高速鐵路路基工程觀測期不足沉降控制技術(shù)研究(Ⅰ)超載原則和設(shè)計

陶明安

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308)

近年來高鐵建設(shè)過程中，受征地拆遷、站房工程批復(fù)滯后與站前工程不同步、橋隧重難點(diǎn)工程施組調(diào)整及運(yùn)架梁通道等因素的制約，路基工程預(yù)壓或靜置期不足的現(xiàn)象時有發(fā)生。依據(jù)有關(guān)規(guī)范的要求，需要采取針對性的措施以加速或控制沉降，確保工后沉降滿足軌道鋪設(shè)要求[1-3]。在路基填筑完成后，出現(xiàn)沉降觀測期不足的情況時，超載預(yù)壓技術(shù)是一種相對經(jīng)濟(jì)高效的沉降控制補(bǔ)強(qiáng)措施[4-6]。

在普速鐵路或公路工程建設(shè)過程中，一方面對預(yù)壓期不足下的超載設(shè)計理論重視不夠，設(shè)計階段超載參數(shù)(高度、底寬等)多為定性設(shè)置且缺乏嚴(yán)格的計算，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)的原則不夠明確、出具的方案不具有針對性和可靠性[7-9]。另一方面，重點(diǎn)研究施工階段通過基于變形觀測的沉降評估來確定卸載預(yù)壓土的時機(jī)。比較常用的卸載控制方法有：工后沉降法、荷載比法[10]、有效應(yīng)力面積比法、沉降速率法[11]等，其中工后沉降法在剩余預(yù)壓期后評估的剩余沉降量更大且需要更多的堆載時間；荷載比例法常采用高度比例法進(jìn)行計算，但底寬和坡率不同導(dǎo)致兩者并不匹配且不同荷載形式下基底的附加應(yīng)力特征亦不相同；有效應(yīng)力面積比法雖然克服了上述缺陷，但在等載工況下時，等沉降全部發(fā)生后再卸載仍然偏保守。基于前者的反演沉降系數(shù)法，用超載工況下的沉降修正系數(shù)推算等載工況下的實(shí)際沉降，忽視兩者計算深度范圍內(nèi)壓縮模量當(dāng)量值的不同；沉降速率法由于控制的是變形輔助指標(biāo)，因此存在一定的工后沉降超標(biāo)風(fēng)險。

由于工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)較低(一般地段為200～300 mm)，加之工程建設(shè)工期敏感度不高，過往超載設(shè)計與卸載方法尚能指導(dǎo)普速鐵路和公路工程的后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)施工。而高速列車對高速鐵路軌道的平順性要求高，導(dǎo)致工期和工后沉降控制較為嚴(yán)格，在施工階段需要充分借助沉降觀測和評估才能最終確定后續(xù)卸載和鋪軌時機(jī)[12-13]，以滿足毫米級別的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。以上種種特征都對高速鐵路的超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計理念和方法提出了更高的要求。

綜上，高速鐵路在建設(shè)領(lǐng)域中由于沉降觀測期不足，缺乏超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的相關(guān)理論和成熟的設(shè)計、計算方法，因此，迫切需要從定性階段轉(zhuǎn)化為定量階段。基于超載預(yù)壓需提前卸載至等載預(yù)壓的理念和沉降固結(jié)計算理論，建立高速鐵路路基工程沉降觀測期不足超載補(bǔ)強(qiáng)的原則和設(shè)計方法，可為今后類似項(xiàng)目提供技術(shù)參考與借鑒。

1 基于超載沉降量化計算的補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施原則

依據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》6.10.1條的有關(guān)規(guī)定[2]，并非全部路基工程預(yù)壓或靜置期不滿足6個月的強(qiáng)制要求時，都必須采取補(bǔ)強(qiáng)措施。在超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計與計算時，首先要明確超載補(bǔ)強(qiáng)的判定標(biāo)準(zhǔn)，在給定的剩余預(yù)壓期或靜置期(小于6個月)內(nèi)，原設(shè)計荷載工況條件下路基工程的工后沉降是否滿足規(guī)范中15 mm的要求，進(jìn)而提出如下補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施原則。

(1)經(jīng)計算不需補(bǔ)強(qiáng)情況

地基條件良好，在原設(shè)計荷載工況和剩余預(yù)壓或靜置期內(nèi)，工后沉降小于 15 mm 時，一般情況下不需要再次進(jìn)行堆載補(bǔ)強(qiáng)。考慮到巖土參數(shù)的離散性和計算經(jīng)驗(yàn)的不足，以及實(shí)施堆載預(yù)壓的可行性(土源、架梁和施工通道等)，對經(jīng)計算不需補(bǔ)強(qiáng)工點(diǎn)可進(jìn)行定性加強(qiáng)預(yù)壓。

(2)經(jīng)計算需堆載補(bǔ)強(qiáng)情況

在原設(shè)計荷載工況和剩余預(yù)壓或靜置期內(nèi)，工后沉降大于 15 mm 時，需要再次進(jìn)行堆載補(bǔ)強(qiáng)。

此外，當(dāng)路基基底為強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化基巖時，或地基采用樁基+筏板的樁板地基結(jié)構(gòu)形式時，樁底由于進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化基巖，地基幾乎沒有沉降，因此僅需要消除路基填料本身的沉降量即可，而對于對填筑高度較大或換填較深的需要輔以定性預(yù)壓措施，加強(qiáng)沉降觀測，保證沉降觀測數(shù)據(jù)量滿足沉降評估的需要。

2 沉降計算理論依據(jù)

目前，高速鐵路路基工程地基處理領(lǐng)域主要采用的方法有挖除換填、樁基+樁帽的樁網(wǎng)復(fù)合地基、樁基+筏板的樁板地基結(jié)構(gòu)形式等[14-15]。其中，樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降計算依據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[16]和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[17]的有關(guān)規(guī)定，采用基于布辛奈斯克解和復(fù)合模量的分層總和法進(jìn)行沉降計算；樁板結(jié)構(gòu)地基沉降計算依據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[18]的相關(guān)規(guī)定，樁板結(jié)構(gòu)地基采用基于實(shí)體深基礎(chǔ)法的分層總和法進(jìn)行沉降計算。

地基沉降的固結(jié)度計算依據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，一級或多級等速加荷條件下地基的平均固結(jié)度計算采用高木俊介法計算，對于復(fù)合地基加固區(qū)而言，可簡化采用周邊土層的固結(jié)度進(jìn)行計算，排水路徑涉及不同固結(jié)系數(shù)土層時，可按照等效排水時間換算排水距離[19]。

3 超載補(bǔ)強(qiáng)計算方法研究

3.1 超載預(yù)壓須提前卸載至等載

如圖1所示，等載和超載條件下地基的總沉降分別為ΔH1和ΔH6，則存在

ΔH1<ΔH6

(1)

按照太沙基固結(jié)理論可知，相同的地基條件下，土體發(fā)生沉降的時間效應(yīng)——固結(jié)度相同，假定到預(yù)壓截止日T1，地基平均固結(jié)度都為U1，則存在

ΔH2=(1-U1)ΔH1<ΔH7=(1-U1)ΔH6

(2)

與此前分析的一致，一直超載下去在預(yù)壓期結(jié)束后直接預(yù)測的工后沉降反而會更大，與超載預(yù)壓的初衷相違背，而從總沉降數(shù)據(jù)曲線中剔除超載因素的技術(shù)手段精度有限，故超載預(yù)壓需要提前卸載至等載，并結(jié)合卸載后實(shí)測的沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合推算工后沉降。

圖1 超載卸載至等載的沉降曲線計算示意

3.2 超載卸載時機(jī)的確定

沉降觀測周期和數(shù)據(jù)量決定著沉降評估的準(zhǔn)確性，提前太多時間卸載，則超載持續(xù)時間太短，加速沉降的效果減弱。而臨近評估期再卸載，等載觀測期時間短、數(shù)據(jù)量少，則會影響工后沉降評估的精度和準(zhǔn)確性，結(jié)合以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)路基工程預(yù)壓或靜置期仍有3～5個月的時間，一般等載沉降數(shù)據(jù)觀測期宜為1～2個月。

3.3 超載卸載時沉降標(biāo)準(zhǔn)的確定

如圖1所示，等載工況下預(yù)壓截止日后的工后沉降為ΔH2，則有

ΔH2>15 mm

(3)

超載工況下超載卸載日后的工后沉降為ΔH8，等載觀測期的沉降為ΔH4，等載觀測期結(jié)束至預(yù)壓截止日后的工后沉降為ΔH9，便推導(dǎo)出

ΔH8=ΔH4+ΔH9

(4)

按照規(guī)范工后沉降評估標(biāo)準(zhǔn)要求

ΔH9≤15 mm

(5)

超載工況下卸載時發(fā)生的沉降為

ΔH1-ΔH8=ΔH1-ΔH4-ΔH9≥H1-ΔH4-15

(6)

設(shè)等載工況下的設(shè)計荷載為P，超載工況下的荷載為P+ΔP，則等載觀測期的沉降ΔH4主要由設(shè)計荷載P下的壓縮沉降ΔH10和超載荷載ΔP下已壓縮變形的回彈量ΔH11構(gòu)成。

設(shè)預(yù)壓截止日T3時的地基平均固結(jié)度為U3，則有

ΔH10=(U1-U3)ΔH6

(7)

設(shè)預(yù)壓截止日T3時超載荷載ΔP下已壓縮變形為ΔH12，則有

ΔH12=U3(ΔH6-ΔH1)

(8)

土體的卸荷回彈變形往往具有時間效應(yīng)[20]，這里假定卸載回彈變形的時間效應(yīng)滿足太沙基一維固結(jié)原理，從卸載起算固結(jié)起始時間，設(shè)時間T2內(nèi)的固結(jié)度為U2，則有

ΔH11=U2ΔH12=U2U3(ΔH6-ΔH1)

(9)

由ΔH4=ΔH6+ΔH1進(jìn)一步推導(dǎo)出

ΔH4=(U1-U3)ΔH6+U2U3(ΔH6-ΔH1)

(10)

4 超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計流程介紹

下面結(jié)合圖2，對預(yù)壓期不足工況下超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計流程做進(jìn)一步說明。

圖2 預(yù)壓期不足超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計流程

(1)結(jié)合當(dāng)前施工進(jìn)度與組織安排，明確高速鐵路路基工程的剩余預(yù)壓期T1，并基于等載觀測期T2進(jìn)步推算超載預(yù)壓期T3=T1-T2。

(2)依據(jù)地基沉降計算中的分層綜合法和高木俊介法，計算剩余預(yù)壓期T1內(nèi)等載工況下的地基總沉降量ΔH1、工后沉降量ΔH2以及一直等載條件下對應(yīng)于等載觀測期內(nèi)T2內(nèi)的地基沉降量ΔH3。

(3)基于卸載變形仍滿足固結(jié)規(guī)律的假定，計算超載卸載至等載后到等載卸載的這段期間內(nèi)(T2)地基所產(chǎn)生的沉降ΔH4。

(4)給定初始超載預(yù)壓高度H1和底寬B1，計算超載工況下卸載至等載時地基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：ΔH1-ΔH4-ΔH0，其中ΔH0為規(guī)范要求的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

(5)計算超載預(yù)壓期T3內(nèi)超載工況下的地基沉降量ΔH5，若ΔH5≥ΔH1-ΔH4-ΔH0，則完成本次超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計，反之，進(jìn)一步調(diào)整H1和B1以使其滿足超載卸載至等載的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論與建議

針對高速鐵路路基工程沉降觀測期不足，超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計難以指導(dǎo)工程實(shí)踐的現(xiàn)狀，基于超載預(yù)壓須提前卸載至等載預(yù)壓的理念，系統(tǒng)構(gòu)建了超載預(yù)壓補(bǔ)強(qiáng)原則的設(shè)計與計算方法，在今后的工程應(yīng)用中加以改進(jìn)和完善的同時，有以下幾個方面需要引起足夠的重視。

(1)由于巖土參數(shù)的離散性、沉降的時效性以及理論計算精度的有限性，超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計可以指導(dǎo)后續(xù)施工，但最終仍需以沉降觀測及評估結(jié)論來確定預(yù)壓土卸載時間和鋪設(shè)無砟軌道的施工時機(jī)。

(2)超載補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計時，需要及時對工點(diǎn)內(nèi)地基和支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，以確保在超載工況下，地基承載力、樁板結(jié)構(gòu)的筏板配筋以及擋墻的滑動穩(wěn)定性等指標(biāo)滿足要求。

(3)超載補(bǔ)強(qiáng)措施的設(shè)計與施工還需要結(jié)合外部施工環(huán)境進(jìn)行調(diào)整：一方面超載預(yù)壓位于臨近既有線段落時，為避免超載引起臨近既有線發(fā)生較大附加沉降，建議盡量減少既有線側(cè)的堆載預(yù)壓。通過調(diào)整超載預(yù)壓土的位置和高度來實(shí)現(xiàn)超載補(bǔ)強(qiáng)效果；另一方面在有站房和雨棚柱等站前、站后工程交叉施工的地段，應(yīng)充分考慮其對堆載預(yù)壓施工的干擾和影響，并及時優(yōu)化超載補(bǔ)強(qiáng)相關(guān)參數(shù)。