中高壓縮性土地基沉降特性試驗(yàn)研究

黃建川

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

近年來(lái)，高速鐵路建設(shè)過(guò)程中遇到了大量的中高壓縮性土地基。按照現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)方法，此類地基多數(shù)需采用樁基進(jìn)行處理，而在大量的沉降觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，地基沉降量的實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)時(shí)的理論計(jì)算值，兩者之間偏差較大[1，2]。可見(jiàn)，對(duì)中高壓縮性土地基而言，傳統(tǒng)的沉降計(jì)算方法偏于保守，有必要對(duì)中高壓縮性土地基的沉降特性進(jìn)行更加深入和系統(tǒng)的研究[3]。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)中將壓縮系數(shù)介于0.1～0.5 MPa-1的土定義為中等壓縮性土[4]，中國(guó)鐵路總公司鑒定中心相關(guān)研究成果中將壓縮系數(shù)介于0.1～0.3 MPa-1、0.3～0.5 MPa-1的土細(xì)分為中低壓縮性土和中高壓縮性土。目前，針對(duì)中高壓縮性土地基沉降特性的研究相對(duì)較少，彭志鵬，張崇磊，王敏等分別依托京滬高鐵、膠濟(jì)客專、贛龍鐵路設(shè)立了試驗(yàn)段，研究中等壓縮性土的沉降特性[5-7]。結(jié)合哈佳鐵路設(shè)置的中高壓縮性土地基沉降觀測(cè)試驗(yàn)段，研究中高壓縮性土地基的沉降發(fā)展規(guī)律，并通過(guò)反演分析得到沉降計(jì)算修正系數(shù)，最后提出地基處理措施建議。

1 試驗(yàn)段概述

1.1 地質(zhì)概況

試驗(yàn)段里程范圍為DK45+800～DK46+100，路堤中心填高5.03～6.59 m，該段地貌為沖洪積平原，地形平緩，地表大部分為耕地。

地基上部為粉質(zhì)黏土，局部有粗粒土等薄夾層，土層厚度為32.7～37.7 m。地下水為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水補(bǔ)給，勘測(cè)期間地下水埋深4.70～7.80 m，水位季節(jié)變幅為1～3 m。

按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)，對(duì)鉆探所取的原狀土樣進(jìn)行了基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)[8]。依據(jù)液性指數(shù)IL，將地層分為4層，除27 m以下黏性土為硬塑狀態(tài)外，其余均為可塑狀態(tài)，其中2～20 m層相較于上下兩層液性指數(shù)偏大。每層的物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1和表2。由表2可知，該段地基中0～27 m深度范圍屬于中高壓縮性土，27 m以下屬于中低壓縮性土。

表1 地基土物理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值匯總

表2 地基土力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值匯總

1.2 試驗(yàn)方案情況

選用3種地基處理方案，每段長(zhǎng)度為100 m，DK45+800～DK45+900路堤填高6.4～6.5 m，平整場(chǎng)地后直接填筑；DK45+900～DK46+000路堤填高6.0～6.8 m，基底換填0.5 m厚碎石墊層，并于碎石墊層中間夾鋪一層抗拉強(qiáng)度為100 kN/m的土工格柵；DK46+000～DK46+100路堤填高5.2～6.2 m，基底采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，正方形布置，樁間距2.0 m，樁長(zhǎng)7.7 m，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土樁帽，樁帽頂部鋪設(shè)0.5 m厚碎石墊層夾鋪土工格柵。

每種處理方案均設(shè)置3個(gè)沉降觀測(cè)斷面，斷面中心設(shè)置4支單點(diǎn)沉降計(jì)，埋置深度分別為3 m、8 m、17 m和30 m。

2 沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)測(cè)沉降

路堤填筑始于2015年6月14日，填筑完成的時(shí)間為2015年10月，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)截止至2016年10月28日。圖1～圖3分別為三種地基處理?xiàng)l件下，不同深度處的地基沉降隨路堤高度變化的曲線。

圖1 DK45+850斷面不同深度處沉降變化曲線

圖2 DK45+950斷面不同深度處沉降變化曲線

圖3 DK46+030斷面不同深度處沉降變化曲線

由圖1～圖3可知，3處的地基沉降量均隨路堤填筑高度的增加而增大。靜置期內(nèi)，沉降曲線隨時(shí)間變化逐漸趨于平緩。同時(shí)，不同深度處的地基沉降量不同：地表的沉降量最大，深度越大處的沉降量越小，且隨著深度增加，沉降曲線收斂速度越快；17 m處的沉降量隨路堤高度的增加變化較為平緩，在靜置期內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，8 m處的沉降在靜置期內(nèi)也表現(xiàn)出一定的收斂趨勢(shì)，但3 m處和地表的沉降量尚未出現(xiàn)明顯的收斂跡象。

表3 不處理時(shí)地基各深度范圍壓縮量統(tǒng)計(jì) mm

表4 鋪碎石墊層地基各深度范圍壓縮量統(tǒng)計(jì) mm

表5 CFG樁加固地基各深度范圍壓縮量統(tǒng)計(jì) mm

表3～表5分別為三種地基處理方案各深度范圍內(nèi)的地基壓縮量統(tǒng)計(jì)。地基不處理、換填0.5 m碎石墊層和CFG樁加固時(shí)，地基的總沉降分別為120.99 mm、123.85 mm和36.87 mm。可見(jiàn)CFG樁復(fù)合地基大大減少了地基的總沉降量，加固效果明顯；碎石墊層和土工格柵的主要作用為改善地基剛度和基底受力，對(duì)地基總沉降影響不大。

當(dāng)不進(jìn)行地基處理或僅換填0.5 m碎石墊層時(shí)，0～8 m范圍內(nèi)地基的壓縮量占總沉降的比例分別為78.0%和71.7%，可見(jiàn)沉降主要發(fā)生在淺層地基內(nèi)。采用CFG樁加固的段落，0～8 m范圍內(nèi)的壓縮量占總沉降的比例約為50.9%，遠(yuǎn)小于其他情況。可見(jiàn)，采用CFG樁進(jìn)行淺層加固，可有效控制地基沉降。

2.2 沉降預(yù)測(cè)

根據(jù)已有的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，選用雙曲線法、三點(diǎn)法、星野法和Askoda法等4種不同的方法[9，10]預(yù)測(cè)地表最終沉降量，取4種方法所得結(jié)果的平均值作為預(yù)測(cè)沉降值。同時(shí)，計(jì)算各斷面在不同靜置期時(shí)沉降完成比例，見(jiàn)表6～表8。

表6 地基不處理方案各斷面沉降完成比例

表7 鋪碎石墊層方案各斷面沉降完成比例

表8 CFG樁加固方案各斷面沉降完成比例

由表6～表8可知，三種地基處理方案地表沉降隨時(shí)間變化完成的比例無(wú)明顯差異，斷面DK45+870和DK45+930處同等時(shí)間內(nèi)沉降完成比例略大；靜置期內(nèi)，沉降發(fā)展的趨勢(shì)逐漸放緩。整體上，填筑完成時(shí)，地表沉降占總沉降的比例為45%～55%；靜置1個(gè)月后，地表沉降占總沉降的比例為55%～65%；靜置3個(gè)月后，地表沉降占總沉降的比例為70%～75%；靜置6個(gè)月后，地表沉降占總沉降的比例為75%～85%。CFG樁地基處理雖沒(méi)有明顯加快沉降完成的速率，但是大大減小了總沉降量。

2.3 實(shí)測(cè)沉降與理論計(jì)算值對(duì)比分析

選用工程中最常用的單向壓縮分層總和法[11]計(jì)算典型斷面處的地表沉降值，采用自重應(yīng)力的0.2倍對(duì)應(yīng)的深度做為壓縮層計(jì)算深度[12]。CFG樁復(fù)合地基加固區(qū)的沉降計(jì)算采用復(fù)合模量法，加固區(qū)復(fù)合模量相對(duì)于天然地基壓縮模量的提高值與復(fù)合地基承載力相對(duì)于天然地基承載力的提高值取為相同[12]；下臥層沉降計(jì)算方法同天然地基。將理論計(jì)算沉降值與實(shí)測(cè)沉降值(預(yù)測(cè)值)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可知，理論計(jì)算沉降值與實(shí)測(cè)沉降值之間差距很大，天然地基沉降理論計(jì)算值為實(shí)測(cè)值的2.9～3.1倍，CFG樁復(fù)合地基沉降理論計(jì)算值為實(shí)測(cè)值的6.0倍。

在天然地基或換填碎石墊層的區(qū)域，地基0～8 m深度范圍的理論計(jì)算沉降是實(shí)測(cè)沉降的2.5倍左右，8～30 m深度范圍是3.6～4.7倍，表明現(xiàn)有沉降計(jì)算方法偏于保守。分析其原因，可能為地基深部取樣的擾動(dòng)影響和應(yīng)力釋放效應(yīng)使土工試驗(yàn)所得的室內(nèi)壓縮模量小于地基中的實(shí)際值，故而導(dǎo)致計(jì)算所得沉降量偏大。

表9 理論計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)值對(duì)比

通過(guò)實(shí)測(cè)沉降與理論計(jì)算的對(duì)比分析，可得到沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。對(duì)于類似的深厚中高壓縮性土地基，當(dāng)?shù)鼗鶋嚎s層內(nèi)土體的壓縮模量當(dāng)量值接近于6.0～7.0 MPa時(shí)，建議沉降修正系數(shù)取為0.30～0.35。對(duì)于CFG樁復(fù)合地基，還需要更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析其沉降特性，從而找到更為實(shí)用的沉降計(jì)算方法。

3 結(jié)論

(1)路基填筑完成時(shí)，地表已經(jīng)產(chǎn)生的沉降占總沉降的比例約為45%～55%，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的靜置期后，沉降完成比例可達(dá)到75%～85%。

(2)實(shí)測(cè)沉降值與理論計(jì)算沉降之間存在較大差異，對(duì)于地基壓縮層內(nèi)壓縮模量當(dāng)量值為6.0～7.0 MPa的中高壓縮性土地基，采用單項(xiàng)壓縮分層總和法計(jì)算天然地基沉降時(shí)修正系數(shù)可采用0.30～0.35。

(3)CFG樁淺層加固可有效控制地基的沉降，建議結(jié)合鐵路等級(jí)、路堤高度等因素確定經(jīng)濟(jì)合理的樁長(zhǎng)。

[1] 王長(zhǎng)丹，王炳龍，周順華，等.高速鐵路剛性樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降計(jì)算方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2013，35(8)：80-87

[2] 崔維孝.京滬高速鐵路李窯試驗(yàn)段CFG樁復(fù)合地基試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2009(7)：11-12

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