高速鐵路中低壓縮性土地基沉降控制有關問題研究

王璦琳,崔俊杰,韓志霞,張 強

(1.武漢鐵路職業技術學院,武漢 430205； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

高速鐵路路基結構的變形主要由兩部分組成：路基本體變形、地基沉降，其中路基本體變形包括填料的壓密變形及列車荷載引起的彈性變形。根據已有資料，路基本體變形一般為路基高度的0.1%～0.5%，填筑完成1年后趨于穩定[1]；列車荷載引起的彈性變形，一般不到0.22 mm[2]。因此，高速鐵路路基沉降控制的研究重點是地基沉降控制。

對于高速鐵路而言，現行鐵路行業的地基土分類標準[3]已經不適應其路基沉降控制的需要。文獻[4]依托京滬、寧安、張呼、吉琿等國內多條高速鐵路，采用綜合勘察、特種土工試驗結合現場試驗與沉降變形監測等方法，進行了地基土的工程特性與分類研究，基于高速鐵路路基沉降變形控制之目的，提出了將地基土按照壓縮系數a0.1-0.2劃分為低、中低、中高、高壓縮性等4類。

在高速鐵路路基勘察設計中，經常遇到的地基承載力在150 kPa以上的黏性土、粉土、砂類土、碎石類土以及全風化巖等土質地基，其壓縮系數一般介于0.1～0.3 MPa-1，多屬中低壓縮性土。該類土質地基的變形隨時間發展特性與飽和軟黏土有很大的不同，其實測沉降值遠低于理論計算結果[5]。本文擬結合國內多個高速鐵路的建設、科研實踐，對中低壓縮性土地基沉降計算的有關問題進行比較系統的研究，其研究結論有助于優化高速鐵路路基地基沉降控制設計、降低工程投資。

2 中低壓縮性土的工程特性

我國地域遼闊，中低壓縮性土分布廣泛，在平原區大多為沖洪積、沖湖積成因，在低山丘陵區及其前緣一般為沖坡積、坡殘積成因。通過對京滬、寧安、吉琿、張呼等高速鐵路多個試驗工點勘察資料的分析(表1)，中低壓縮性土具有如下工程特性[5-9]：

從各土層物理指標看，天然含水率較低，主要在20%～25%；孔隙比較小，主要在0.64～0.86；飽和度在90%～92%，屬高飽和度土。從各土層變形指標看，壓縮系數較小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1；壓縮模量較大，在8.43～11.61 MPa；另外，中低壓縮性土普遍具有超固結特性，其超固結比最大達21.4。

表1 中低壓縮性土物理力學指標統計

3 中低壓縮性土變形的時間效應

3.1 土體變形的狀態類別

地基土的物理狀態相同時，在不同應力水平下，其塑性變形將呈現出不同的發展規律。即地基的變形特性與其所受的應力水平密切相關，在較小的應力水平下塑性變形較小且很快趨于穩定，隨著應力水平的增加變形逐漸增大、變形速率加快。另一方面，地基的變形特性與其自身的物理力學特性也是密切相關的。不同強度的地基土在相同的荷載條件下，呈現出不同的變形隨時間發展規律。

近年來，羅強等研究提出：長期荷載作用下地基土的塑性變形演化呈現為快速穩定、緩慢穩定、緩慢破壞和快速破壞等4個狀態類別[10](圖1)，并建立了基于變形速率為核心指標，以負冪函數為數學表達式的變形狀態“冪次判別法”，見式(1)。

圖1 長期荷載作用下地基土的塑性變形狀態

(1)

式中，ε′(t)為塑性應變速率；T1、T2為與材料和試驗條件有關的參數；p為函數的冪次。

p≥2時為快速穩定狀態，1

3.2 土體變形狀態與應力水平的關系研究

實際上，完全采用“冪次判別法”獲得土體塑性變形狀態閾值偏于嚴格，可以通過應力水平和p值關系來判斷土體的變形狀態。研究中，采用取自吉圖琿鐵路的中低壓縮性粉質黏土土樣，通過基于變形時間效應的三軸試驗、壓縮試驗、單元結構模型試驗等，驗證了土體隨著應力水平的增加，其變形演化呈現快速穩定、緩慢穩定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態，并確定了這4種狀態與其所受的應力水平的關系，應力水平采用荷載比k(峰值偏應力和極限承載力的百分比)來描述，詳見表2。

4 中低壓縮性土地基的壓縮層厚度研究

地基的壓縮層厚度受基礎寬度、基底附加應力、地基土性和地層結構等多種因素影響，理論分析和實測結果均表明：基底附加應力一定時，地基壓縮層的深度隨基礎寬度的增加而增長，但增速逐漸減緩，最終接近于常數；對一定寬度的基礎，地基壓縮層的深度則隨基底附加應力提高而增大。

表2 吉圖琿鐵路中低壓縮性粉質黏土的變形狀態與

長期以來，我國鐵路行業主要采用應力比控制法確定地基壓縮層厚度，高速鐵路地基壓縮層厚度按0.1倍應力比法取值，其他鐵路按0.2倍應力比法取值，確定的壓縮層下有軟土時，應繼續增加計算深度[11-12]。目前規范[11-14]對于壓縮層厚度的確定方法，主要是沿用了軟土地基壓縮層厚度的確定方法，未考慮地基變形的時間效應和地基土強度等因素，對高速鐵路中低壓縮性土地基而言，需作進一步的深入研究。

4.1 具有變形時間效應的地基壓縮層厚度研究的基本思路

根據中低壓縮性土變形的時間效應研究，地基土的塑性變形演化隨著其所受附加應力水平的提高呈現為快速穩定、緩慢穩定、緩慢破壞和快速破壞4個狀態類別。以土質地基為例，當地基表面的附加荷載一定時，隨著地基深度的增加地基中的附加應力將會逐步衰減，地基中的土體將會處于不同的變形狀態。當地基達到某一深度時，其土體變形就會達到快速穩定狀態，即該深度以下地基在相應附加應力下的塑性變形會快速完成，不會對路基的工后沉降造成影響，我們就稱此范圍為地基變形具有時間效應的區域，其下地基為不具有時間效應的區域，具有變形時間效應的區域即為該附加荷載作用下的地基壓縮層范圍[5]。

確定具有變形時間效應的地基壓縮層厚度的基本原理是：以地基承受的豎向附加應力和豎向自重應力之和作為荷載條件；以水平自重應力為提供抗剪強度的小主應力，根據變形狀態強度參數，參照莫爾-庫倫準則，得到相應的臨界大主應力沿深度的變化曲線，即變形狀態強度線。根據荷載與變形狀態強度線的關系，將地基由上自下劃分為具有變形時間效應和不具有變形時間效應區域(圖2)。其中，變形具有時間效應區域對應的地基厚度hI，即為具有變形時間效應的壓縮層厚度。

圖2 具有變形時間效應的地基壓縮層厚度確定示意

4.2 變形狀態強度參數的計算

通過對表2土體變形狀態與應力水平關系的相關試驗成果的綜合判定，吉圖琿鐵路中低壓縮性粉質黏土變形的4種狀態的3個閾值可按荷載比認定為：10%，70%，90%。在三軸試驗中，荷載比k為3個變形狀態系數kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%時，對應的應力狀態即為極限狀態摩爾圓的最小主應力不變(圍壓未變)，偏應力(摩爾圓直徑)為極限狀態最大偏應力(極限摩爾圓直徑)乘以對應的變形狀態系數kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%，此時可得到變形狀態系數kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%時對應的3條公切線，即為該土樣的3條變形狀態分界線。

圖3 變形狀態強度參數計算原理

(2)

(3)

4.3 具有變形時間效應的地基壓縮層厚度的計算方法

在具有變形時間效應的壓縮層厚度研究時，假設地基為均質地基，地基在自重應力和附加應力作用下的變形狀態處于快速穩定變形狀態；考慮中低壓縮性地基土的超固結特性，地基土的側向土壓力系數λ=1，則小主應力(水平自重應力)等于地基的豎向自重應力。

這樣，可以按快速穩定變形狀態強度參數ci和φi(其中i=I)，采用式(4)計算變形狀態強度線；根據式(5)的荷載強度-變形狀態關系，按式(6)計算具有變形時間效應的壓縮層厚度hI。

(4)

(5)

γhI+σz=γhItan2(π/4+φI/2)+

2cItan(π/4+φI/2)

(6)

4.4 基于工程應用的中低壓縮性土地基的壓縮層厚度確定方法

實踐中，地基是分層的非均質體，不同類型的工程結構對沉降控制的要求也不盡相同，我國不同行業的工程技術人員，在實際工作中結合各自的工程特點，對地基的壓縮層厚度做了很多的研究[15-20]。為盡可能符合鐵路工程技術人員的設計習慣，簡化計算方法，有必要與現行鐵路規范[11-12]確定壓縮層厚度的應力比法進行對照研究。

對吉圖琿鐵路的中低壓縮性土地基，考慮計算地基變形的時間效應，按上述方法采用快速穩定變形狀態線確定的地基壓縮層厚度hI如表3所示。同時，采用現行規范，按應力比分別取0.1、0.2、0.3和0.5計算的地基壓縮層厚度Zn一并列入表中進行對比。

表3 變形時間效應法和應力比法確定的地基壓縮層厚度對比 m

圖4 應力比法和變形時間效應法計算路堤地基壓縮層厚度的對比

具有變形時間效應的地基壓縮層厚度hI隨H變化，與應力比法確定的地基壓縮層厚度Zn變化規律一致，近似呈線性增長。如圖4所示，hI與按ψ=0.2應力比法確定的壓縮層厚度基本一致，因而對于類似吉圖琿鐵路中低壓縮性土地基的壓縮層厚度，可采用0.2倍應力比值法確定。

5 研究結論

在高速鐵路路基勘察設計中，經常遇到地基承載力在150 kPa以上的黏性土、粉土以及全風化巖等土質地基，多屬中低壓縮性土。中低壓縮性土普遍具有天然含水率較低、孔隙比較小以及超固結等工程特性，其壓縮系數較小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1，壓縮模量較大，在8.43～11.61 MPa；但其飽和度介于90%～92%，屬高飽和度土。在高速鐵路路基沉降分析與控制時，應充分考慮其變形的時間效應。

采用取自吉圖琿鐵路的中低壓縮性粉質黏土土樣，通過基于變形時間效應的三軸試驗、壓縮試驗、單元結構模型試驗等，驗證了土體隨著應力水平的增加，其變形演化呈現快速穩定、緩慢穩定、緩慢破壞、快速破壞4種狀態。對類似的中低壓縮性土地基，其4種狀態的3個閾值可按荷載比分別認定為：10%，70%，90%。

對于高速鐵路路基沉降控制而言，由于其工后沉降控制標準非常嚴格，在具有變形時間效應的壓縮層厚度研究時，認為地基在自重應力及附加應力的作用下其變形狀態應處于快速穩定變形狀態，并據此確定地基具有變形時間效應的區域和壓縮層厚度。為便于鐵路工程設計人員使用，通過對比研究得出：高速鐵路中低壓縮性土地基的壓縮層厚度，可采用0.2倍應力比值法確定。