客運專線地基沉降計算模量的確定

劉志明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

鐵路作為國民經濟的大動脈，具有運力大、運費低的特點，在經濟建設中發揮了重大作用。而我國鐵路的密度明顯偏低，人均排名居于100位之后。隨著經濟社會的發展，目前交通運輸運力異常緊張，已經成為經濟發展的瓶頸。鐵路客運快速與貨運重載難以兼顧，已無法滿足國內客貨運輸需求，并嚴重影響旅客運輸質量的提高。2004年，經國務院審議通過了國家《中長期鐵路網規劃》。該規劃提出，鐵路運輸實施客貨分線，專門建設以“四縱”、“四橫”為主干的客運專線鐵路網。

客運專線對路基的穩固性和軌道的狀態有相當高的要求，需要高度平順和穩定的軌下基礎，控制變形是客運專線路基設計的關鍵[1]。在保證路基本體施工可靠性的前提下，客運專線的沉降變形主要由地基沉降確定[2]。

1 模量參數

關于地基沉降的計算方法有很多種[3]，但根據其應用原理，相關理論計算方法主要區別在于計算土體的應力—應變關系不同，即壓縮性指標不同，壓縮性指標主要指土體模量。

現場具體實際情況及大量實際試驗研究表明，在不同的壓力下，同一土體具有不同的壓縮模量 Es值[4]。在客運專線沉降計算中采用的壓縮模量應考慮與地基的應力范圍相匹配，針對不同的地基應力范圍選取不同壓力范圍的壓縮模量值，根據應力水平考慮地基壓縮模量，以期符合路堤填筑的實際情況。

土體模量參數主要通過現場原位試驗和室內試驗兩方面完成。從實際情況來講，兩者各有優劣。現場原位試驗可以減少或避免由于取樣而帶來的擾動，更好地模擬現場情況，減少人為不必要影響，但也存在相關機理理論研究、現場試驗控制及相關試驗投入較大等不足。室內試驗則通過室內試驗設備對現場所取土樣進行試驗研究，該方法具有較好的理論支撐，相對操作過程易于控制，室內試驗可重復進行，利于研究開展，但存在土樣擾動、試驗結果或多或少與現場脫離等方面問題。結合上述兩種方法所存在的優缺點，選定膠濟客運專線青州取直段特征斷面分別進行簡單易行的室內固結試驗和靜力觸探試驗，采用對比研究的方法，以得出合理可行的計算模量。

2 室內固結試驗

本次試驗過程中，從取樣土體中選擇31組土樣進行固結試驗，分別進行13組粉土、8組粉質黏土、10組黃土質粉質黏土，以確定測段內主要構造土體的壓縮性指標。

試驗 過 程 中，分 別 在25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa荷載作用下，按規定時間順序測記試樣的高度變化。規定標準加荷時間為24 h一級，施加每級壓力后，每小時變形達0.01 mm時，測定試樣高度變化作為穩定標準，見表1。將整理的結果繪制出時間—應變曲線，見圖1。

表1 土樣壓縮模量標準值Es MPa

圖1 時間—應變曲線

通過整理固結試驗結果，可得出土體模量(應力—應變關系)、土體固結系數(應力—時間關系)，將該結論應用于沉降計算過程中，計算結果直接有效。

通過整理，分別確定相應荷載作用下的壓縮模量，同時對比整理相關土體數據結論[5-6]，得出各土樣相應應力作用下的弦線模量及土體重度。整理試驗結果見圖2～圖4。

圖2 粉土固結試驗壓縮模量標準值

參照上述試驗結果，得出土體相關壓縮模量標準值，以備后期沉降計算分析。同時采用雙曲線對壓縮模量曲線進行擬合，結果見表2。相關擬合曲線具有相當高的相關性，從而得出土體壓力P與壓縮模量Es呈現雙曲線線形關系，雙曲線公式為

式中，t1、t2為擬合系數。

圖3 粉質黏土壓縮模量標準值

圖4 黃土質粉質黏土壓縮模量標準值

表2 雙曲線擬合壓縮模量結果

3 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗首先要進行土層分層[7]。在本次處理過程中，為便利統計，將軟土與松軟土統一進行。對于測段內所存在的粉質黏土和黃土質粉質黏土，暫無法分離，此處試驗結果中，統一歸類為粉質黏土;其它土質分類正常進行。相關土層壓縮模量從《鐵路工程地質原位測試規程》規范查表得到。整理結果見表3。

通過表3可以看出，除粉質黏土外，相關土層差異性不大，后期進行對比分析。

4 對比分析

通過對比分析，整理相關試驗結果，最終得出土體模量標準值，以便計算分析。整理現場靜力觸探結果，與室內固結試驗Es100-200結果進行對比分析，具體情況見表4。

表4 地基加固處理前土體試驗模量結果

同時以具體斷面為例對土體壓縮模量進行對比分析，見表5。

通過對比室內固結試驗結果與靜力觸探結果，計算相關變量標準差，發現除特殊區段由于土層判定存在差異性導致模量存在較大偏差外，兩者結果相應較為相近，計算沉降量結果顯示同樣接近。

5 結論

1)室內固結試驗土體壓力與壓縮模量結果呈現雙曲線線形變化關系。

2)室內固結試驗與靜力觸探試驗結果較為接近，而由于靜力觸探試驗土層分層是由試驗參數確定的，因而存在一定偏差。

表5 DK219+100斷面壓縮模量、沉降值對比

3)針對常規計算采取室內試驗確定地基土體模量指標過程中，統一選定100～200 kPa應力間變形得出壓縮模量，通過擬合處理，最終結合地基土實際情況，以確定壓縮模量進行地基驗算，符合地基土體模量參數隨土體內部應力—應變變化的實際特征情況。

[1]屈曉輝.客運專線鐵路路基設計技術[M].北京:人民交通出版社，2008.

[2]尤昌龍.客運專線路基沉降問題探討[J].鐵道標準設計，2006(7):8-10.

[3]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社，1996.

[4]范夢華.對土壓縮模量定義及相關問題的探討[J].路基工程，2006(6):62-54.

[5]馬履霞.土壓縮模量變化規律的探討[J].勘察科學技術，2006(3):42-60.

[6]方燾，刁心宏.填方路堤沉降計算方法探討[J].鐵道建筑，2009(6):77-79.

[7]LUNNET，ROBERTSONPK，POWELLJJM.Cone penetration Testing in Geotechnical Practice[M].Chapman ＆Hall，1997.