某客貨共線鐵路深厚松軟土地基物理力學特性分析

孟偉超

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

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某客貨共線鐵路深厚松軟土地基物理力學特性分析

孟偉超

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

深厚松軟土地層在我國西北、東北及華北地區普遍存在，高速鐵路修建過程中此類地層的地基處理方案選取對工程的可靠性和經濟性影響顯著。對東北地區某客貨共線鐵路的典型深厚松軟土地層進行詳細的物理力學特性分析，為確定適宜的地基處理措施提供依據。

深厚松軟土 物理力學特性 靜力觸探 地基沉降

某新建200 km/h的客貨共線鐵路位于松花江右岸沖洪積平原及小興安嶺低山丘陵區。線路起點至DK111+000范圍內地基表層普遍分布松軟土地層，厚度2.0～23.6 m，此類深厚松軟土地層在華北、東北及西北地區普遍存在。近年來，高速鐵路的修建使得其工程適用性越來越受到關注，相應地基處理方案的選取，既要考慮路基的沉降及穩定性要求，同時也要考慮造價問題[1]。

1 工程地質概況

選取代表性段落DK45+800～DK45+900里程范圍布置鉆探孔和靜力觸探孔。本段地層為表覆第四系上更新統沖洪積層(Q3al+pl)粉質黏土，局部有黏土、中砂、粗砂、細圓礫土等薄夾層或透鏡體，土層厚度約32.7～37.7 m，下伏白堊系下統(K1)泥巖、砂巖、礫巖，工程地質縱斷面如圖1所示。

地層：粉質黏土，灰褐色—黃褐色，土質不均，含鐵錳質氧化物，流塑σ0=80 kPa，軟塑σ0=100～150 kPa，硬塑σ0=160～180 kPa；黏土，灰褐色，含少量銹斑及鐵錳質氧化物，成分以黏粒為主，土質均勻，軟塑σ0=140 kPa，硬塑σ0=180 kPa；中砂和粗砂，灰褐色，中密，飽和，成分以石英、長石為主，含少量黏性土，中砂σ0=250 kPa，粗砂σ0=300 kPa。鉆孔土對混凝土結構具氯鹽侵蝕性、鹽類結晶侵蝕性，環境作用等級L1、Y2。

地下水：第四系孔隙潛水，主要由大氣降水補給，勘測期間地下水埋深4.70～7.80 m(高程168.47～172.20 m)，水位變幅2～3 m。地下水對混凝土結構具酸性侵蝕性，環境作用等級H1。

土壤最大凍結深度為2.02 m。

地震動峰值加速度0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。

圖1 工程地質縱斷面

2 地基土分層

對鉆探所得原狀土樣測定其含水率、天然密度、顆粒密度、孔隙比、飽和度、界限含水率、固結快剪的內摩擦角和黏聚力等物理力學指標[2]。其中，液性指數是土體的重要指標，可反映地層的承載力和穩定性等工程特性，將液性指數IL沿深度的變化繪于圖2。從圖2中可以看出，表層2 m左右內的土體液性指數在0.15～0.50之間，為硬塑；2～20 m范圍內土體的液性指數IL多數在0.45～0.80之間，大部分為軟塑；20～23 m范圍內為粗粒土夾層；23～27 m范圍內土體的液性指數IL在0.20～0.55之間，多為硬塑狀態；27 m以下土體的液性指數IL在0～0.30之間，為硬塑。

圖2 液性指數隨地基深度的散點分布

可見，表層2 m范圍內土層相對下部土體而言為一硬殼層[3]；2～20 m范圍內土體含水率較大，土體較軟；23 m以下均為硬塑土。根據土體的液性指數，將松軟土地層大致分成四層，第一層為0～2 m，第二層為2～20 m，第三層為23～27 m，第四層為27 m以下，其中，20～23 m為中砂、粗砂和細圓礫土組成的粗粒土夾層。根據分層情況，對每層的物理力學指標進行后續統計分析。

3 地基土物理力學性質

3.1 地基土物理性質

表1為松軟土各地層物理指標統計標準值的數據匯總。

表1 地基土物理指標標準值匯總

由表1中數據可知，除表層的硬殼層土體之外，其下各地層的物理特性指標與地基深度均呈規律性變化；其中，高飽和度是東北地區松軟土的一個顯著特點[4]。

3.2 地基土力學性質

表2為松軟土各地層力學指標統計標準值的數據匯總。

表2 地基土力學指標標準值匯總

由表2中數據可知，除表層的硬殼層土體之外，其下各地層的力學特性指標與地基深度均呈規律性變化；其中，固結系數和滲透系數普遍低于常規經驗值[5]，除了地基土本身特性之外，不排除取樣擾動的影響[6]。

表3為根據靜力觸探錐尖阻力計算壓縮模量的數據。對比可發現，靜力觸探數據估算的壓縮模量大于室內壓縮試驗的測定值。一方面的原因在于原位測試避免了取樣擾動和應力釋放的影響[7]；另一方面，靜力觸探在地基深部測試時穿越了粗粒土層，可能導致該層以下黏性土層數據測試值偏大。

表3 黏性土壓縮模量靜力觸探數據估算

圖3為試驗段補勘鉆孔試樣所測自重應力、先期固結壓力和超固結比OCR隨地基深度的變化曲線。

從圖3中可以看出，地基土的先期固結壓力分布在100～300 kPa范圍，先期固結壓力在地基淺層稍偏大，隨深度增加略衰減；在地基0～15.0 m范圍處于輕微的超固結狀態，15.0～30.0 m近似處于正常固結狀態，30.0 m以下有輕微的欠固結性。考慮到應力釋放效應和深層取樣的擾動，可以認為深層地基土同樣處于正常固結狀態。

4 沉降檢算及地基處理

選取4個典型斷面，根據鉆孔原位取樣的試驗數據對其地基沉降進行檢算。本線為客貨共線鐵路，檢算時附自比取值0.15，常規路基地段工后沉降控制值取150 mm，路橋過渡段取80 mm。同時，對該段地基采用CFG樁加固條件下的沉降進行驗算，具體樁徑為0.5 m，樁間距2.0 m，加固深度較淺，分別為7.7 m和8.7 m。加固前后的地基沉降數據對比見表4。

圖3 超固結比、自重應力和先期固結壓力變化曲線

可以發現，在天然地基條件下，本段松軟土地基工后沉降均大于150 mm的設計限值，經過CFG樁加固處理后，7.7 m加固深度的地基工后沉降均小于150 mm，8.7 m加固深度的地基工后沉降小于80 mm的過渡段限值。加固后的工后沉降減小比例在43%～72%范圍，淺層加固即可起到很好的效果。由工后沉降的減小比例可知，加固前地基軟弱層越明顯，加固后的改善效果越顯著(鉆孔14-SYZD-004地下4.0～7.0 m發現軟土夾層)。

表4 采用CFG樁加固前后地基沉降數據對比

5 結論

綜合各項物理力學指標可知，本段深厚松軟土地層土屬于高飽和低液限粉質黏土[8、9]，地表存在約2 m厚的硬殼層，地下2～20 m深度范圍內多為軟塑狀態，其余為硬塑狀態，各地層物理指標除硬殼層外均隨地基深度呈規律性變化。

深厚松軟土地層多為黏性土，此類地層的淺表部位出現硬殼層是一個普遍現象。

厚度較大松軟黏性土地層的固結系數和滲透系數普遍低于常規經驗值，說明此類地層作為地基土時的沉降變形發展較為緩慢。

地基原位測試所得壓縮模量數值要大于室內試驗的結果，但在地基深部測試時，二者均存在一定的偏差，室內試驗的結果一般偏小，用于沉降計算時會偏于保守和安全。

深厚松軟土地層中上部容易出現輕微的超固結現象，中下部為正常固結狀態；超固結是一個相對值概念，測試的人為誤差較大，OCR>1不一定意味著淺層地基的良好承載能力。

本段地基在天然地基條件下，工后沉降難以滿足客貨共線及以上級別鐵路的修建要求，經過7.7～8.7 m深度的CFG樁淺層加固后，工后沉降減小比例在43%～72%，均滿足150 mm和80 mm的客貨共線鐵路工后沉降設計標準。

[1] 楊國朋，江志安，李衛華.晉中某鐵路松軟土路基地基處理試驗研究[J].鐵道勘察，2012(1)：28-32

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB 10102—2010鐵路工程土工試驗規程[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[3] 沈偉升.滬寧城際鐵路軟土地基工程特性及加固技術[J].鐵道勘察，2005(4)：43-46

[4] 龍禮斌.張呼和吉琿客運專線鐵路黏性土地基物理力學特性試驗研究[D].成都：西南交通大學，2013

[5] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊：第四版[M].北京：建筑工業出版社，2007

[6] 鄧永鋒，劉松玉，季署月.取樣擾動對固結系數的影響研究[J].巖土力學，2007，28(12)：2687-2690

[7] 高大釗，張少欽，姜安龍，等.取樣擾動對土的工程性質指標影響的試驗研究[J].工程勘察，2006(3)：6-10

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB 10077—2001鐵路工程巖土分類標準[S].北京：中國鐵道出版社，2001

[9] 中華人民共和國建設部.GB 50021—2001巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社出版，2009

Analysis of Deep Soft Soil Physical Mechanics Properties along a Certain Mixed Passenger and Freight Railway

MENG Weichao

2016-09-28

孟偉超(1989—)，男，2015年畢業于西南交通大學道路與鐵道工程專業，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0070-03

P642.1

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