某高速鐵路動(dòng)車(chē)段地基處理沉降研究分析

韓竹青

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

不良地質(zhì)條件造成的沉降問(wèn)題給高速鐵路路基的穩(wěn)定造成了較大影響。當(dāng)高鐵工程通過(guò)沿海、湖泊等地區(qū)時(shí)，對(duì)淤泥質(zhì)軟土的地基處理就顯得十分重要。

在國(guó)內(nèi)，張麗娟等[1]結(jié)合廣州南沙泰山石化倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)1期淤泥質(zhì)地基處理工程，基于沉降觀測(cè)結(jié)果，認(rèn)為填土預(yù)壓和塑料排水板的地基加固效果明顯。薛元等[2]通過(guò)對(duì)滇池附近淤泥質(zhì)土地基處理工程的穩(wěn)定及沉降簡(jiǎn)算，認(rèn)為采用水泥土攪拌樁處理可行。王志偉等[3]采用數(shù)值模擬分析，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力管樁對(duì)處理含水量較高的深厚軟土地基效果顯著。當(dāng)一項(xiàng)工程中對(duì)沉降有不同要求時(shí)，應(yīng)對(duì)各種地基處理效果進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋x擇最優(yōu)處理方案。以下結(jié)合某境外高速鐵路動(dòng)車(chē)段的工程實(shí)際需求，根據(jù)其工程地質(zhì)概況，通過(guò)沉降計(jì)算，對(duì)幾種常見(jiàn)的地基處理形式進(jìn)行分析探討，為類(lèi)似地質(zhì)條件下的高鐵地基處理工程提供設(shè)計(jì)理論依據(jù)。

圖1 動(dòng)車(chē)段平面及鉆孔布置

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

某境外鐵路為設(shè)計(jì)速度250 km/h的客貨共線(xiàn)鐵路，動(dòng)車(chē)段范圍對(duì)應(yīng)正線(xiàn)里程DK37-DK42，動(dòng)車(chē)段內(nèi)股道路基填高5.0 m，路基邊坡坡率為1∶1.75，場(chǎng)坪區(qū)域填高4.5～5.5 m。該動(dòng)車(chē)段按沉降控制要求劃分為三個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖1)，各區(qū)域的工后沉降要求分別為區(qū)域Ⅰ控制在300 mm以?xún)?nèi)，區(qū)域Ⅱ控制在15 mm以?xún)?nèi)、區(qū)域Ⅲ控制在400 mm以?xún)?nèi)。

1.2 地質(zhì)概況

該動(dòng)車(chē)段地處沖海積平原地帶，地形平坦開(kāi)闊，河渠密布，地下水類(lèi)型為第四系孔隙潛水，主要靠大氣降水和地表水系直接補(bǔ)給，地下水徑流排泄不暢，勘測(cè)期間地下水水位埋深0.4～2.3 m(高程-0.34～1.69 m)，水位變幅2.0～3.0 m。

根據(jù)勘探揭示，地層自上而下為第四系全新統(tǒng)人工堆積層素填土；第四系全新統(tǒng)沖海積層淤泥、黏土；第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土、粉質(zhì)黏土；第四系更新統(tǒng)沖洪積層黏性土、砂類(lèi)土、細(xì)圓礫土。

1.3 特殊地層物理力學(xué)性質(zhì)

選取鉆孔BKBH-022、BKBH-113、BKBH-112的地質(zhì)資料分別作為區(qū)域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的代表性物理力學(xué)指標(biāo)。

1-1'及2-2'的地質(zhì)縱斷面分別見(jiàn)圖2、圖3。第①層素填土以粉質(zhì)黏土為主，場(chǎng)地表層普遍分布，層厚0.4～3.0 m，土質(zhì)不均，固結(jié)程度較差；第②層黏土為硬塑，褐黃色，含20%細(xì)砂；第③層淤泥呈灰褐色，流塑；第④層黏土為硬塑，褐黃色，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。對(duì)于本工程影響較大的為第③層淤泥層，天然孔隙比e=1.349～2.693，天然含水率w=51.6%～98.5%，天然重度γ=14.6～17.0 kN/m3，黏聚力C=6.6～15.8 kPa，內(nèi)摩擦角φ=0.8°～4.9°，有機(jī)質(zhì)含量5.07%～9.02%，淤泥層在場(chǎng)地表層普遍分布，層厚3.7～12.1 m，工程性質(zhì)差。

按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)，對(duì)各鉆孔的原狀土樣進(jìn)行基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)[4]。各區(qū)域需加固土層的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1～表3。

表1 第②層黏土物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 1-1'地質(zhì)縱斷面

圖3 2-2'地質(zhì)縱斷面

表2 第③層淤泥物理力學(xué)指標(biāo)

表3 第④層黏土物理力學(xué)指標(biāo)

由表1可知，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ表層黏土的含水率較低，壓縮系數(shù)基本處于0.1～0.5 MPa-1之間，屬于中低壓縮性土[5]；區(qū)域Ⅲ黏土層含水率及壓縮系數(shù)都偏高，原因在于該區(qū)域表層黏土較薄，鉆孔取樣深度正好處于黏土層和淤泥層交界處。由表2可知，淤泥層含水率偏高，壓縮系數(shù)在2.0 MPa-1左右，屬于高壓縮性土。從表3可看出，下層黏土層含水率偏低，壓縮系數(shù)在0.2 MPa-1左右，屬于中低壓縮性土。

各區(qū)域土體壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得e-p曲線(xiàn)如圖4、圖5、圖6，經(jīng)對(duì)比可見(jiàn)，除區(qū)域Ⅲ表層黏土較其他兩塊區(qū)域的孔隙比差別較大外，各區(qū)域淤泥層的e-p曲線(xiàn)吻合程度較高。圖5中，淤泥層e-p曲線(xiàn)較陡，印證了淤泥層壓縮性較高的力學(xué)性質(zhì)；圖4中，區(qū)域Ⅲ黏土層壓縮性較區(qū)域Ⅰ、Ⅱ偏高，原因可能在于該區(qū)域淤泥層較厚，含水量過(guò)大，對(duì)上下土層均產(chǎn)生影響所致。

圖4 第②層黏土e-p曲線(xiàn)

圖5 第③層淤泥e-p曲線(xiàn)

圖6 第④層黏土e-p曲線(xiàn)

2 地基處理方法

鐵路工程中常用的地基處理方法有很多種，如換填墊層、沖擊碾壓、強(qiáng)夯、袋裝砂井、塑料排水板以及各類(lèi)樁結(jié)構(gòu)等。根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)[6]，當(dāng)?shù)鼗闆r為淤泥及流塑狀淤泥質(zhì)土?xí)r，適用的主流地基處理方法為換填墊層、預(yù)制管樁、塑料排水板、水泥土攪拌樁以及樁筏(板)結(jié)構(gòu)等。

2.1 換填墊層

換填墊層法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理[6]，換填墊層的厚度一般根據(jù)置換軟弱土的深度以及下臥土層的承載力確定，厚度宜為0.5～3.0 m。

2.2 塑料排水板

塑料排水板排水固結(jié)法適用于含水量大、壓縮性高、強(qiáng)度低、透水性差的軟弱土層。其原理為:將塑料排水板插入地基中，采用超載預(yù)壓或真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓，使地基土中的孔隙水排出，將預(yù)壓加固的附加應(yīng)力轉(zhuǎn)化為土的有效應(yīng)力[7]，使地基土漸漸固結(jié)，從而提高地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2.3 水泥土攪拌樁

水泥土攪拌樁適用于淤泥、淤泥質(zhì)土等飽和黏性土地基，該方法利用水泥等材料作為固化劑，經(jīng)過(guò)攪拌使地基中的軟土和固化劑產(chǎn)生反應(yīng)，使軟土成為具有整體性、水穩(wěn)定性的水泥加固土[8]，從而提高地基的強(qiáng)度，減小工后沉降。

2.4 預(yù)應(yīng)力管樁

對(duì)于深厚層軟土地基，當(dāng)常用的排水固結(jié)法、復(fù)合地基法無(wú)法滿(mǎn)足工后沉降要求時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力管樁為主的地基處理措施[9]。

3 地基處理沉降計(jì)算及分析

選用分層總和法計(jì)算地基工后殘余沉降。這種方法計(jì)算參數(shù)易取得，且在工程中廣泛應(yīng)用，計(jì)算參數(shù)采用壓縮試驗(yàn)資料所得的e-p曲線(xiàn)和e-lg p曲線(xiàn)。

e-p曲線(xiàn)法:根據(jù)相應(yīng)地層所處壓力段范圍的孔隙比變化量，乘以地層計(jì)算厚度，直接換算得到該地層沉降量，然后進(jìn)行總和計(jì)算。所采用的是壓縮試驗(yàn)得到的最直接數(shù)據(jù)，不存在二次推導(dǎo)和其它指標(biāo)估算，是該地層土體壓力與變形特性的直接反應(yīng)[10-11]。

e-lg p曲線(xiàn)法:在計(jì)算地基沉降過(guò)程中，除了孔隙比指標(biāo)外，對(duì)于欠固結(jié)和正常固結(jié)土，需要引入先期固結(jié)壓力Pc和壓縮指數(shù)Cc(這兩個(gè)指標(biāo)通過(guò)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)推演得到)；對(duì)于超固結(jié)土地層，還要進(jìn)一步引入回彈指數(shù)Cs，以充分考慮其超固結(jié)性和應(yīng)力歷史對(duì)地層的強(qiáng)化作用[12]，避免所得沉降量偏大的現(xiàn)象。

本動(dòng)車(chē)段的地基沉降計(jì)算采用e-p曲線(xiàn)而非elg p的原因在于以下兩個(gè)方面:

(1)依據(jù)高壓固結(jié)試驗(yàn)e-lg p計(jì)算Pc的Casagrande法[13]屬于一種經(jīng)驗(yàn)性作圖法，雖然應(yīng)用多年，但其存在的誤差性已經(jīng)在既有工程中大量地反映出來(lái)。因此，依據(jù)高壓固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖得出的Pc值進(jìn)行沉降計(jì)算，所得結(jié)果會(huì)存在偏差[13]。

(2)先期固結(jié)壓力Pc和壓縮指數(shù)Cc主要通過(guò)高壓固結(jié)試驗(yàn)獲得[14，15]，但動(dòng)車(chē)段內(nèi)地層只進(jìn)行了常規(guī)壓力固結(jié)實(shí)驗(yàn)和壓縮回彈試驗(yàn)，低壓力段確定的先期固結(jié)壓力Pc和壓縮指數(shù)Cc會(huì)存在更大的誤差性和波動(dòng)性。

一般情況下，兩種曲線(xiàn)均適用于各種固結(jié)狀態(tài)土層的沉降計(jì)算。為了考慮土的應(yīng)力歷史，e-lg p曲線(xiàn)更適用于非正常固結(jié)狀態(tài)的情況。綜合分析e-p曲線(xiàn)法和e-lg p曲線(xiàn)法的計(jì)算結(jié)果、計(jì)算原理及地層情況，ep曲線(xiàn)能夠更為精確地計(jì)算出本工程的工后沉降量。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，三個(gè)區(qū)域的地基處理深度分別為16 m、24 m、14 m。塑料排水板采用正方形布置，間距1.0 m，導(dǎo)管直徑0.066 m；水泥土攪拌樁采用正方形布置，樁間距1.2 m，直徑0.5 m，抗剪強(qiáng)度400 kPa；預(yù)應(yīng)力管樁采用正方形布置，間距1.3 m，管樁外徑0.4 m，壁厚200 mm。三種地基處理方法應(yīng)用于各區(qū)域的工后殘余沉降量見(jiàn)表4。

表4 工后殘余沉降量 mm

由表4可知，在相同加固深度條件下，滿(mǎn)足區(qū)域Ⅰ沉降要求(300 mm)的地基處理方法有水泥土攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁；滿(mǎn)足區(qū)域Ⅱ沉降要求(15 mm)的只有預(yù)應(yīng)力管樁；三種地基處理方法均可滿(mǎn)足區(qū)域Ⅲ的沉降要求(400 mm)。

4 地基處理方案比較

在滿(mǎn)足沉降要求的基礎(chǔ)上，對(duì)各區(qū)域適用的地基處理方法進(jìn)行技術(shù)、造價(jià)等方面的比選，以確定經(jīng)濟(jì)、合理的方案(見(jiàn)表5)。

表5 地基處理工程預(yù)算 萬(wàn)元

由表5可知，對(duì)于區(qū)域Ⅰ而言，管樁和攪拌樁的工程預(yù)算相差較大，當(dāng)兩種方案均可滿(mǎn)足沉降要求時(shí)，水泥土攪拌樁是較為合理的選擇，除成本較低外，水泥攪拌樁還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)；區(qū)域Ⅱ面積較小，故使用預(yù)制管樁并不會(huì)大幅度提高預(yù)算，且該方案施工方便、進(jìn)度易控制、檢測(cè)方便；對(duì)于區(qū)域Ⅲ，塑料排水板造價(jià)更低，且具有施工速度快、效率高、對(duì)土擾動(dòng)小及可工廠(chǎng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[16]。

5 結(jié)論

當(dāng)軟土地基中存在較厚流塑狀淤泥層時(shí)，對(duì)于沉降要求不高的普通場(chǎng)坪段落，可以選用塑料排水板(結(jié)合堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓)和水泥土攪拌樁進(jìn)行加固；對(duì)于高鐵正線(xiàn)或有特殊沉降要求的區(qū)域，應(yīng)選擇預(yù)應(yīng)力管樁控制軟土地基的工后沉降，并結(jié)合具體地層情況、鐵路等級(jí)等相關(guān)因素，確定合理、經(jīng)濟(jì)的加固深度。