京滬高速鐵路宿州東站地基土的基本特性及其地基處理測試分析

沈偉升

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

無砟軌道路基工后沉降應符合扣件調整能力和線路豎曲線圓順的要求——工后沉降不宜超過15 mm；沉降比較均勻并且調整軌面高程后的豎曲線半徑符合Rsh≥0.4Vsj2的要求時,允許的工后沉降為30 mm[2]。如此嚴格的工后沉降要求,為路基的地基處理帶來很大困難。京滬高速鐵路宿州站路基面寬14.2～52.6 m,填高6.3～7.3 m,地基為第四系土質地層,勘探揭露深度達到70 m以上,經理論計算,常規地基處理方式的處理深度難以達到設計要求。為此,對宿州站地層進行了詳細的勘探測試,詳細查明了地基土的工程特性,采用了管樁樁筏整體基礎的地基處理措施。現場測試表明,經處理后的地基總沉降量大大減小,工后沉降可以控制在規范要求范圍以內。

1 地基土基本物理特性

表1為宿州站地基土物理性質指標。地基土各層物理性質均一性較好,天然含水率、天然密度、顆粒密度、天然孔隙比、液限、塑限指標統計值的變異系數較小,液性指數、塑性指數統計值的變異系數較大。

表1 宿州站地層物理力學性質

2 地基土力學特性

2.1 基本承載力

采用了室內土工試驗、靜力觸探、螺旋板載荷試驗和旁壓試驗對地基土的基本承載力進行對比測試。對于靜力觸探,為避免姜石的影響導致數據失真,同一層位取相對較小的數值進行對比；螺旋板和旁壓試驗,由于其受力面積較大,很容易碰到姜石,所以獲取的地基參數是土和姜石的綜合作用,取其均值進行承載力計算。

室內試驗計算承載力按照《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007),根據土層的天然含水率、天然孔隙比、液性指數、壓縮模量等指標查表計算；靜力觸探、旁壓試驗計算基本承載力的方法按照《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10041—2003)的相關換算公式進行換算得出；螺旋板載荷試驗按照P-S曲線的不同形式,按照拐點法、相對沉降法或極限荷載法直接確定其基本承載力。幾種方法中,螺旋板載荷試驗是直接測定的,其值最為準確,其余均為相關公式換算值。

表2為宿州站各種手段取得承載力的對比。

表2 宿州站試驗工點承載力對比

總體來說,各方法的測試值有一定的差距。以螺旋板載荷試驗值作為地基基本承載力,取其他三種方法的推算值作為承載力設計值都是偏于安全的。由綜合測試可知,地基土承載能力能夠滿足宿州站填土荷載和列車荷載的作用。

2.2 抗剪強度

試驗點地基土室內試驗的抗剪強度指標統計見表3。各地層的C、φ指標較高,離散性也較大,黏性土的C值高于粉土、φ值低于粉土。經檢算,宿州站在填高6.3～7.3 m的情況下,地基在有荷狀態下的穩定系數一般在1.6～1.7左右,穩定性不存在問題。

表3 宿州試驗點強度指標統計

3 地基土變形特性

3.1 壓縮模量與變形模量

宿州站淺層主要分布Q4黃淮沖洪積地層,29 m以下為老黏土(⑤層),地基土壓縮系數在0.15～0.29之間,屬中等壓縮性土。地基土的壓縮模量和變形模量的測試方法有多種,土工試驗可以直接求出不同壓力水平下的壓縮模量,其缺點是土樣采取過程中會有一定程度的擾動和應力釋放,影響測量結果；靜力觸探、旁壓試驗通過《鐵路工程地質原位測試規程》中相關公式可以換算壓縮模量和變形模量,其精度取決于相關公式中該類型土的樣本多少；螺旋板載荷試驗可直接測量土的變形模量,準確性相對較高,但是如果土質較硬,則探桿的變形會造成測試結果偏小。各測試手段獲取模量值見表4。

表4 宿州地區各測試手段獲取模量值及對比

由靜探換算的壓縮模量和土工試驗對比可得,兩者的比值為在0.95～1.99,最高2.41；而從旁壓試驗與土工試驗的壓縮模量對比看,比值在0.58～3.03之間,較為離散。設計計算時一般取土工試驗相應壓力水平下的壓縮模量比較方便。

砂性土靜力觸探推算的變形模量是壓縮模量的1.0～1.2倍,而黏性土為1.7～3.0倍,老黏土的比值要大于一般黏性土；旁壓通過查表所得的變形模量與壓縮模量比值,砂性土為1.2～1.6,黏性土為1.2～1.65,老黏土稍大。靜探、旁壓、螺旋板變形模量比較：不論砂性土還是黏性土甚至老黏土,E0靜探/E0旁壓在0.9～1.3之間,均值為1.14,說明兩種試驗手段變形模量結果接近,其中老黏土旁壓所得變形模量稍大。螺旋板測得變形模量稍小,這可能由于探桿自身的彈性變形造成；但快、慢兩試驗點的重復性好,除3.2～4.3 m處的粉土層外,其他土層快、慢法所求變形模量均不超過該層模量均值的12%；3.2～4.3 m處的粉土層快慢法存在差異的原因可能為姜石的影響。所以,對于黃淮沖積平原Q4地層求取變形模量,靜探和旁壓方法是可取的；而螺旋板載荷試驗受制于姜石粒徑和探桿強度,有一定的局限性。

3.2 地基土的超固結特性

圖1為土層的超固結比與地層深度的關系,可以看出淺層存在輕微的超固結性,20 m深度以下土層基本是正常固結的。

圖1 宿州試驗工點土層超固結比隨深度變化曲線

3.3 天然地基土在路堤荷載作用的變形特性

圖2 試驗工點橫斷面(單位：m)

為驗證地基土在路堤荷載作用下的變形特性,在宿州站保養點線天然地基進行填筑試驗,試驗斷面如圖2所示。按文獻[3]計算,試驗斷面的理論計算沉降為265.2 mm(綜合修正系數為0.65),實際根據沉降曲線采用修正雙曲線法計算的沉降為141.7 mm(見圖3),實際推算值為理論計算值的53.4%,反算的綜合修正系數為0.35。填筑完成后不同時間沉降完成的比例如圖4所示,填筑剛完成后為86%,放置6個月后已經達到93%。一般認為,對于中等壓縮性黏性土,建筑物在施工期可以完成最終沉降量的20%～50%,砂土可以完成80%[3～4]。本工點的實測數值表明,在路堤荷載這種相對較低的荷載水平下,這種性質的地層,其沉降完成速度是非常快的。這為處理該類土計算地基的工后沉降提供了依據。

圖3 試驗工點沉降觀測及預測曲線

圖4 沉降完成比例-時間曲線

4 地基處理方案及效果

宿州站路堤寬度為14.2～52.6 m,填高6.3～7.3 m,站臺部分填高可達8.2 m。按常規理論計算,如果要求工后沉降達到規范要求,則處理深度會非常深,大概在30～33 m左右。但是根據前文的分析可知,這種地基土條件下,實測沉降只有理論計算值的53.4%,沉降收斂的速度非常快,因此實際的工后沉降遠比理論計算值小,地基處理深度可以減少。

經計算比較,宿州站設計采用了樁筏整體結構(PHC-A500型預應力管樁+C30鋼筋混凝土筏板錨固連接)+超載預壓對地基進行處理,見圖5。樁長一般18～20 m,樁間距2.4 m,筏板厚0.5 m,預壓高度3～4 m。現場觀測測試表明,預壓6～9個月后,宿州站地基總沉降量最大約為5 cm,且已經基本穩定。在宿州站選取了2個測試斷面進行沉降觀測,DK755+650斷面路基面寬14.2 m,處理深度18.5 m；DK756+718斷面路基面寬43.2 m,處理深度19.5 m。兩個斷面監測的實際沉降推算值分別為22.9 mm、53.0 mm,只占實體深基礎法理論計算沉降的21%、32%。經沉降評估單位評估,宿州站的工后沉降均小于15 mm,滿足規范要求,沉降控制效果良好。

圖5 樁筏整體結構+超載預壓地基處理

5 結束語

(1)通過室內土工試驗、靜力觸探、螺旋板載荷試驗和旁壓試驗對地基土的基本承載力進行推算,各方法的測試值有一定的差距；如果以螺旋板載荷試驗值為準,則其他三種方法的取值偏于安全。

(2)通過土工試驗、靜力觸探、旁壓試驗取得的模量對比分析,沉降計算建議取土工試驗的結果,沉降分析應根據該地區的實測結果進行修正；變形模量建議按照靜力觸探或旁壓試驗取值。

(3)宿州站天然地基承載力較高,在有荷狀態下的穩定系數一般在1.6～1.7左右,地基穩定性不存在問題。

(4)天然地基條件下的路堤試驗段的實際推算值約為理論計算值的53.4%,采用管樁樁筏基礎處理后,實測沉降約為理論計算值的21%～32%,顯著減小了總沉降。經沉降評估單位評估,宿州站的工后沉降均小于15 mm,滿足無砟軌道對工后沉降的要求。

[1]陳尚勇.管樁樁筏基礎在宿州站地基處理中的應用[J].鐵道建筑,2009(7)：108-111

[2]中華人民共和國鐵道部.B10621—2009 高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2010

[3]中華人民共和國建設部.GB50007—2002 建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2002

[4]顧曉魯,錢鴻縉,劉惠珊,等.地基與基礎[M].北京：中國建筑工業出版社,2003