云桂鐵路膨脹土地基壓縮層厚度確定方法分析

劉 銳

(中鐵二院工程集團有限責任公司土木建筑設計三院，四川成都 610031)

在地基沉降計算中，鐵路一般采用應力比值法。TB 10106-2010《鐵路工程地基處理技術規程》[1]規定高速鐵路地基壓縮層厚度按0.1倍應力比法取值(以下簡稱0.1法)，其他鐵路按0.2倍應力比法取值(以下簡稱0.2法)，確定的壓縮層下有軟土時，應繼續增加計算深度。TB 10035-2006《鐵路特殊路基設計規范》[2]規定軟土地基壓縮層厚度按0.1倍應力比值法取值。

從理論上來講，只要路基下有軟弱層，其壓縮層厚度應是無窮大。但在工程實踐中，首先路基荷載所引起的地基附加應力隨著深度的增加而衰減，加上實際地基并不完全是散粒體，從某種意義上來講，也具有地基梁的作用(盡管很微弱)，所以地基附加應力不可能下傳到無限深；其次，在沉降計算中采用的分層總和法其實是太沙基的一維固結理論，當地基深度超過某一深度(如σz=0.1σt，σz為地基附加應力，σt為地基原存應力)，在計算中采用的壓縮模量往往采用該處的物理值。實際上，同一物理特性土的壓縮模量隨著固結壓力的增大而增大，也就是說，當地基深度超過Δσz=0.1σt時，其實際壓縮模量值大于我們在計算中的所取值；另一方面，當固結壓力足夠大(對應于地基深度足夠大)，土體進入超高壓固結狀態，對于土樣的Δσz=0.1σt所引起的體積應變Δevol，σt值越大，Δevol越小。正是由于上述三個方面的主要因素(當然還有其他次要因素)，在實際工程沉降計算中，可以認為當下臥層地基超過某一深度值時，該深度值以下的地基所產生的沉降(包括瞬時沉降、固結沉降及次固結沉降)可以忽略不計。

1 現場實測與理論計算對比分析

1.1 工程概況

云桂高鐵即南昆客運專線，是云南省“八入滇、四出境”鐵路網規劃中的重要組成部分。該客運專線自南寧站向西經百色、文山、紅河彌勒，至昆明南站，正線全長710 km，其中廣西段276 km，云南境內434 km，概算總額899.2億元。云桂高鐵屬國家《中長期鐵路網規劃》中的干線鐵路，是云南通往東南沿海地區最便捷的鐵路通道，是云南鐵路“八入滇四出境”的重要組成部分，南昆客運專線的建設對緩解運輸瓶頸制約，完善路網布局，促進經濟、社會發展意義重大。云桂鐵路彌勒試驗段位于彌勒斷陷盆地內，地形平緩開闊，地面高程1 378.1～1 387.44 m，試驗段里程范圍DK619+400～DK620+300段內路基工程全部為路堤，中心填方高6～12 m，測段主要土層為黏土(Q4dl+pl)、黏土(膨脹土)(N1-2h)。本文研究選取云桂鐵路沿線境內彌勒段2不同填高處的天然地基斷面DK619+430和DK619+450，路基、地基概況見表1。

表1 路基、地基概況

1.2 實測值與理論值對比分析

結合云桂鐵路膨脹土地基現場沉降板沉降觀測結果，對膨脹土地基壓縮層厚度進行比較，路基基底應力采用文獻[3]推薦αγH法[3]，基底中心反力σc為：

σc=α·γH

式中:

b/H為路基寬高比，α1、α2、α3為常數，可由相應的地基類型及路基坡度試驗來確定[3]。另外通過Boussinesq解[4]來求解計算地基附加應力，壓縮層計算厚度分別按0.2法、0.1法確定，沉降計算土層壓縮模量取表2標貫試驗所得壓縮模量，依照文獻[4]規定的分層總和法進行沉降計算，計算結果整理詳見表3。

表2 試驗段標貫試驗壓縮模量結果

表3 地基沉降計算與實測值比較

注：表中0.1法預測值是根據0.2法修正系數與0.1法理論計算值加以預測。

由表3可知，理論計算結果表明：0.2法比0.1法沉降計算深度少8 m，按0.2法計算得到的地基總沉降比0.1法小24.6 mm，其總沉降降低15.1 %；其工后沉降差為2.5 mm，工后沉降降低15.2 %。對有砟軌道路基而言，0.1法與0.2法的工后沉降差占一般地基地段工后沉降要求值(10 cm)與橋臺臺尾過渡段工后沉降要求值(5 cm)的比例很小，分別為2.5 %、5 %。現場實測結果表明，0.2法深度土層的壓縮沉降占總沉降比例為65.1 %～66.4 %，均值為65.8 %，0.2法深度土層的壓縮沉降完成總沉降的比例較高。

1.3 地基沉降計算厚度取值歸納總結

為進一步歸納總結地基沉降計算厚度取值方法，結合上述計算方法，對不同填高路基荷載下地基沉降開展計算[4-7]，計算結果見圖1。

由圖1可知，當路基填高由3 m增大至12 m時，云桂線膨脹土的地基采用0.1法、0.2法計算的工后沉降差由2.7 mm增至17.7 mm，工后沉降差占一般地基地段工后沉降要求值與橋臺臺尾過渡段工后沉降要求值的比例分別為2.7 %～17.7 %、5.4 %～35.4 %，比例值依然很小，上述分析表明按0.2法計算有砟軌道路基工后沉降的精度可滿足規范要求。因此，對有砟軌道路基而言，膨脹土地基沉降計算深度可采用0.2法確定，但鑒于無砟軌道路基工后沉降要求高(路基工后沉降不宜超過15 mm，且路基與橋梁、隧道或橫向結構物交界處的差異沉降不應大于5 mm)，其沉降控制標準以mm計，所以膨脹土地基沉降計算深度應采用0.1法確定。

(a)計算沉降

(b)沉降計算差圖1 不同填高路基下地基沉降計算

2 結論

膨脹土鐵路地基壓縮層厚度的判定標準應在考慮經濟效益基礎上滿足技術要求。按地基條件和鐵路類型可分別采用不同的控制標準，綜合本文研究在進行類似條件地基沉降計算時可歸納為下列結論：

(1)有砟軌道高速鐵路及I級以下鐵路，一般情況下采用0.2法。下伏基巖處于該計算深度時，取基巖深度，但如果計算深度下仍有軟弱夾層時，沉降應繼續算到該軟弱層底面為止。

(2)無砟軌道高速鐵路宜采用0.1法。下伏基巖處于該計算深度時，取基巖深度，但如果計算深度下仍有軟弱夾層時，沉降應繼續算到該軟弱層底面為止。

[1] TB 10106-2010鐵路工程地基處理技術規程[S].

[2] TB 10035-2006鐵路特殊路基設計規范[S].

[3] 蔣關魯，王海龍，李安洪, 等.土質路基荷載下地基反力試驗研究[J].鐵道學報,2012, 24(6):69-74.

[4] GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].

[5] 汪江，王炳龍，周彥文, 等.高速鐵路軟土路基沉降計算方法探討[J].地下空間與工程學報,2016, 12(1):196-204.

[6] 劉歡歡，張有全，王榮, 等.京津高鐵北京段地面沉降監測及結果分析[J].地球物理學報,2016,59(7):2424-2432.

[7] 曹文貴， 李鵬， 唐旖旎, 等.基于孔隙介質特征的地基沉降分層總和分析方法[J].中國公路學報,2016,29(3):3-8.