形模量E0的1.3倍，和粉土經驗取值約1.2較為接近，驗證了經驗方法也適合于該粉質土層.許昌表層粉土層載荷試驗測得的承載力為130 kPa，靜力觸探法測得的粉土地基承載力為136 kPa，標準貫入試驗測定的粉土地基承載力為120 kPa，三者基本相同，均能很好地反映土體承載特性，故表層粉土承載力取130 kPa.

圖3　駐馬店粉質粘土載荷試驗曲線

駐馬店表層粉質粘土代表性載荷試驗曲線見圖3，圖上沒有明顯的第一拐點和第二拐點，經雙曲線擬合相關系數較高，計算得到載荷試驗參數：承載力σo=220 kPa，極限承載力pu=963kPa，變形模量E0=17.62MPa，壓縮模量Es=28.28MPa，基床系數Ksa=22.57MPa/m，基準基床系數K1=74.03MPa/m.壓縮模量Es約為變形模量E0的1.6倍，和粉質黏土經驗取值約1.7較為接近，驗證了經驗方法也適合于該粉質土層.駐馬店表層粉質黏土載荷試驗測得的承載力為220kPa，靜力觸探法測得的粉土地基承載力為207kPa，標準貫入試驗測定的粉土地基承載力為165kPa，前二者較為接近，均能較好地反映土體承載特性，而標準貫入試驗換算承載力與之相差較大、不宜采用，故表層粉質黏土承載力取220kPa.

載荷試驗是確定承載力最準確直觀的方法，但技術要求高、耗資大、費時費力[8]，靜力觸探法作為簡便、經濟而快速的方法，建議在沒有載荷試驗或者少量載荷試驗的情況下，可多采用靜力觸探法確定粉質土地基承載力，使得載荷試驗與靜力觸探法互為對比和補充.

3結論

1) 土體工程地質特性測試是工程建設的基礎工作，通過取樣土工試驗、靜力觸探試驗、標準貫入試驗、載荷試驗等綜合勘探測試和對比驗證，準確獲取了粉質土特性參數.

2) 粉質土地基壓縮模量與標貫擊數具有良好的相關性，相關公式為：Es=0.26N+3.13.

3) 對于粉質黏土層，單橋靜力觸探的貫入阻力與雙橋靜力觸探的錐尖阻力比值與規范的經驗值1.1較為吻合；對于粉土層，二者比值則為2.0.

4) 與載荷試驗結果相比，粉土標準貫入試驗換算承載力與之基本吻合、可作為參考，而粉質黏土標準貫入試驗換算承載力與之相差較大、不宜采用.

5) 許昌表層粉土層及駐馬店表層粉質黏土層載荷試驗測得的承載力與靜力觸探法測試值基本相同，能較好地反映土體承載特性.載荷試驗耗費大，在沒有載荷試驗或者少量載荷試驗的情況下，可多采用靜力觸探法確定粉質土地基承載力，使得載荷試驗與靜力觸探法互為對比和補充.

參 考 文 獻

[1]鐵道部第一勘探設計院.TB10012-2001鐵路工程地質勘察規范[S]．北京：中國鐵道出版社，2007．

[2]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.TB10621-2009高速鐵路設計規范(試行)[S]．北京：中國鐵道出版社，2010.

[3]中華人民共和國鐵道部.客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[4]陳善雄，宋劍，周全能，等.高速鐵路沉降變形觀測評估理論與實踐[M].北京:中國鐵道出版社，2010.

[5]鐵道第四勘察設計院.TB10035-2002鐵路特殊路基設計規范[S]．北京：中國鐵道出版社，2006．

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50021-2001巖土工程勘察規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2009 .

[7]鐵道第四勘察設計院.TB10018-2003 鐵路工程地質原位測試規程[S]．北京：中國鐵道出版社，2003.

[8]FRANKEE，KLUBERE.Pilesgroupunderhorizontalload[J].Bouingnieur，1989，64：19-26．

中圖法分類號：U238

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.051

收稿日期：2014-00-00

ExperimentalStudyonSiltySoilCharacteristicsof
SiwuHigh-speedRailwayintheHuanghuaiPlain

CHENYuanhong

(China Railway Fourth Survey and Design Institute Group CO., LTD, Wuhan 4300063, China)

Abstract：Shiwu high-speed railway is running at the speed of 350km/h according to ballastless track designed, the technical standard of engineering is high, the deformation requirements are extremely strict, the properties of deep layer of silty soil are poor and deformation control is particularly difficult, providing the reliable geological parameters of silty soil is the foundation to realize the high standard settlement control of the roadbed and bridge and culvert engineering in this ground, and the role is important to direct the design and construction of the engineering. Comprehensive exploration test has been developped by multiple methods of soil test, standard penetration test, the static cone penetration test, and load test, it has been tested and studied on silty soil characteristics in the Huang Huai plain, the characteristic parameters and variation rules have been exactly obtained, silty soil relation curve between compression modulus and standard penetration test number has been obtained, relationship characteristic between single bridge cone penetration test and double bridges cone penetration test has been mastered, analyzing the difference of silty soil bearing capacity by measurements of load test and standard penetration test and static cone penetration test, the economic and practical method has been deterimined to obtain the exact bearing capacity of silty soil.

Key words：high-speed railway； silty soil characteristics； settlement； comprehensive exploration test