昔格達層高填方路堤工后沉降研究

馬 力 薛新華 蔣楚生 李慶海

(1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 研究背景

新建的攀枝花南站車站路堤填筑高度達到36 m，該處高填方路堤工程的填料擬采用路塹開挖的昔格達層土。昔格達地層物理力學性質(zhì)極差，具有壓縮性高、遇水軟化、脫水崩解等特點[1,2]。昔格達層在高填方自重壓力作用下，路堤本體的強度變化、變形特性等均不明確，且昔格達層高填方路堤的穩(wěn)定性與正常填方的穩(wěn)定性具有較大的差別，這使得路基本體變形和沉降控制成為一個值得探討的問題[3-7]。

昔格達層高填方路堤在施工及長期運營階段，即使嚴格按照規(guī)范進行建設和維護，也難免受到復雜自然地理條件及復雜荷載的持續(xù)作用，發(fā)生不同程度的病害。因此，有必要通過對昔格達層高填方路堤運營階段長期沉降發(fā)展規(guī)律進行研究，提出合理的工后沉降預測方法保證鐵路線路的安全高效運行。

2 工后沉降預測方法與流程

2.1 雙曲線法

該方法認為地基沉降量與時間呈雙曲線關(guān)系，工程實踐中常用的雙曲線的經(jīng)驗公式如下：

(1)

(2)

其中，St為時間t的沉降量；S0為時間t0的沉降量；Sf為路堤的最終沉降量(t=∞);b為待定系數(shù)。

由式(1)可知，當t趨向于無窮大時，即可推求路堤的最終沉降量。雙曲線模型具有形式簡單、應用起來方便快捷的特點，在工程實踐中得到廣泛的應用。通常雙曲線模型假設荷載是一次瞬時施加，但是高填方路基施工時路堤采用分級填筑，荷載屬分級施加。雙曲線模型可以應用于在分級荷載作用下沉降曲線“臺階現(xiàn)象”不明顯并穩(wěn)定發(fā)展時的預測。一般認為當有6個月以上的監(jiān)測資料時，運用雙曲線法效果會比較好。

2.2 三點法

三點法是以曾國熙(1959)推導的地基一維固結(jié)度方程為理論基礎推導而出的，基本公式為：

U=S∞-α(e-βt)

(3)

其中，α，β均為與地基排水條件、地基土性質(zhì)、荷載情況等有關(guān)的參數(shù)；t為固結(jié)時間。

利用路堤一段時間內(nèi)的沉降資料推算固結(jié)度，時間t時的地基平均固結(jié)度為：

(4)

其中，St為t時刻的實測沉降值；S∞為地基的最終沉降；Sd為瞬時沉降。

若不考慮次固結(jié)的影響，結(jié)合上述可簡化為t時刻地基的沉降公式：

St=S∞+(Sd-S∞)αe-βt

(5)

從實測沉降—時間曲線的恒載段上按照等時間間距的原則，選取距離間隔最長的三點幅(t1,S1),(t2,S2),(t3,S3)，代入式(5)可得：

(6)

(7)

(8)

通過聯(lián)立求解可得α,β,Sd等參數(shù)，將所得參數(shù)代入式(5)即可求得任意時刻地基的沉降預測值St。

3 各工后沉降預測方法結(jié)果分析

3.1 雙曲線法

根據(jù)雙曲線法的基本原理，結(jié)合施工完成后初期的沉降數(shù)據(jù)，將初期數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到初期的實測沉降變形量t/(St-S0)與時間t的關(guān)系曲線，確定雙曲線法中的兩個重要參數(shù)a,b的大小，然后進行路堤工后沉降預測。關(guān)于t/(St-S0)與時間t的關(guān)系曲線如圖1所示。

通過計算，可以得到沉降變形的雙曲線預測法的計算參數(shù)為a=4.147，b=0.008 8，S0=0。

因此，根據(jù)工程經(jīng)驗的雙曲線法可以得到預測變形公式如式(9)所示：

St=t/(4.147+0.008 8×t)

(9)

其中，St為應用雙曲線法的變形預測值；t為工后沉降時間。

因此，可以得到采用雙曲線法進行變形預測的時間曲線如圖2所示，現(xiàn)對該路堤斷面雙曲線法擬合結(jié)果進行分析，實測值與預測值對比結(jié)果如表1所示。

表1 沉降實測值與預測值對比表

由表1和圖2可知，運用雙曲線法對路堤沉降值的預測結(jié)果與實測沉降值在沉降起始段擬合較好，在中間段誤差較大，最大處誤差接近9%，這可能是與實測的沉降曲線收斂不明顯，不完全成雙曲線分布有關(guān)，需進一步通過調(diào)整時間間隔等方法改善其預測效果。

3.2 三點法

三點法在應用時較其他方法簡單實用，只取沉降觀測曲線上的三個數(shù)值代入公式求解，對數(shù)據(jù)要求較低，適合鐵路路基這種沉降量小、數(shù)據(jù)波動大的情況。本文時間段及沉降數(shù)據(jù)選取為取T1=300，S1=43.04，T2=900，S2=71.26和T3=1 500，S3=88.06，由式(3)～式(8)知：S∞=112.74 mm，a=0.81，Sd=1.27 mm，b=0.000 865，故該斷面的指數(shù)曲線擬合方程為：

St=112.74-91.319 4e-0.000 865t

(10)

該方法預測的最終沉降量為112.74 mm。現(xiàn)對該路堤斷面雙曲線法擬合結(jié)果進行分析，實測值與預測值對比結(jié)果如表2所示。

由表2和圖3可知，運用三點法對路堤沉降值的預測結(jié)果與實測沉降值十分接近，總體上相對誤差低于3%，在工程應用中處于可接受的范圍。

表2 沉降實測值與預測值對比表

4 預測方法結(jié)果分析比較

成昆鐵路攀枝花段建設標準為Ⅰ級新雙線，根據(jù)TB 1001—2005鐵路路基設計規(guī)范的要求：軟土及其他類型的松軟路基應進行工后沉降分析，工后沉降應滿足Ⅰ級鐵路不應大于200 mm，沉降速率不應大于50 mm/年。表3為兩種工后沉降預測模型預測結(jié)果對比，可以看出各路基沉降預測方法的工后沉降量分別為109.49 mm和108.04 mm，均滿足規(guī)范的要求。雙曲線法、三點法預測結(jié)果隨著工后運營時間的延長，沉降速率逐漸減小，這與實際路堤沉降特性比較吻合。運用雙曲線法預測的路堤沉降與土工離心試驗監(jiān)測結(jié)果在施工期結(jié)束發(fā)展規(guī)律初期比較吻合，填筑過程后期兩者的變化趨勢有較大差異，最終實測的沉降結(jié)果為109.49 mm。

表3 沉降預測模型預測結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文利用雙曲線法和三點法對攀枝花南站昔格達路堤某典型斷面工后沉降進行預測，由對比結(jié)果可以看出，兩種預測方法10年后工后沉降量為109.49 mm和108.04 mm。建立的預測曲線相關(guān)系數(shù)全部大于0.92，均滿足規(guī)范的要求，可以為類似高填方路堤沉降提供參考和借鑒。