高速鐵路復(fù)合地基沉降計(jì)算探討

劉 勇

（中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023）

1 沉降計(jì)算方法

天然地基土一般都是不均勻的，土的某些物理力學(xué)指標(biāo)也在改變，比如孔隙比e，壓縮模量Es，因此計(jì)算地基沉降時(shí)，把土層分成許多薄層，分別計(jì)算各分層土的壓縮變形，最后疊加而成總沉降量，這就是我們工程中常用的地基沉降計(jì)算方法：分層總和法。這是一種近似計(jì)算法，即S=ΣSi=S1+S2+S3…Sn。1） 假設(shè)條件：分層總和法是基于一維壓縮理論，其基本假設(shè)條件：①基底壓力為線性分布；②用彈性理論計(jì)算基底中心點(diǎn)下附加應(yīng)力，以基底中心的沉降代表地基的平均沉降；③地基只發(fā)生單向沉降，即土處于側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)；④只計(jì)算主固結(jié)沉降，不計(jì)算瞬時(shí)沉降和次固結(jié)沉降。2） 計(jì)算深度的確定：①高速鐵路、無(wú)砟軌道地基壓縮層計(jì)算深度滿足：Pz=0.1×Pc。②計(jì)算深度以下仍有軟土層時(shí)，應(yīng)繼續(xù)增加計(jì)算深度。3） 計(jì)算荷載的確定，高速鐵路雙線鐵路沉降計(jì)算時(shí)，軌道荷載按雙線計(jì)算，列車荷載按單線計(jì)算，傳至地面的作用效應(yīng)取正常使用極限狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)組合，其分項(xiàng)系數(shù)均取1。

表1 高速鐵路沉降計(jì)算作用組合

2 復(fù)合地基的總沉降

在沿海平原地區(qū)一般情況軟土層比較厚，達(dá)到幾十米甚至上百米，不可能也沒(méi)必要對(duì)全部土層進(jìn)行地基處理，這就將復(fù)合地基沉降計(jì)算分為加固區(qū)沉降計(jì)算和非加固區(qū)沉降計(jì)算。復(fù)合地基總沉降量S 等于加固區(qū)沉降S1 加上下臥層的沉降S2 即：S=mJS×S1+mXS×S2

圖1 一般情況復(fù)合地基沉降計(jì)算模型

2.1 基底壓力計(jì)算

1） 路基基底壓力Pk計(jì)算，高速鐵路路基基底壓力Pk的計(jì)算方法主要有γH 法及虛擬三角形法。

②虛擬三角形法：路基基底壓力為：

式中：P0為換算集中荷載，b為路基面半寬，m為坡率值，α為虛擬三角形弧度值的一半，H0為虛擬三角形高度。

2） 工程實(shí)例，重慶某高速鐵路，無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)速度350km/h，直線路段，路基面寬度13.6m，線間距5m，雙線路堤中心高度H=6m，填料平均重度γ 為20kN/m3，填方坡率m 為1∶1.5，列車荷載Q=41.7kN/m2，軌道自重p=12.6 kN/m2，分布寬度3m，線間荷載q=13.2 kN/m2，雙線單荷，如圖2。

圖2 路基橫斷面圖

γH 法：

虛擬三角形法：

2.2 地基中附加應(yīng)力計(jì)算

矩形面積豎直均布荷載角點(diǎn)下的附加應(yīng)力ΔPi為：

式中：ΔPi為地基土某一點(diǎn)附加應(yīng)力，az為某一點(diǎn)附加應(yīng)力系數(shù)

接前面工程實(shí)例：基底＜4-1＞軟土厚度6m，軟土下伏＜23-6＞w3 灰?guī)r。路基底寬B=2b=13.6+6×1.5×2=31.6m，m=l/b＞10，按條形基礎(chǔ)，處附加應(yīng)力系數(shù)為:

圖3 矩形面積均布荷載角點(diǎn)下的附加應(yīng)力

圖4 路基基底中心下的附加應(yīng)力

6m 厚軟土平均附加應(yīng)力為

2.3 加固區(qū)沉降計(jì)算

表2 加固區(qū)沉降計(jì)算方法

1） 復(fù)合模量，就是將加固區(qū)的樁壓縮模量Ep 和土的壓縮模量Es 通過(guò)面積加權(quán)平均得到樁-土復(fù)合模量Ecs，即Ecs=mEP+ (1-m)ES，式中：m為面積置換率，單樁面積與該樁所承擔(dān)處理地基等效面積之比。

圖5 正三角形布樁示意圖

圖6 正方形布樁示意圖

2） 承載力比法，就是將地基處理后復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值fsp 與天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值f0 的比值定義為提高系數(shù)ξ，再用提高系數(shù)ξ 乘以土壓縮模量Es 得到樁-土復(fù)合模量Ecs，即：ξ=fsp/f0Ecs=ξEs。

4） 接前面工程實(shí)例：若基底采用CFG 樁處理，樁徑0.5m，正三角形布置，樁中心間距2.4m，攪拌樁身抗壓強(qiáng)度取15MPa，強(qiáng)度折減系數(shù)取0.34，采用承載力比法計(jì)算樁-土復(fù)合模量Ecs，計(jì)算加固區(qū)沉降量。

結(jié)合上面兩種方法計(jì)算過(guò)程發(fā)現(xiàn)，水泥攪拌樁樁身強(qiáng)度低，樁間距較小，總沉降量計(jì)算有利，但承載力計(jì)算不利；CFG 樁樁身強(qiáng)度高，樁間距較大，總沉降量計(jì)算不利，但承載力計(jì)算有利。

3 復(fù)合地基的施工期沉降

國(guó)內(nèi)專家學(xué)者，根據(jù)不同類型的地基土的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及變形時(shí)間效應(yīng)特性的研究，得到了荷載穩(wěn)定后不同時(shí)期路基沉降完成比例，《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》 （極限狀態(tài)法） 總結(jié)的沉降量完成比例系數(shù)η 可參照取值。

表3 施工期沉降量完成比例系數(shù)η

4 結(jié)語(yǔ)

沉降計(jì)算理論值與實(shí)測(cè)值往往有一定差異，為了確保工程安全，還要進(jìn)行沉降變形觀測(cè)和評(píng)估工作，根據(jù)實(shí)際沉降觀測(cè)資料指導(dǎo)施工，確定鋪軌時(shí)間。