濕陷性黃土區客運專線車站工后不均勻沉降初探

田霄峰，羅會武，陳培帥

濕陷性黃土區客運專線車站工后不均勻沉降初探

田霄峰1，羅會武2，陳培帥2

(1.中交二航局六分公司，湖北 武漢 430040；2.中交二航局技術中心，湖北 武漢 430040）

結合現場監測數據和地質勘察資料，對具有一定坡度和深厚填土區域地基處理失效的原因進行了探討。得到如下結論：（1）在黃土地區地面沉降可分為4個階段即增長期、平穩期、加速期、以及最終穩定期，黃土的沉陷是造成沉降再次加速的原因。建議黃土地區沉降監測應該予以加長，以確定最終的穩定期。（2）黃土的沉陷不僅使地表發生不均勻沉降，也會改變黃土區樁基的力學性質，造成樁基下部土體的變形。單純依賴樁的剛度來控制結構變形是存在風險的，也應該控制樁側土體變形。（3）在具有坡度的黃土區域，地面標高較低的一側土體膠結作用較弱，且該區域承擔更大的上部填土荷載，這是導致地面標高低的區域發生更大變形的原因。

工后沉降;濕陷性黃土;不均勻填土;沉降控制

過去鐵路路基工程設計主要滿足強度指標，路基工后沉降量控制標準為30～50 cm，由于控制標準低，所以在黃土地區修建鐵路時，對濕陷性黃土地基處理的情況不多。現階段高速鐵路在黃土地區得到了迅猛發展，而高速鐵路對路基及相關設施有較為苛刻的沉降要求，這導致大量地基需要被處理。由于缺乏相關經驗，近年來廣大工程師和學者在這方面做出了諸多探究性工作。徐實[1]長時間觀測灰土擠密樁處理后黃土路基的工后沉降量，找出黃土路基工后沉降規律，為黃土地基處理措施的選擇提供借鑒。黃雪峰[2]論述了大厚度自重濕陷性黃土地基處理的原則并探討了大厚度自重濕陷性黃土地基整片處理、局部處理及多種處理方法的優缺點及適用性。張戎令[3]著重對不同水灰比和漿材摻量的黃土進行試驗，確定出合理漿液配合比，并將其應用到實際工程中，同時用不同檢測方法對比，分析注漿效果。齊靜靜[4]分析了自重濕陷性黃土浸水過程中樁側負摩阻力的變化規律及濕陷變形對基樁豎向承載力性能的影響。朱彥鵬[5]認為樁周土體沉降速率變化對樁身軸力改變影響并不大，對樁負摩阻力的改變影響較小，中性點位置變化很小，而不影響負摩阻力的極限值。李金平[6]歸納出柱錘沖擴樁復合地基的荷載傳遞機理，得出適當提高樁體和褥墊層的彈性模量可以有效的提高復合地基的承載力及復合地基中樁-土荷載分擔比，減小復合地基沉降量。王長丹[7]得到了濕陷過程主要分為顯著濕陷變形階段、濕陷穩定變形階段以及水位下降后土體的固結變形階段。柳墩利[8]提出了路堤的沉降主要體現為地基沉降，而地基沉降主要體現為下臥層沉降的觀點，對孔內深層強夯法進入了深入研究。王應銘[9]確定了濕陷性黃土地基處理原則，取得的成果對工程運用具有借鑒意義。雖然對黃土區域路基沉降控制有了比較豐富的研究成果。但是由于地質條件和地層的不確定性使得這些研究成果在工程上的運用具有一定的局域性，特別是本工程原始地貌具有一定坡度且為填土深厚的路基。本文重點分析了該工程地基處理失效的原因，旨在減少類似工程地基處理失效的發生，從而減少不必要的工程投資。

1 地質情況概述

工點范圍內分布第四系全新統沖積黏質黃土及上更新統風積黏質黃土、粉質黏土、粉土、砂層、角礫土、圓礫土、卵石土，其地層剖面示意圖如圖1所示。

該站場地基不滿足規范要求，對其進行了處理：在地基表面鋪設摻加6%水泥的改良土墊層0.5 m厚。緊接著是采用水泥土擠密樁處理，其中加固I區樁徑0.4 m，樁間距1.0 m，樁長8 m，正三角形布置；加固II區樁徑0.4 m，樁間距1.0 m，樁長6 m，正三角形布置；加固III區采用的是預鉆孔柱錘沖擴樁，樁徑0.6 m，樁間距1.2 m，樁長12 m，正三角形布置。站臺雨棚立柱基礎采用泥漿護壁機械鉆孔灌注樁，樁徑為0.6 m。在3#站臺和4#站臺之間的軌道為不停站軌道，采用的是樁板結構基礎。

2 沉降監測

該車站運行一段時間后發現不均勻沉降。為探究該站臺沉降發展趨勢，對該站臺進行了沉降監測。測點布置：站臺（不含雨棚柱）布點150個，雨棚柱布點30個，蓋板溝布點25個，接觸網支柱基礎布點48個，軌道左軌55個，地道40個，探坑布點2個，各測點累積沉降量三維視圖如下圖2所示。

結合地質橫斷面可以看出：在1#站臺和2#站臺附近沉降量最大，在5#站臺附近沉降量次之，在樁板結構附近的3#站臺和4#站臺沉降量較小。在樁板結構上的4條不停站的軌道，沉降基本達到穩定，且工后沉降量小于15 mm，滿足車輛運行需要。而對停站的軌道，沉降量較大不滿足使用要求。這種現象說明了該車站樁板結構的地基處理方式是成功的，而處理深度較淺的地基最終沉降量較大，是失效的。

圖1 地層剖面圖Fig.1 Vertical stratigraphic section

圖2 各測點累積沉降量三維視圖Fig.2 the The three-dimensional view of accumulate settlement of each the measuring points accumulate settlement

本文不僅關注了沉降的相對值的大小，也需要了解沉降是否穩定。整理沉降量與時間關系曲線得到沉降速率，并認為沉降速率小于0.04 mm/d為穩定，不需要進行處理。當沉降速率大于0.04 mm/d，應對地基進行整治。整理各結構段測點的最大沉降量及沉降速率如表1所示。

對于已完工的條狀建筑物，由于其跨度較大，為衡量該建筑物沉降的狀態，采用沉降速率超過穩定值的測點數及其所占總測點數的比例作為參考指標，統計其比例如表2所示。

雖然統計測點數及其所占總測點數的比例不能反映整體建筑物的不均勻沉降，但在一定程度上反映了建筑物的整體沉降。由上表數據可知，人行通道各測點沉降趨于穩定，現已停止觀測。累積沉降量最大的點為1#站臺面點T03-5，沉降量為41.20 mm，累積沉降速率為0.15 mm/d。站臺1及站臺2沉降未穩定點的比例最大。沉降未穩定點共有100個點，占總觀測點比例為31.5%。以上數據表明站臺的沉降還在繼續，需要進行整治。

3 沉降原因分析

工后沉降主要指最終沉降與運營前沉降之間的差值。無砟軌道路基竣工運營期若發生沉降，只能依靠扣件的調高能力使鋼軌向上抬高，扣件的抬高量是有限的，不允許超過15 mm，因此要求工后沉降不宜小于15 mm[9]。為了突出重點，本文主要分析站臺1以及雨棚柱產生沉降以及差異性沉降的原因。

表1 各位置測點累積沉降結果一覽表Tab.1 The cumulative settlement of the each measured points in each position

表2 沉降監測各位置測點穩定性統計一覽表Tab.2 The stability of the each measured points in each position

3.1 站臺1沉降分析

重點監測了1#站臺的沉降，選取1#站臺具有代表性的測點沉降與時間的關系曲線，如圖3所示。

圖3 1#站臺代表性測點沉降量與時間的關系曲線Fig.3 The settlement versus time cCurves of the representative measuring points settlement with time in the 1# platform

可以看出1#站臺的地表沉降大致分為四個階段，首先自開始監測的2015年7月10號起沉降速率較快，為第一階段；然后沉降速率減慢，為第二階段；在2015年9月以后沉降速率快速增長，為第三階段；在2016年3月以后沉降速率再次減慢，為第四階段。為了便于分析將其沉降曲線簡化為四段直線，其斜率依次為：0.16、0.021、0.144、0.057 mm/d。在第一階段和第二階段為路基的正常壓密沉降，在第三階段沉降速率突然增加，黃土的濕陷性能較好的解釋這種現象。而實際上也可以證明黃土地基的確發生了沉降。樁的剛度較大，樁的沉降主要由樁端土的變形而引起的，不考慮樁自身的變形。以此為根據，選取具有代表性的雨棚樁基測點的沉降值來反演發生沉降的土層的范圍。雨棚樁基最大沉降量為18 0 mm，平均為100 mm，現按100 mm沉降量反算樁底附加應力進而反算中性點位置。沉降計算公式為：

由力的平衡可知：

帶入相關參數可以得到中性點埋深為14.14 m。即地面至埋深14.14 m之間土體沉降速率要大于樁身的沉降速率，而地基處理的深度在加固III區也只有12 m，即黃土地基發生了較大的變形。研究表明施工期間地基處理深度范圍內的壓縮沉降量小于地基處理深度處的沉降量[8]。所以本文可以做出如下鑒定：本工程的路基工程以及其地基處理施工工藝是滿足要求的，其沉降值大約為第二階段結束時的4 mm。未處理的深部地基發生了較大沉陷，到目前為止約為27 mm。

圖4 剖面沉降圖Fig.4 The section settlement

本文也探究了1#站臺沉降較大的原因。整理到2016年4月5號截止分析剖面沉降累積量如圖4所示。沉降監測的結果表明1#站臺的沉降量和不均勻沉降程度都要大于5#站臺。其原因為：原始地貌的地勢大約在沿里程增大的方向逐漸變低，車站的5#站臺一側的地勢要高于1#站臺一側，人工填土從5.67 m增長至12.96 m，在地基處理的過程中雖然按照統一標準施工，但是由于先期固結壓力不一樣，黃土之間孔隙結構存在較大的差別，導致處理后地基土的力學特性也存在較大差異。其次為大厚度的填土所引起的沉降。填土在此處即是承擔上部結構荷載的土體，又是下部黃土的荷載。1#站臺處的黃土地基在自然沉積的過程中，土體之間的膠結力沒有同一標高的5#站臺處的黃土地基強，而黃土是結構性較強的特殊土，在附加荷載作用下，黃土結構性逐漸破壞，貫通的剪切帶形成，土體沿著剪切帶滑移，即沉降速率增大。該站臺路基土方施工過程受雨季影響，部分路基填料含水量偏高，站內排水系統受路基沉降影響，導致部分排水系統失效，地表水的下滲最終造成了1#地基的濕陷，這是黃土地基沉降的又一主要原因。

3.2 雨棚柱沉降分析

雨棚柱長度為31.1 m，為端承摩擦樁，該樁穿透黃土層，著力于圓粗礫土。本文也監測了1#站臺雨棚柱的沉降，目的在于反映深層土體的變化，其測點沉降與時間的關系曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出雨棚柱的沉降也是分為四個階段，首先自開始監測的2015年7月10號起沉降速率較快，為第一階段；然后沉降速率減慢，為第二階段；在2015年9月以后沉降速率快速增長，為第三階段；在2016年3月以后沉降速率再次減慢，為第四階段。與1#站臺相比可以看出雨棚柱的沉降在第三階段，存在較大的差異，在第三階段時雨棚柱最初以較小的速率增加，隨后速率增大。隨著埋深的增加，圍壓逐漸變大，土體被壓密，其抵抗變形能力也要強于表層土，故最終埋深較大的土體其沉降曲線要緩于表層土體。所以雨棚柱的力學特性在2015年11月份左右發生了變化。為說明問題，本位整理了1#站臺和雨棚柱的沉降簡化曲線如圖6所示。

圖5 雨棚柱沉降量與時間的關系曲線Fig.5 The settlement versus time Curves curves of the settlement with time in the canopy column

圖6 1#站臺和雨棚柱的沉降簡化曲線示意圖Fig.6 The simplified settlement curve of the 1# platform and the canopy column

沉降的發生主要由兩部分組成：一部分由土顆粒之間的孔隙被壓縮而發生沉降，另一部分由土顆粒之間的滑移而產生沉降[10]。結構性、非飽和性和濕陷性是濕陷性黃土三個主要特性，結構性的破壞是引起黃土有較大沉降的主要原因[11]。黃土碳酸鹽的膠結作用構成了黃土較強的結構強度和特殊粒狀架空結構體系，這使得在天然狀態下黃土表現出的強度很高，孔隙比較大。但是當膠結作用失去之后，結構強度破壞，土體自重壓力下即使地面荷載不變土體沉陷。如圖6所示，在第三階段，地表的沉降速率大于雨棚的沉降速率，負摩阻力產生，這使得雨棚柱的沉降速率增大，在此過程中伴隨著黃土的結構性逐漸損傷，在2015年11月份，黃土的結構性損傷達到臨界值，其抵抗荷載的能力突然喪失，造成較大規模的黃土沉降速率大于雨棚柱的沉降，負摩阻力大量產生，當樁側有利的摩擦力變成不利的負摩阻力時，樁端土體就發生了較大變形，其沉降速率再次增加，形成圖6的形式。所以單純的依賴樁的剛度來控制結構變形是存在風險的，應該嚴格控制樁側黃土地基抵抗變形的能力。

4 解決方案探討

從以上的分析可以看出黃土地基的沉陷是此站臺發生不均勻沉降的主要原因。而地基處理深度不夠是黃土地基沉陷的主要原因。目前處理黃土地基沉陷具體方式也很多，歸納起來其原理[12-13]總共有如下4種：(1)消除全部的地基黃土層濕陷性，處理埋深一般在15 m以內。(2)消除部分的地基黃土層濕陷性，根據構筑物的重要性及分類，限定最小處理厚度，嚴格控制剩余濕陷量。(3)基礎穿透濕陷性黃土層，傳力于非濕陷性土層或可靠的持力層上，常用方法就是樁基。(4)充分做好構筑物基礎的防水、排水措施，使基礎下濕陷性黃土地基無法浸水，以達到避免地基濕陷的目的。可以看出，1#站臺地基處理深度為12 m，地基處理深度有待加深。在施工技術和經濟上有較大困難，可以考慮應力的擴散或地基整片處理，即加強處理后地基之間的協調性也可以擴大地基處理的范圍。由于該站臺已經正常運營，為保證該站臺正常工作，不影響旅客外出，本次整治方案不計成本，采用高效的高壓旋噴樁技術。

5 結論

1）黃土地區地面沉降可分為4個階段，即增長期、平穩期、加速期、以及最終穩定期。黃土的沉陷是造成沉降再次加速的原因。建議黃土地區沉降監測應該予以加長，以確定建筑物是否處于穩定狀態。

2）黃土的沉陷不僅使地表發生不均勻沉降，也會改變黃土區樁基的力學性質，造成更大埋深土體的變形，單純的依賴樁的剛度來控制結構變形是存在風險的，也應該控制樁側土體變形。對于類似工程在施工技術和經濟上有較大困難，可以考慮將應力擴散或地基整片處理。

3）在具有坡度的黃土區域，同一標高地層土體具有不同的孔隙結構和土體強度，深厚填土對基礎以下較深地基會產生較大的附加應力，在這兩種作用下地面標高低的區域會發生更大的變形。減少黃土結構性的損傷或者減少土顆粒之間的孔隙比是減小黃土區域類似工程質量缺陷的關鍵。

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[13] GB50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

（責任編輯 王利君）

Discussion on differential settlement of the station of passenger dedicated line in collapsible loess zone

TIAN Xiaofeng1，LUO Huiwu2，CHEN Peishuai2

(1. No.6 Eng. Co., Ltd. of CCCC Second Harbor Engineering Co., Ltd., 430040, China; 2. Technology Center of CCCC Second Harbor Engineering Co Ltd，Wuhan 430040，China)

The reason of the failure of foundation treatment in a certain slope and deep artificial fill area is investigated by analyzing the site investigation and the settlement observation. The useful conclusions can be drawn： (1) the settlement in collapsible loess zone can be divided into 4 stages： the growth period, the stable period, the acceleration period and the last stable period. The increase of the rate of the ground subsidence is caused by the collapse of loess soil. The settlement observation time is suggested to be longer to assure the settlemen t of the construction in the last stable period.（2）the collapse of loess soil not only cause the differential ground subsidence, but also change the mechanical characteristics of pile foundation. Only relying on the stiffness of pile foundation to control the displacements of structure is dangerous, but the deformation of soil near the pile foundation should be considered as well. (3)When the foundation of the construction is in a certain slope, the cementation of soil grains in a low height is weaker than those in a high height, which causes the low area deforming largely.

post-construction settlement；collapsible loess；uneven deep f ill soil；settlement control

TU4

A

1673-9469（2017）01-0024-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.006

2016-09-13

國家自然科學基金面上基金項目（51379200）

田霄峰（1984-），男，湖北武漢人，碩士，副總工，從事道路橋梁方面的研究。