某高速鐵路動車段地基處理沉降研究分析

韓竹青

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

不良地質條件造成的沉降問題給高速鐵路路基的穩定造成了較大影響。當高鐵工程通過沿海、湖泊等地區時，對淤泥質軟土的地基處理就顯得十分重要。

在國內，張麗娟等[1]結合廣州南沙泰山石化倉儲區1期淤泥質地基處理工程，基于沉降觀測結果，認為填土預壓和塑料排水板的地基加固效果明顯。薛元等[2]通過對滇池附近淤泥質土地基處理工程的穩定及沉降簡算，認為采用水泥土攪拌樁處理可行。王志偉等[3]采用數值模擬分析，認為預應力管樁對處理含水量較高的深厚軟土地基效果顯著。當一項工程中對沉降有不同要求時，應對各種地基處理效果進行橫向對比，選擇最優處理方案。以下結合某境外高速鐵路動車段的工程實際需求，根據其工程地質概況，通過沉降計算，對幾種常見的地基處理形式進行分析探討，為類似地質條件下的高鐵地基處理工程提供設計理論依據。

圖1 動車段平面及鉆孔布置

1 工程地質概況

1.1 工程概況

某境外鐵路為設計速度250 km/h的客貨共線鐵路，動車段范圍對應正線里程DK37-DK42，動車段內股道路基填高5.0 m，路基邊坡坡率為1∶1.75，場坪區域填高4.5～5.5 m。該動車段按沉降控制要求劃分為三個區域(見圖1)，各區域的工后沉降要求分別為區域Ⅰ控制在300 mm以內，區域Ⅱ控制在15 mm以內、區域Ⅲ控制在400 mm以內。

1.2 地質概況

該動車段地處沖海積平原地帶，地形平坦開闊，河渠密布，地下水類型為第四系孔隙潛水，主要靠大氣降水和地表水系直接補給，地下水徑流排泄不暢，勘測期間地下水水位埋深0.4～2.3 m(高程-0.34～1.69 m)，水位變幅2.0～3.0 m。

根據勘探揭示，地層自上而下為第四系全新統人工堆積層素填土；第四系全新統沖海積層淤泥、黏土；第四系全新統沖洪積層黏土、粉質黏土；第四系更新統沖洪積層黏性土、砂類土、細圓礫土。

1.3 特殊地層物理力學性質

選取鉆孔BKBH-022、BKBH-113、BKBH-112的地質資料分別作為區域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的代表性物理力學指標。

1-1'及2-2'的地質縱斷面分別見圖2、圖3。第①層素填土以粉質黏土為主，場地表層普遍分布，層厚0.4～3.0 m，土質不均，固結程度較差；第②層黏土為硬塑，褐黃色，含20%細砂；第③層淤泥呈灰褐色，流塑；第④層黏土為硬塑，褐黃色，含鐵錳質結核。對于本工程影響較大的為第③層淤泥層，天然孔隙比e=1.349～2.693，天然含水率w=51.6%～98.5%，天然重度γ=14.6～17.0 kN/m3，黏聚力C=6.6～15.8 kPa，內摩擦角φ=0.8°～4.9°，有機質含量5.07%～9.02%，淤泥層在場地表層普遍分布，層厚3.7～12.1 m，工程性質差。

按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2010)，對各鉆孔的原狀土樣進行基本物理力學性質試驗[4]。各區域需加固土層的物理力學指標對比見表1～表3。

表1 第②層黏土物理力學指標

圖2 1-1'地質縱斷面

圖3 2-2'地質縱斷面

表2 第③層淤泥物理力學指標

表3 第④層黏土物理力學指標

由表1可知，區域Ⅰ、Ⅱ表層黏土的含水率較低，壓縮系數基本處于0.1～0.5 MPa-1之間，屬于中低壓縮性土[5]；區域Ⅲ黏土層含水率及壓縮系數都偏高，原因在于該區域表層黏土較薄，鉆孔取樣深度正好處于黏土層和淤泥層交界處。由表2可知，淤泥層含水率偏高，壓縮系數在2.0 MPa-1左右，屬于高壓縮性土。從表3可看出，下層黏土層含水率偏低，壓縮系數在0.2 MPa-1左右，屬于中低壓縮性土。

各區域土體壓縮實驗數據所得e-p曲線如圖4、圖5、圖6，經對比可見，除區域Ⅲ表層黏土較其他兩塊區域的孔隙比差別較大外，各區域淤泥層的e-p曲線吻合程度較高。圖5中，淤泥層e-p曲線較陡，印證了淤泥層壓縮性較高的力學性質；圖4中，區域Ⅲ黏土層壓縮性較區域Ⅰ、Ⅱ偏高，原因可能在于該區域淤泥層較厚，含水量過大，對上下土層均產生影響所致。

圖4 第②層黏土e-p曲線

圖5 第③層淤泥e-p曲線

圖6 第④層黏土e-p曲線

2 地基處理方法

鐵路工程中常用的地基處理方法有很多種，如換填墊層、沖擊碾壓、強夯、袋裝砂井、塑料排水板以及各類樁結構等。根據《鐵路工程地基處理技術規程》(TB10106—2010)[6]，當地基情況為淤泥及流塑狀淤泥質土時，適用的主流地基處理方法為換填墊層、預制管樁、塑料排水板、水泥土攪拌樁以及樁筏(板)結構等。

2.1 換填墊層

換填墊層法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理[6]，換填墊層的厚度一般根據置換軟弱土的深度以及下臥土層的承載力確定，厚度宜為0.5～3.0 m。

2.2 塑料排水板

塑料排水板排水固結法適用于含水量大、壓縮性高、強度低、透水性差的軟弱土層。其原理為:將塑料排水板插入地基中，采用超載預壓或真空-堆載聯合預壓，使地基土中的孔隙水排出，將預壓加固的附加應力轉化為土的有效應力[7]，使地基土漸漸固結，從而提高地基的強度和穩定性。

2.3 水泥土攪拌樁

水泥土攪拌樁適用于淤泥、淤泥質土等飽和黏性土地基，該方法利用水泥等材料作為固化劑，經過攪拌使地基中的軟土和固化劑產生反應，使軟土成為具有整體性、水穩定性的水泥加固土[8]，從而提高地基的強度，減小工后沉降。

2.4 預應力管樁

對于深厚層軟土地基，當常用的排水固結法、復合地基法無法滿足工后沉降要求時，可采用預應力管樁為主的地基處理措施[9]。

3 地基處理沉降計算及分析

選用分層總和法計算地基工后殘余沉降。這種方法計算參數易取得，且在工程中廣泛應用，計算參數采用壓縮試驗資料所得的e-p曲線和e-lg p曲線。

e-p曲線法:根據相應地層所處壓力段范圍的孔隙比變化量，乘以地層計算厚度，直接換算得到該地層沉降量，然后進行總和計算。所采用的是壓縮試驗得到的最直接數據，不存在二次推導和其它指標估算，是該地層土體壓力與變形特性的直接反應[10-11]。

e-lg p曲線法:在計算地基沉降過程中，除了孔隙比指標外，對于欠固結和正常固結土，需要引入先期固結壓力Pc和壓縮指數Cc(這兩個指標通過壓縮試驗數據推演得到)；對于超固結土地層，還要進一步引入回彈指數Cs，以充分考慮其超固結性和應力歷史對地層的強化作用[12]，避免所得沉降量偏大的現象。

本動車段的地基沉降計算采用e-p曲線而非elg p的原因在于以下兩個方面:

(1)依據高壓固結試驗e-lg p計算Pc的Casagrande法[13]屬于一種經驗性作圖法，雖然應用多年，但其存在的誤差性已經在既有工程中大量地反映出來。因此，依據高壓固結試驗數據作圖得出的Pc值進行沉降計算，所得結果會存在偏差[13]。

(2)先期固結壓力Pc和壓縮指數Cc主要通過高壓固結試驗獲得[14，15]，但動車段內地層只進行了常規壓力固結實驗和壓縮回彈試驗，低壓力段確定的先期固結壓力Pc和壓縮指數Cc會存在更大的誤差性和波動性。

一般情況下，兩種曲線均適用于各種固結狀態土層的沉降計算。為了考慮土的應力歷史，e-lg p曲線更適用于非正常固結狀態的情況。綜合分析e-p曲線法和e-lg p曲線法的計算結果、計算原理及地層情況，ep曲線能夠更為精確地計算出本工程的工后沉降量。

根據工程經驗，三個區域的地基處理深度分別為16 m、24 m、14 m。塑料排水板采用正方形布置，間距1.0 m，導管直徑0.066 m；水泥土攪拌樁采用正方形布置，樁間距1.2 m，直徑0.5 m，抗剪強度400 kPa；預應力管樁采用正方形布置，間距1.3 m，管樁外徑0.4 m，壁厚200 mm。三種地基處理方法應用于各區域的工后殘余沉降量見表4。

表4 工后殘余沉降量 mm

由表4可知，在相同加固深度條件下，滿足區域Ⅰ沉降要求(300 mm)的地基處理方法有水泥土攪拌樁、預應力管樁；滿足區域Ⅱ沉降要求(15 mm)的只有預應力管樁；三種地基處理方法均可滿足區域Ⅲ的沉降要求(400 mm)。

4 地基處理方案比較

在滿足沉降要求的基礎上，對各區域適用的地基處理方法進行技術、造價等方面的比選，以確定經濟、合理的方案(見表5)。

表5 地基處理工程預算 萬元

由表5可知，對于區域Ⅰ而言，管樁和攪拌樁的工程預算相差較大，當兩種方案均可滿足沉降要求時，水泥土攪拌樁是較為合理的選擇，除成本較低外，水泥攪拌樁還具有設備簡單、技術可靠等優點；區域Ⅱ面積較小，故使用預制管樁并不會大幅度提高預算，且該方案施工方便、進度易控制、檢測方便；對于區域Ⅲ，塑料排水板造價更低，且具有施工速度快、效率高、對土擾動小及可工廠化生產等優點[16]。

5 結論

當軟土地基中存在較厚流塑狀淤泥層時，對于沉降要求不高的普通場坪段落，可以選用塑料排水板(結合堆載預壓或真空預壓)和水泥土攪拌樁進行加固；對于高鐵正線或有特殊沉降要求的區域，應選擇預應力管樁控制軟土地基的工后沉降，并結合具體地層情況、鐵路等級等相關因素，確定合理、經濟的加固深度。