高速鐵路深厚軟土地基物理力學(xué)特性分析及沉降控制

李 鑫

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

深厚軟土普遍存在于我國(guó)東北地區(qū)，表現(xiàn)為明顯的“三高兩低”特性(高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低滲透性、低強(qiáng)度)[1]。隨著高速鐵路大規(guī)模建造，如何正確分析地基深厚軟土力學(xué)特性以及有效控制路基地基沉降，已經(jīng)成為高速鐵路設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵性技術(shù)之一[2]。

為解決軟土“三高兩低”工程問題，雷華陽等針對(duì)天津?yàn)I海地區(qū)吹填土的工程力學(xué)特性進(jìn)行廣泛的研究，利用室內(nèi)載荷試驗(yàn)和數(shù)值模擬開展對(duì)雙層軟黏土地基的承載特性及破壞模式研究[3-4]；豆紅強(qiáng)借助有限元軟件，研究超高填方路堤荷載下傳統(tǒng)復(fù)合地基樁體的受荷模式及路基穩(wěn)定性[5]；邵國(guó)霞依托于路基工程，開展多種復(fù)合地基處理深厚軟土路基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并研究不同墊層條件下管樁復(fù)合地基受力和變形規(guī)律[6]。為進(jìn)一步研究軟土地基路基物理力學(xué)特性，依托東北地區(qū)某新建350 km/h的高速鐵路路基工程，通過一系列宏觀試驗(yàn)，并結(jié)合工后沉降檢算，提出適用于該片區(qū)的地基加固手段。

1 工程地質(zhì)概況

代表性工點(diǎn)位于開峰林場(chǎng)1號(hào)大橋與開峰林場(chǎng)2號(hào)大橋之間，線路以填挖相間通過，地形略有起伏，大部分為林區(qū)，植被茂密；線路中心最大填高為5.56 m，路堤邊坡最大高度為8.0 m，線路中心最大挖深為3.25 m，路塹邊坡最大高度為3.50 m，工點(diǎn)線位平面位置如圖1所示。

圖1 工點(diǎn)平面位置

1.1 地層巖性

上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土，層厚8 m，硬塑，σ0=120～160 kPa；粉質(zhì)黏土，層厚2 m，硬塑，σ0=160 kPa。第四系下更新統(tǒng)坡洪積層黏土，層厚4 m，硬塑，σ0=180 kPa；粉質(zhì)黏土，層厚4 m，硬塑，σ0=180 kPa。下伏第四系下更新統(tǒng)玄武巖，強(qiáng)風(fēng)化σ0=500 kPa，弱風(fēng)化σ0=1 000 kPa。現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)鉆探取樣如圖2所示。

圖2 鉆探取樣

1.2 水文地質(zhì)條件

路基區(qū)域內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，勘測(cè)期間地下水埋深為1.40～9.10 m(高程785.04～798.94 m)，主要由大氣降水補(bǔ)給，水位季節(jié)變化幅度2.0～3.0 m，地下水對(duì)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

1.3 其他條件

土壤最大凍結(jié)深度1.98 m；

地震動(dòng)峰值加速度：0.05g(Ⅵ度)；

特殊巖土：表層黏性土具中等膨脹性。

2 地基土物理特性

為對(duì)工點(diǎn)范圍內(nèi)地基土的物理特性進(jìn)行研究，選取DK387+140處鉆探土樣進(jìn)行天然含水率、天然密度、初始孔隙比、飽和度、液塑限等物理指標(biāo)測(cè)試[7-8]。

表1揭示了松軟土各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨地基深度變化的規(guī)律，土樣的天然密度隨著深度變化不大，天然密度在1.89～1.92 g/cm3范圍內(nèi)波動(dòng)，土樣飽和度均在85%以上，表明高飽和度是軟土的共同特點(diǎn)[9]；天然含水率隨深度逐漸提高，在深度8 m處達(dá)到最高值，8 m以下土樣含水率呈下降的趨勢(shì)，14 m深度的土樣含水率降至最低；初始孔隙比隨深度的變化規(guī)律與含水率變化規(guī)律相似，土樣在2～8 m區(qū)間范圍內(nèi)，指標(biāo)逐漸上升，在8 m處到達(dá)峰值，8 m深度以下，初始孔隙比與飽和度逐漸降低，在14 m位置處降至最低。這可能是由于各深度軟土處于不同的固結(jié)狀態(tài)[10]，從而導(dǎo)致數(shù)值的差異。

表1 試驗(yàn)土樣基本物理參數(shù)

液性指數(shù)是判斷土軟硬狀態(tài)的指數(shù)，用于確定黏性土的狀態(tài)和極限承載能力[11]。圖3為各深度土樣液性指數(shù)隨深度的變化情況，可以看出，在表層0～4 m范圍內(nèi)，液性指數(shù)≤0.25，土體處于硬塑狀態(tài)；4～12 m范圍內(nèi)液性指數(shù)大多在0.25～0.32之間，處于可塑狀態(tài)；14 m以下，液性指數(shù)達(dá)到最低值0.18，這時(shí)土體處于硬塑狀態(tài)。由此可見，表層土體(0～4 m)相較于中層土體(4～12 m)為一硬殼層[12]。底層土體(>14 m)的液性指數(shù)最低，這與上述含水率、孔隙比的變化規(guī)律相吻合，同一種土含水量越大則液性指數(shù)越大，土質(zhì)越軟。進(jìn)一步說明同一種軟土，由于所處固結(jié)狀態(tài)不同，在不同深度范圍各項(xiàng)物理特性指標(biāo)在一定范圍浮動(dòng)。

圖3 液性指數(shù)隨土層深度變化曲線

3 地基土力學(xué)特性

3.1 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)方案

為進(jìn)一步探究地基土力學(xué)特性隨土層深度的變化規(guī)律，選取DK387+140、DK387+150兩處土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)，試樣制備如表2所示，試樣及試驗(yàn)儀器如圖4所示。

表2 試驗(yàn)土樣制備

圖4 試樣及試驗(yàn)儀器

3.2 地基土力學(xué)特性分析

在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，不對(duì)試塊側(cè)邊加以限制，而實(shí)際上，地基土具有側(cè)限抗壓強(qiáng)度，故無側(cè)限抗壓強(qiáng)度只是一種理論試驗(yàn)值[13]。圖5描述了鉆探土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律，可以看出，兩處土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度變化的趨勢(shì)相似，在0～8 m深度范圍內(nèi)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨深度不斷下降，在8 m位置處最低(約50 kPa)；在8～14 m的深度范圍內(nèi)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷上升，在14 m深度處的強(qiáng)度與表層強(qiáng)度接近(接近70 kPa)，其原因可能是深度4～8 m位置處存在軟弱夾層，致使土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在8 m附近最低。

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨土層深度變化曲線

黏聚力的大小直接反應(yīng)出土體顆粒之間的相互吸引力[14]，圖6為土樣黏聚力隨土層深度變化的曲線，兩處土樣在0～8 m深度范圍內(nèi)，黏聚力不斷下降，在8 m位置處黏聚力為最低點(diǎn)，強(qiáng)度下降約20%。8 m以下，黏聚力逐漸回升，14 m處黏聚力恢復(fù)到表層硬殼層的強(qiáng)度。這可能是由于表層土(0～4 m)與底層土體(>14 m)固結(jié)程度較高，孔隙水壓力消散程度較高，土顆粒之間的間距較小，因此土體顆粒之間的相互吸引力較高。土的內(nèi)摩擦角是評(píng)價(jià)土體抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)，圖7揭示了內(nèi)摩擦角隨土層深度的變化曲線，與黏聚力隨土層深度的變化規(guī)律相似，在0～8 m深度范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角隨土層深度不斷降低，下降約1/4；自8 m深度以下，內(nèi)摩擦角數(shù)值不斷回升，在深度14 m處，達(dá)到最高值，其數(shù)值約為8 m處的2倍。

圖6 黏聚力隨土層深度變化曲線

圖7 內(nèi)摩擦角隨土層深度變化曲線

壓縮模量是衡量土體壓縮性高低的一個(gè)重要指標(biāo)，也是用來計(jì)算地基沉降的一個(gè)重要參數(shù)[15]。圖8描述了土樣壓縮模量隨取樣深度的變化規(guī)律，可以看出，整體上地基土的壓縮模量在4～15 MPa范圍內(nèi)，屬于中壓縮性土，取樣深度在0～8 m范圍變化時(shí)，壓縮模量隨深度增加不斷下降，在8 m位置處，僅為6 MPa，接近高壓縮性土與中壓縮性土的界限值；8 m深度以下，土樣壓縮模量逐漸上升，在14 m位置處壓縮模量約為11 MPa，相較于8 m位置的土樣，壓縮模量提高近一倍；這與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力隨深度的變化規(guī)律一致，證實(shí)4～8 m位置處存在軟弱夾層的可能性。

圖8 壓縮模量隨土層深度變化曲線

4 沉降檢算及地基處理

對(duì)于350 km/h高速鐵路無砟軌道路基，規(guī)范要求一般地段工后沉降≤15 mm，橋臺(tái)臺(tái)尾過渡段工后沉降≤5 mm。選取DK387+140處作為代表性斷面進(jìn)行沉降驗(yàn)算，因DK387+140斷面不在過渡段范圍內(nèi)，沉降按15 mm控制，沉降檢算采用《規(guī)范》推薦法。

(1)

工后沉降與樁長(zhǎng)的關(guān)系曲線如圖9所示，結(jié)果顯示，樁長(zhǎng)為8～16 m時(shí)，工后沉降隨著樁長(zhǎng)變化線性降低，采用8 m樁長(zhǎng)時(shí)，工后沉降高達(dá)50 mm，這是由于地基土在8 m深度附近存在軟土夾層，致使沉降不能滿足規(guī)范要求，當(dāng)CFG樁長(zhǎng)增加至16 m時(shí)，工后沉降降至15 mm，工后沉降降低約70%，這說明CFG樁穿透軟弱土層至持力層后，工后沉降滿足規(guī)范要求，當(dāng)樁長(zhǎng)繼續(xù)增加時(shí)，工后沉降變化不大，考慮到工程造價(jià)的因素，該區(qū)域的最優(yōu)樁長(zhǎng)為16 m。

圖9 工后沉降隨樁長(zhǎng)變化曲線

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)深厚軟土地基表層土體(0～4 m)為一個(gè)硬殼層；中層土體(4～12 m)為軟弱夾層；底層土體(>14 m)的液性指數(shù)最低，固結(jié)程度最高。

(2)在0～8 m深度范圍內(nèi)，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量等強(qiáng)度指標(biāo)不斷下降，在8 m位置處降至最低;8～14 m的深度變化范圍內(nèi)，強(qiáng)度指標(biāo)不斷上升，在14 m深度處達(dá)到峰值。

(3)采用樁徑0.40 m，樁間距1.8 m的CFG樁進(jìn)行軟土地基加固處理時(shí)，工后沉降隨著樁長(zhǎng)的增加線性降低，本工點(diǎn)的最優(yōu)樁長(zhǎng)為16 m。