基于深孔載荷板試驗的高速鐵路路基工后沉降計算方法

于基寧（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安　710043）

基于深孔載荷板試驗的高速鐵路路基工后沉降計算方法

于基寧
（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安710043）

高速鐵路路基工程對工后沉降控制嚴格，由工后沉降超限引起的工程風險責任巨大，因此尋找更為合理、準確的工后沉降計算方法成為亟需研究的重要課題。本文提出了一種測試深層土體壓縮性質(zhì)及承載特征的試驗方法，應用該方法可快速、準確地完成工程地基原位土體壓縮特性測試。在利用該方法對寶蘭客運專線典型路基工點進行測試的基礎上，歸納總結出了高速鐵路路基工后沉降計算新方法。新方法引入含時間參量的壓縮模量，即非飽和土工后沉降計算時考慮了時間的影響，使工后沉降計算結果更準確地反映工程實際。

高速鐵路；工后沉降；深孔載荷板；沉降計算

1　概述

高速鐵路路基工程設計對路基沉降要求極高，要求無砟軌道路基工后沉降不宜超過15 mm，與橋隧相連區(qū)的差異沉降不應大于5 mm。傳統(tǒng)的以室內(nèi)側限壓縮試驗結合分層總和法的工后沉降設計理論已不能滿足工程需求，探尋新的工后沉降分析方法成為一個新的研究熱點。主要有2個研究方向：①從工程原理出發(fā)探尋更合理的分析模型及理論；②研究如何獲取準確的計算分析參數(shù)。后者更為重要。在工程設計之初獲取準確的、符合土體應力狀態(tài)的變形參數(shù)，對于地基沉降控制至關重要，直接影響工程的投資及安全。

本文從研究測試地基原位變形參數(shù)入手，研制了新型便攜式的孔內(nèi)載荷板試驗裝置。該裝置可快速完成不同深度孔內(nèi)載荷板試驗，從而獲得工后沉降所需的土體原位壓縮變形參數(shù)。根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對非飽和土工后沉降進行了詳細的分析，提出與時間相關的壓縮模量，能夠更為合理準確地評價路基工程工后沉降。

2　現(xiàn)場試驗

試驗場地選在新建寶蘭客專天水南車站的路基工程中，區(qū)內(nèi)涉及地層包括第四系上更新統(tǒng)風積、沖積黏質(zhì)黃土。風積砂質(zhì)黃土廣泛分布于表層，厚25～30 m，具有Ⅳ級濕陷性。沖積黏質(zhì)黃土廣泛分布于風積黏質(zhì)黃土下部，土體較緊密。風積層土天然密度在1.4～1.7 g/cm3，含水率14% ～18%，液限27% ～34%，塑限17% ～20%。沖積層黃土天然密度在1.70～1.85 g/cm3。試驗土層典型顆分曲線見圖1，干密度隨深度變化趨勢見圖2。

圖1　試驗土層顆分曲線

圖2　干密度隨深度變化趨勢

試驗中采用自行研制的便攜式深孔載荷板試驗裝置。該裝置由反力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成，見圖3。設備總高2.1 m，總質(zhì)量158 kg，可采用機械吊裝方式放入試驗孔內(nèi)。其反力系統(tǒng)由充氣橡膠囊組成，膨脹后作用于固定孔壁上，為試驗系統(tǒng)提供支撐反力。位移量測基準梁獨立于加載系統(tǒng)并與孔壁連接從而保持絕對靜止。所有試驗動作均在孔底完成，大幅提高了深孔載荷板試驗精度與可靠度，有較高的工作效率，是深層地基土原位壓縮試驗的一種可靠、高效的試驗方法。

圖3　便攜式深孔載荷板試驗裝置組成

3　深層土原位壓縮模量研究

壓縮模量（變形模量）是工程沉降分析中至關重要的計算參數(shù)。工程中常用側限壓縮試驗測試土體在側限應力狀態(tài)下的側限壓縮模量 ES。該方法受土樣擾動、測試條件等因素限制試驗結果與實際存在偏差，運用于高速鐵路時所帶來的誤差不可忽略。在地基沉降分析中采用載荷板試驗獲取地基壓縮參數(shù)是較合理的方法，但非飽和土與無黏性土的變形模量受約束應力影響很大，地基中E值常隨深度的增加而增大，載荷板面積較小，受壓層深度有限，測得的 E值只反映載荷板下較淺范圍內(nèi)土的變形模量。理想的做法是在地面下不同深度開展載荷試驗。

利用便攜式深孔載荷試驗裝置進行測試，得到的試驗場地地面下5 m處的沉降壓縮曲線見圖4。加載范圍100～500 kPa，總沉降量為44.89 mm。根據(jù)壓縮曲線分析可獲得該層土體壓縮模量。通過對不同深度進行測試即可獲得沉降設計所需的原位土體壓縮模量。

進行深層載荷板試驗時，荷載作用在半無限體內(nèi)部，因此依據(jù)Boussinesq公式所推導的淺層載荷板試驗壓縮模量計算方法并不適用。隨著試驗深度增加，其誤差會很大。目前深孔載荷板試驗應用實例較少，試驗資料的整理也基本沿用淺層載荷板試驗的方法。理論上孔內(nèi)原位土變形模量應與載荷板形狀、大小、測試深度、土體性質(zhì)等因素相關。根據(jù)Mindlin解，垂直荷載作用于地基內(nèi)部一點所引起的土的彈性變形wi計算公式為

圖4　地面下5 m處的沉降壓縮曲線

式中：G為土的剪切模量；P為荷載；μ為土的泊松比；R1，R2分別為集中力作用點及其地面鏡像點距擬求位移點的距離。

由式（1）可得深層圓形載荷板板底中心的變形w為

進而得到地基土變形模量為

式中：d為載荷板直徑。

依據(jù)測試數(shù)據(jù)，由式（3）可獲得地面下不同深度土體的原位壓縮模量 Ei。上式與側限壓縮模量公式相比由于增加了土體泊松比這一參量其計算結果更接近實際。

依據(jù)室內(nèi)壓縮試驗數(shù)據(jù)，場地內(nèi)土層側限壓縮模量ES1-2隨深度h的變化關系為

在5 m深度處土體的側限壓縮模量是5.37 MPa，且試驗數(shù)據(jù)離散化嚴重。當泊松比為0.23時，依據(jù)式（3）計算同一點位土體壓縮模量為3.04 MPa，當泊松比取0時則為2.75 MPa。由此可知原位土體壓縮模量與室內(nèi)側限壓縮模量的差異巨大。

4　工后沉降計算方法

由于試驗條件限制，通過室內(nèi)側限壓縮試驗計算壓縮模量時考慮了壓縮過程中土體孔隙總體變化。采用該測試參數(shù)對非飽和土進行沉降分析時無法區(qū)分施工過程中的瞬時沉降與工后沉降。一般在計算總沉降的基礎上對工后沉降進行折減，或者采用預測理論對工后沉降作趨勢預判。這給工程設計分析帶來較大誤差。

非飽和土地基沉降主要發(fā)生在荷載加載初期。在非飽和土區(qū)修建的高速鐵路路基大部分沉降發(fā)生在施工期間。嚴格意義上的工后沉降是壓縮層內(nèi)的土體顆粒及骨架在荷載長期作用下的一個緩慢調(diào)整過程，因此非飽和土的工后沉降分析中應引入時間參量，該參量與非飽和土的土水特征曲線以及非飽和土孔隙水壓、氣壓變化相關。該方面的理論尚處于研究階段，目前難應用于工程實際。

工程應用中現(xiàn)場試驗能夠最大程度地反映地基土的受力變形狀況。深孔載荷板試驗能反映不同深度土體的受力變形狀況，依據(jù)試驗資料可以清晰判別在荷載作用下土體沉降的不同階段。

單級荷載（荷載從100 kPa增加至200 kPa）作用下5 m埋深處的沉降變形曲線見圖5（a）。可見，90%以上的沉降量發(fā)生在加載初期OA段，此階段稱為瞬時沉降階段；隨后進入過渡段AB段，此階段沉降速率逐漸降低，沉降變形趨于穩(wěn)定；之后進入緩慢沉降變形階段BC段，此階段沉降速率變化逐漸減小，受荷土體進入長期調(diào)整狀態(tài)。依據(jù)高速鐵路規(guī)范要求，鐵路路基工后沉降是指路基工程施工結束鋪軌以后在運營期的總沉降量，工后沉降過程應屬于BC段的緩慢變形階段，見圖5（b），不能包含 OA和 AB 2段的沉降量。這與側限壓縮試驗有本質(zhì)的區(qū)別。

當?shù)鼗猎诤奢d作用下進入緩慢沉降變形階段，其沉降量隨時間變化。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，沉降量隨時間的變化近似成對數(shù)曲線關系。當從 t1增加至 t2時其對應的工后沉降量增量Δs為

式中：a為深孔載荷板試驗參數(shù)。

工后沉降分析中，含有時間參量的地基土變形模量為

圖5　單級荷載作用下5 m埋深處的沉降變形曲線

式中：I0為載荷板形狀系數(shù)，Kh為試驗深度修正系數(shù)，I0，Kh的綜合取值應由式（3）獲得。

采用深孔載荷試驗可測試出不同深度的工后變形模量Et1，t2，確定 OA，AB，BC各沉降階段起止時間，然后根據(jù)施工進度結合沉降分析的分層總和法即可獲得任意時間段內(nèi)高速鐵路路基的工后沉降量。根據(jù)圖5所示的試驗數(shù)據(jù)，5 m深處的點在200 kPa壓力作用下，從加載第2天起至加載第30天止的沉降量經(jīng)計算是0.4 mm。

試驗資料顯示一般非飽和土地基的工后沉降變形模量都較大，間接解釋了為何許多工程工后沉降實測數(shù)據(jù)非常小而設計計算數(shù)據(jù)較大。本文所采用的方法為高速鐵路路基工后沉降分析理論提供了一個發(fā)展方向，但該方法仍處于初步研究階段，尚待進一步的試驗研究。

5　結論

1）便攜式深孔載荷板裝置能夠快速、準確地測試地基深層土體的受力變形特征與土體實際受力狀態(tài)。

2）基于 Mindlin位移解，給出了通過深孔載荷板試驗計算壓縮模量的方法。試驗對比表明計算結果與室內(nèi)側限壓縮模量有著較大區(qū)別。

3）依據(jù)深孔載荷板試驗數(shù)據(jù)，對非飽和地基土沉降變形各個階段進行了區(qū)分，指出高速鐵路工后沉降分析中不應考慮瞬時沉降及過渡段沉降的影響。

4）提出了含有時間變量的工后沉降土體變形模量計算公式與高速鐵路路基工后沉降新計算方法。該方法尚需進一步研究與驗證。

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（責任審編李付軍）

Calculation Method of Subsidence of High Speed Railway Completed Subgrade Based on Deep Hole Loading Plate Test

YU Jining
（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

T he subgrade subsidence after construction of high speed railway is strictly controlled.Because the engineering risk caused by excessive subsidence after construction is huge，to find a more accurate and reasonable subsidence calculation method has become an important issue that needs to be researched.A test method was proposed to test the compressive properties and bearing characteristics of deep soil.T he method can quickly and accurately complete soil compressive properties tests in situ.Based on the application of the test method in Baoji-Lanzhou passenger dedicated railway，a new calculation method of subgrade subsidence after construction of high speed railway was put forward.T he parameter of time was introduced to calculate soil compression modulus，that is，the influence of time was considered in the calculation method of subgrade subsidence after construction for nonsaturated soils.T herefore its calculation results were expected to be more appropriate to actual situation.

High speed railway；Subsidence after construction；Deep hole loading plate test；Subsidence calculation

于基寧（1976— ），男，高級工程師，博士。

U213.1+57

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.20

1003-1995（2016）07-0080-04

2015-10-12；

2016-03-17

鐵道部科技研究開發(fā)計劃（2010G018-B-4）