華北地區高速鐵路松軟土地基變形特性

李波（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251）

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華北地區高速鐵路松軟土地基變形特性

李波
（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251）

摘要華北地區是我國松軟土分布的主要地區之一，松軟土地基條件下路基工后沉降控制是高速鐵路設計中的關鍵。本文依據工程地質條件將華北地區松軟土劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個分區，依據已建和在建鐵路工程地質數據對松軟土的物理、力學指標進行了統計分析，并通過理論計算和數值模擬對松軟土地基變形特性加以研究。結果表明:Ⅱ區的工后沉降及總沉降均最小，其次是Ⅲ區、Ⅳ區，Ⅴ區最大；在路堤填筑工況（不考慮列車荷載的影響）下，0～6個月期間沉降發展較為迅速，填筑完成后沉降仍在緩慢發展，路基填筑后約4年沉降基本穩定；在列車荷載工況（考慮列車荷載的影響）下，0～6個月期間內沉降發展較為迅速，在路基填筑后約3年沉降基本穩定。

關鍵詞華北地區；高速鐵路；松軟土；工程地質分區；地基變形

我國軟土分布十分廣泛，濱海平原、河口三角洲、湖盆地周圍、山間谷地均有分布。其中華北地區軟土的分布面積占到了我國軟土總面積的1 /3。這里經濟發達，人口密集。隨著京津城際、京滬高鐵、京石客專、津秦客專等高速鐵路的開通運營，華北地區形成了四通八達的高速鐵路網絡。

由于軟土成因類型復雜，分布范圍廣泛，在工程實踐中經常會遇到軟土地基及由此引起的工程問題。在填土自重和列車荷載作用下，地基將產生較大沉降，尤其是工后沉降較大、持續時間較長，不能滿足高速列車安全平穩運行的要求。因此，路基沉降特別是松軟土路基的不均勻沉降變形問題便成為高速鐵路設計所需考慮的主要控制因素［1-3］，對松軟土地基變形進行深化研究意義重大。

1華北地區松軟土工程地質分區

華北地區松軟土主要分布在太行山以東、燕山以南至沿海華北以東平原區的第四系全新統沖積、海積層中。全新統沖洪積層中也有分布，但其厚度、埋深、層數都較沖積、海積層要小，并呈越往東越大的總體趨勢。太行山以西、燕山以南的華北丘陵山區、黃土高原區普遍分布較少，僅在一些溝谷、洼地、河流區局部存在，不具普遍性和規律性。

華北各地區地質、地貌條件不同，成因類型多，即使同一種土相同的物性指標，不同地區的應力-應變歷史所賦予土的結構強度也是不同的，但是其地理分布又具有一定的區域特性。松軟土的分布及物質組成和工程特性主要受地形地貌和巖土成因控制，據此將華北平原松軟土分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ共5個區，見圖1。

圖1　華北平原松軟土工程地質分區

各區具體分布如下：

Ⅰ區。分布在太行山以東及燕山以南的山麓地區，土壤不發育，多為裸露砂礫石地層，極少見松軟土層。由眾多坡積殘積和洪積裙連接而成。

Ⅱ區。分布在太行山往東至新鄉、邯鄲、藁城、保定、大興一帶，燕山往南至大興、玉田、豐南、灤縣一帶。地表是黏性土、粉土狀物質（灤河洪積扇主要是細、粉砂），地表以下是具各種大型交錯層理的粗砂、礫石。由漳河、滹沱河、永定河、灤河等河流的洪積扇形成。

Ⅲ區。分布在太行山沖洪積區前緣至濮陽、邯鄲、辛集、廊坊、寶坻一帶，燕山以南沖洪積區前緣至樂亭、唐海一帶。以第四系黏性土為主，含粉、細砂。主要由黃河、漳河、滹沱河、永定河、潮白河、灤河等河流的沖積扇組成。

Ⅳ區。分布在自Ⅲ區前緣往東至北鎮、無棣、滄州、天津、廊坊、寶坻、玉田、豐南、唐海一帶。以第四系黏性土為主，含淤泥質土及粉、細砂。主要由黃河、漳河、滹沱河多次決口改道、反復泛濫充淤形成。

Ⅴ區。分布在北鎮、無棣、滄州、天津、廊坊、寶坻、玉田、豐南、唐海、樂亭一帶以東和以南直至海岸。以第四系淤泥質土、黏性土為主，含粉、細砂。主要為中-全新世高海平面以后的歷次海進過程中沉積的海相沉積物，及海退過程中古潮白河、海河、古永定河沖積物覆蓋在海退地上的沖積物組成。

2華北地區松軟土物理力學特性

松軟土介于一般可塑性土至軟土之間，具有天然含水率大、孔隙比大、中～高壓縮性、強度低、呈軟塑狀態等工程特性。在不同的工程地質分區內由于其微地貌、成因不同，松軟土在平面和垂向的分布情況，表現的物理、力學性質也不同。

為研究華北平原區松軟土的特性，收集、統計、分析了華北以東平原區京滬高速鐵路、京津城際鐵路、津秦客運專線、京石客運專線、津保鐵路、邯黃鐵路等多項已建和在建工程項目的工程地質勘察報告、試驗報告，對松軟土分布情況進行統計分析。

2. 1松軟土基本物理性質

華北平原松軟土層的物性指標參考取值見表1。

表1　華北平原松軟土層的物性指標參考取值

華北地區松軟土以黏土、粉質黏土、粉土為主。黏土的天然含水率最大，粉質黏土次之，粉土最小。液限也呈現出從黏土到粉土逐漸減小的趨勢；重度較小，在17～25 kN/m3；孔隙比較大，一般均＞0. 5。

2. 2松軟土基本力學性質

華北平原松軟土層的強度指標參考取值見表2。

表2　華北平原松軟土層的強度指標參考取值

由表2可知，華北地區壓縮性高，壓縮系數在0. 31～0. 68，內摩擦角粉質黏土大于黏土，黏聚力差別不大，基本在21～46 kPa。

3　華北地區松軟土變形特性

松軟土變形特性十分復雜，準確估計不同區域、成因及分布特征的松軟土的地基變形量難度較大。本文結合工程地質分區及工程特性研究結果，選取典型地層條件和計算參數，通過理論計算及數值分析方法，初步研究華北地區松軟土地基變形特征。

3. 1理論計算

依據《鐵路路基設計規范》（TB 10001—2005）的地基沉降理論解析方法，針對不同分區的區域土層特征，考慮路基荷載作用及車輛荷載作用2種工況［4-7］，選取京石客專定州段、邯黃線巨鹿段、津保線勝芳段、邯黃線黃驊港段對Ⅱ區～Ⅴ區的地基土變形特征進行研究。

根據以往其他工程計算結果與實測對比的經驗，在與實測總沉降進行的對比中，復合模量法總沉降的計算結果與實測值最為接近。尤其是對路基面寬度較大的斷面，但對于路基面寬度相對較小的斷面，計算值總體偏大，離散性相對較高，但在各種方法中仍是最小的且偏于安全。復合模量法有非常好的工程實踐基礎，在CFG樁樁筏基礎沉降計算中較為實用。

復合地基的分層與天然地基分層相同，各復合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ可表示為

式中：fak為基礎底面下天然地基承載力特征值；fspk為復合地基承載力特征值。

復合地基承載力特征值，應通過現場復合地基載荷試驗確定，初步設計時也可按下式估算。

式中：m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數，宜按地區經驗取值，如無經驗時可取0. 75～0. 95，天然地基承載力較高時取大值；fsk為處理后樁間土承載力特征值，宜按當地經驗取值，無經驗時可取天然地基承載力特征值。

Ra的取值應符合下列規定：①當采用單樁載荷試驗時，應將單樁豎向極限承載力除以2；②當無單樁載荷試驗時，可按下式估算。

式中：up為樁的周長；n為樁長范圍內所劃分的土層數；qsi，qp分別為樁周第i層土的側阻力、樁端端阻力特征值。lsi為第i層土的厚度。復合地基最終沉降量s可按下式計算。

式中：n1為加固區范圍內土層分層數；n2為沉降計算深度范圍內土層總的分層數；p0為對應于荷載效應準永久值組合時的基礎底面處的附加壓力；Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量；zi，zi - 1分別為基底以下第i和第i - 1層土底面至基底的距離；-ai，-ai - 1分別為基底面計算點至第i和第i - 1層土底面范圍內平均附加應力系數，可由《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007— 2011）附錄查得。φs為沉降計算經驗系數，根據地區沉降觀測資料及經驗確定，無地區經驗時可根據壓縮層內平均壓縮模量確定。

本次理論分析的計算模型根據前期地質調查和室內物理力學試驗成果，參照該區域內相應工點的地層分布狀況，將該區域的地層分布等效為若干組平行土層。路堤堆載及車輛荷載作用下，各分區沉降量計算結果對比見圖2。

圖2　各分區沉降量計算結果對比

由圖2可知：未采取任何措施的情況下，Ⅱ區的工后沉降量及總沉降量均最小，其次是Ⅲ區、Ⅳ區，Ⅴ區最大；Ⅳ區、Ⅴ區的工后沉降量及總沉降量均偏大，Ⅱ區、Ⅲ區相對明顯偏小，約為Ⅳ區、Ⅴ區的1 /2。這與由第四系沖積平原形成的松軟土（Ⅱ區、Ⅲ區）逐漸向濱海沖積-海積平原形成的松軟土（Ⅳ區、Ⅴ區）地基過渡的分布特征有直接關系。

3. 2數值分析

3. 2. 1計算模型及計算參數

通過數值分析方法，基于大型通用有限元軟件FLAC3D，選取津保線試驗段地基作為本次數值分析的研究對象，對該段落內的DK24 + 550處路基進行地基土變形沉降特征研究。本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，計算參數見表3。

橫斷面計算范圍：X方向取200 m，Y方向取48 m。路堤填筑工況模型和列車荷載工況模型分別劃分為1 955個單元和1 963個單元，模型網格與材料分區見圖3。

3. 2. 2計算結果及分析

1）路堤填筑工況

路堤填筑工況地基沉降曲線見圖4。可見，地基沉降在路堤填筑期間即0～6個月內沉降發展較為迅速，填筑完成后沉降仍在緩慢發展，直到大概在路基填筑后4年沉降基本穩定。路堤中心工后沉降值為164 mm。數值分析結果與理論計算結果大致吻合。

2）列車荷載工況

列車荷載工況地基沉降曲線見圖5。可見地基沉降在路堤填筑期間即0～6個月內沉降發展較為迅速，填筑完成后的沉降與不考慮列車荷載工況相比發展較快，在列車荷載作用下引起的附加沉降量約為27 mm，大概在路基填筑后3年沉降基本穩定。路堤中心工后沉降值為186 mm。數值分析結果與理論計算結果大致吻合。

表3　計算參數

圖3　模型網格與材料分區

圖4　路堤填筑工況地基沉降曲線

圖5　列車荷載工況地基沉降曲線

4　結論

本文以華北地區松軟土分布特征及工程地質分區研究為基礎，選取華北地區松軟土分布區中的4個分區，分析幾條在建和已建的鐵路工程勘察資料，并通過模擬分析總結了松軟土基本特性和變形特性，初步提出了研究區內松軟土設計參數取值。主要結論如下：

1）未采取任何措施的情況下，Ⅱ區的工后沉降及總沉降均最小，其次是Ⅲ區、Ⅳ區，Ⅴ區最大；Ⅳ區、Ⅴ區的工后沉降及總沉降均偏大，Ⅱ區、Ⅲ區相對明顯偏小，約為Ⅳ區、Ⅴ區的1 /2。這與由第四系沖積平原形成的松軟土（Ⅱ區、Ⅲ區）逐漸向濱海沖積-海積平原形成的松軟土（Ⅳ區、Ⅴ區）地基過渡的分布特征有關。

2）在路堤填筑工況下，不考慮列車荷載的影響，地基沉降在路堤填筑期間即0～6個月內沉降發展較為迅速，填筑完成后沉降仍在緩慢發展，大概在路基填筑后4年沉降基本穩定。在列車荷載工況下，地基沉降在路堤填筑期間即0～6個月內沉降發展較為迅速，大概在路堤填筑后3年沉降基本穩定。

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（責任審編李付軍）

Deformation Characteristics of High Speed Railway Loose and Soft Foundation in North China

LI Bo
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）

AbstractT he north China area is one of the main areas with soft soil. Subgrade foundation settlement control is key to the design of high speed railway. Based on engineering geological conditions，north China loose and soft soil area was classified asⅠ～Ⅴ5 zones. According to engineering geological data of constructed and constructing railways，soft soil physical and mechanical indexes were statistically analyzed. T hrough theoretical calculation and numerical simulation soft soil foundation deformation characteristics were studied. T he results showed that zone II settlement was minimum，followed by ZoneⅢ，ⅣandⅤ. Under the embankment gravity load，during the period of 0～6 months foundation settlement developed rapidly，till about 4 years later settlement became stable. Under the embankment gravity load and train load，during the period of 0～6 months settlement developed rapidly，till about 3 years later settlement became stable.

Key wordsNorth China；High speed railway；Loose and soft soil；Engineering geological zoning；Foundation deformation

中圖分類號U213. 1+4

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 29

文章編號：1003-1995（2016）06-0108-05

收稿日期：2015-12-06；修回日期：2016-03-12

作者簡介：李波（1973—），男，高級工程師。