鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降計算方法的探討

高繼濤, 丁兆鋒

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降計算方法的探討

高繼濤, 丁兆鋒

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

目前國內(nèi)規(guī)范對鹽漬土天然地基溶陷沉降計算有明確的規(guī)定，但對于經(jīng)有粘結(jié)性的樁基加固后的鹽漬土地基，其溶陷變形計算尚無明確規(guī)定，也未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)文獻提及，如何計算經(jīng)樁基加固后的鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降是擺在設(shè)計者面前的一個難題。文章基于溶陷變形前后碎石墊層體積不變、鐵路路基溶陷沉降視為整體均勻沉降等假設(shè)條件推導(dǎo)出了樁頂不設(shè)置樁帽和樁頂設(shè)置樁帽兩種情況下的路基溶陷沉降的計算公式，明確了路基溶陷沉降量與樁直徑、樁帽直徑或邊長以及樁間距的辯證關(guān)系，并針對某高速鐵路鹽漬土地基工點給出了算例，上述成果可以為設(shè)計者提供參考。

鹽漬土地基； 鐵路路基； 樁基加固； 溶陷沉降

鹽漬土是指易溶鹽含量較高，具有溶陷、鹽脹特性的土。修建在鹽漬土地基上的鐵路路基應(yīng)充分考慮地基溶陷性對鐵路路基沉降的影響。我國西北地區(qū)鹽漬土分布較廣，普速鹽漬土鐵路路基在鹽漬土地基上填筑時，通常采用抬高路堤填高、設(shè)置隔斷層等以防為主的治理措施，或采用挖除換填、強夯、碎石擠密樁(散體材料)等以降低鹽漬土地基溶陷性為主的地基加固措施。

高速鐵路路基在鹽漬土地基上填筑時，由于其沉降控制要求嚴格，普速鐵路采取的治理措施很難滿足其設(shè)計要求，通常需要采用有粘結(jié)強度的樁基，如CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔灌注樁等，進行地基加固。目前國內(nèi)規(guī)范對鹽漬土天然地基溶陷沉降計算有明確的規(guī)定，但對于經(jīng)有粘結(jié)強度的樁基加固后的鹽漬土地基，其溶陷變形計算尚無明確規(guī)定，也未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)文獻提及，如何計算加固后的鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降是擺在設(shè)計者面前的一個難題。

1 溶陷沉降計算方法

1.1 鹽漬土天然地基溶陷沉降

根據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》4.2.5條，鹽漬土天然地基溶陷沉降按下式計算：

(1)

式中:Srx為鹽漬土地基溶陷量(mm)；δrxi為第i層鹽漬土的溶陷系數(shù)，根據(jù)試驗確定；n為鹽漬土地基可能產(chǎn)生溶陷的土層層數(shù)；hi為第i層鹽漬土土層的厚度(mm)。

修建在鹽漬土天然地基上的鐵路路基，其工后沉降應(yīng)計入鹽漬土地基溶陷沉降量，此時工后沉降可按下式計算：

(2)

1.2 加固的鹽漬土地基溶陷沉降

1.2.1 樁頂設(shè)置碎石墊層時

鹽漬土地基經(jīng)有粘結(jié)強度的樁基加固后，且樁頂設(shè)置碎石墊層時，樁間鹽漬土溶陷沉降將引起路基沉降增加。為了便于計算，忽略一些不必要的細節(jié)，基于一定的假設(shè)條件，建立簡化的計算模型(圖1)。

圖1 溶陷沉降示意

基于的假設(shè)條件如下：

(1)樁間土溶陷空間被樁頂墊層土體填充，變形前后碎石墊層的體積不變。

(2)路基溶陷沉降視為整體均勻沉降。

基于以上假設(shè)條件，可推導(dǎo)得出樁頂設(shè)置碎石墊層時，路基溶陷沉降計算公式：

(3)

式中：Smax為路基溶陷沉降量(mm);d為樁身直徑(m)；Se為等效樁間距，等邊三角形布樁時Se=1.05S，正方形布樁Se=1.13S；Srx為樁間鹽漬土溶陷量(mm)，按式(1)計算確定。

式(3)表明，路基溶陷沉降除與天然地基溶陷沉降量有關(guān)外，還與樁身直徑以及樁間距有關(guān)，樁身直徑越大，樁間距越小，路基溶陷沉降量越小。

此時，路基工后總沉降可按下式計算：

(4)

1.2.2 樁頂設(shè)置樁帽及碎石墊層時

鹽漬土地基經(jīng)有粘結(jié)強度的樁基加固后，且樁頂設(shè)置樁帽及碎石墊層時，樁帽及樁間鹽漬土溶陷沉降將引起路基沉降增加。為了便于計算，忽略一些不必要的細節(jié)，基于一定的假設(shè)條件，建立簡化的計算模型(圖2)。

圖2 有樁帽溶陷沉降示意

假設(shè)條件如下：

(1)樁間土溶陷空間被樁頂墊層土體填充，變形前后碎石墊層的體積不變。

(2)路基溶陷沉降視為整體均勻沉降。

(3)樁帽底土體脫空后，忽略樁帽間的土體對其填充作用。

基于以上假設(shè)條件，可推導(dǎo)得出樁頂設(shè)置樁帽及碎石墊層時，路基溶陷沉降計算公式：

(5)

式中：a為三角形布樁時，采用圓形樁帽，a為樁帽直徑；正方形布樁時，采用正方形樁帽，a為樁帽邊長(m)；se為等效樁間距，正方形布樁時，Se=S，三角形布樁時Se=1.05S。Srx為樁間鹽漬土溶陷量(mm)，按式(1)計算確定。式(5)表明，路基溶陷沉降除與天然地基溶陷沉降量有關(guān)外，還與與樁帽直徑或邊長以及樁間距有關(guān)，樁帽直徑或邊長越大，樁間距越小，路基溶陷沉降越小。

2 算例

某時速300km有砟軌道雙線鐵路路基，從干枯的鹽湖通過，鹽湖土層中含有鹽的結(jié)晶，特別是表層0.3～0.6m為鹽殼，鹽漬土屬亞硫酸鹽、亞氯鹽～氯鹽漬土，鹽漬化程度中等～強。地表廣泛分布該層，厚度大于70m。地下水位于地表以下3m，穩(wěn)定水位變化幅度為±2m。段內(nèi)表層土為粉質(zhì)黏土和松軟土，根據(jù)溶陷試驗粉質(zhì)黏土的溶陷系數(shù)為0.021，雨水浸潤影響土層厚度為4.5m。

本段鹽漬土路基擬采用CFG樁基進行地基加固，如圖3所示，CFG樁直徑為0.6m，樁間距1.6m，正方形布置，樁頂設(shè)置0.5m厚碎石墊層或設(shè)置邊長為1m的正方形樁帽及0.5m厚碎石墊層。假設(shè)不考慮路基溶陷沉降時，路基工后沉降為28mm，分別求解樁頂設(shè)置碎石墊層或樁頂設(shè)置樁帽及碎石墊層時，該段路基工后總沉降。

圖3 典型斷面示意

2.1 樁頂設(shè)置碎石墊層時

樁頂不設(shè)置樁帽時，溶陷沉降計算方法參見1.2.1，溶陷土層厚度取為1.581m。

(1)天然地基溶陷沉降：

(2)路基溶陷沉降：

(3)路基工后總沉降：

2.2 樁頂設(shè)置樁帽及碎石墊層時

樁頂設(shè)置樁帽時，溶陷沉降計算方法參見1.2.2節(jié)。

(1)路基溶陷沉降：

(2)路基工后總沉降：

通過計算表明，CFG樁頂僅設(shè)置碎石墊層時，路基工后總沉降(容許值為50mm)不滿足設(shè)計要求，樁頂設(shè)置樁帽及墊層時，路基工后總沉降滿足設(shè)計要求。可見，樁頂設(shè)置樁帽可有效地減小鹽漬土地基路基溶陷沉降。

3 結(jié)束語

鹽漬土地基上修建高速鐵路路基時，路基工后總沉降應(yīng)計入路基溶陷沉降，普速鐵路采用的加固處理措施很難滿足高速鐵路工后沉降要求，應(yīng)采用有粘結(jié)強度的樁基對鹽漬土地基進行加固。目前國內(nèi)規(guī)范對鹽漬土天然地基溶陷沉降計算有明確的規(guī)定，但對于經(jīng)有粘結(jié)強度的樁基加固后的鹽漬土地基，其溶陷變形計算尚無明確規(guī)定，也未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)文獻提及，此時，如何計算路基溶陷沉降是一個難題。

本文基于溶陷變形前后碎石墊層體積不變、路基溶陷沉降視為整體均勻沉降等假設(shè)條件推導(dǎo)出了樁頂設(shè)置墊層和樁頂設(shè)置樁帽及墊層兩種情況下的鹽漬土地基溶陷變形的計算公式，上述計算公式原理簡單，使用方便。根據(jù)路基溶陷沉降計算公式以及算例計算結(jié)果可知，鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降量與樁直徑、樁帽直徑或邊長以及樁間距有關(guān)，樁直徑越大、樁帽直徑或邊長越大，樁間距越小，路基溶陷沉降量越小。因此當(dāng)路基工后總沉降不滿足設(shè)計要求時，可通過加大樁直徑、樁帽直徑或邊長，減小樁間距的方式來減小路基溶陷沉降量。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50942-2014鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2014：13-14.

[2] 中國石油天然氣集團公司.SY/T0317-2012鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012：11-13.

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[6] 賴天文.內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)鐵路路基的CFG樁復(fù)合地基試驗研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

高繼濤(1981～)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事路基工程設(shè)計工作。

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[定稿日期]2016-12-01