无砟轨道路基低压缩性土沉降特性及地基加固方案分析

潘志刚

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)明确规定：无砟轨道地段路基在无砟轨道铺设完成后的工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求,工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm,路桥或路隧处的沉降差异不应大于5 mm。

为了将路基工后沉降值控制在允许范围内,对不满足要求的地段应根据地形和地质条件、路堤高度、填料、工期等条件,采取合理的基底处理措施。当前无砟轨道路基常见的处理措施有挖除换填、堆载预压、CFG桩复合地基、桩承式路堤及桩板结构等。

以某客运专线DK151+200～DK151+767段路基为例,根据沉降观测资料,对圆砾土、卵石土等低压缩性土沉降特性,以及合理选取地基加固方案进行了详细的分析总结。

1 工点概况

1.1 工程地质条件

DK151+200～DK151+767段路基地貌属低山前缘缓坡,地形疏缓开阔,略有起伏,交通便利。地层结构自上而下依次为：①Q4ml种植土,褐黄色,厚约0.4～2.6 m；②-1Q4al粉质黏土,灰黄色,软塑,厚约0.5～2.0 m；②-2Q4al淤泥质粉质黏土,灰黑色,软塑,厚约0.5～1.3 m,仅局部分布；③-1Q3al粉质黏土,灰黄色,硬塑,厚约0.3～4.9 m；③-2-1Q3al细圆砾土,灰黄色,潮湿,中密,厚约0.5～2.6 m,仅局部分布；③-2Q3al粗圆砾土,灰黄色～黄褐色,潮湿,中密,厚约5.1～11.9 m；③-2-2Q3al卵石土,灰黄色,潮湿,中密,厚约1.8～13.2 m；④-1D3w粉砂岩,褐黄色,全风化,厚约0.6～4.1 m；④-2D3w粉砂岩,灰白色～青灰色,强风化,揭示层厚>3 m。其中③-2及其亚层为典型的低压缩性土层,由于碎石类土难以采取原状样,故其检算指标压缩模量Es参照相关规范进行经验取值。各主要土层的物理力学指标见表1。

1.2 沉降估算

地基沉降可采用压缩模量Es按分层总和法进行计算,通过推导,路基工后沉降ΔS可按公式(1)计算

ΔS=φsS有荷-φsS无荷·U(1)

式中 ΔS——工后沉降,mm；

φs——沉降计算经验系数；

U——沉降完成比例(设计计算取值)；

S有荷——填土及轨道恒载产生的沉降,mm；

S无荷——由填土荷载产生的沉降,mm。

其中,沉降计算经验系数φs可根据压缩模量参照《建筑地基基础设计规范》(GB5007—2002)中附表进行线性内插法计算取值。

因《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》(铁建设[2006]158号)中明确规定,路基填筑完成后应有不少于6个月的观测和调整期；按放置期半年考虑,各代表性断面的工后沉降计算值见表2,从中不难看出：当不采用预压措施时,多数断面估算得出的工后沉降均大于15 mm；而当采用预压措施时,估算得出的工后沉降均为负值,小于零,故而实际上可按零沉降考虑。

表2 各代表性断面工后沉降计算值

1.3 地基加固处理方案

DK151+200～DK151+767段路基填高2.5～8.0 m,路基面宽13.6 m,边坡坡率1∶1.5；于DK151+767处接桥台设过渡段；地基处理结合现场地形、填高、地质条件及结构类型,分别选取了挖除换填(浅层处理)、CFG桩等加固方案,并在路基填筑完成后进行堆载预压,具体加固措施见表3。

表3 地基加固方案

2 现场观测分析

2.1 现场沉降观测

该段路基于2009年7月13日开始进行填筑,2009年12月29日填筑至路堤基床底层顶面,2010年1月1日开始进行堆载,1月16日堆载完成,截至2010年6月20日,在主体工程完工后的连续观测时间已满足规范要求的不少于6个月。代表性断面的沉降-荷载-时间曲线见图1、图2及图3。

图1 DK151+250基底沉降-荷载-时间曲线

图2 DK151+515基底沉降-荷载-时间曲线

图3 DK151+660基底沉降-荷载-时间曲线

从图中可以看出,该段路基的地基土在填筑预压过程中,具有以下变形特征。

(1)在填筑期间,随着路堤填土高度的增加,地基的沉降量不断增大,并且沉降速率较快；

(2)当堆载荷载完成后,在预压期间,地基的沉降速率逐渐减小,且沉降量最终趋于稳定。

2.2 观测数据分析

假定下列各符号意义及单位如下：S∞—预测路基在铺轨后的最终沉降量，mm；S填筑—路基主体工程填筑完成后的累计沉降量，mm；S堆载—路基堆载预压6个月后的累计沉降量，mm；S铺板—预测路基在铺板时的沉降量，mm；S轨道—路基铺设无砟轨道结构后发生的沉降量，mm；V填筑—路基填筑期间的平均沉降速率，mm/d；V预压—路基预压期间的平均沉降速率，mm/d；而工后沉降ΔS还可以通过公式(2)表示

ΔS=S轨道+S∞-S铺板(2)

根据现场观测记录数据,结合以上代表性断面的基底沉降—荷载—时间曲线图,采用三点法进行总沉降预测,通过分析,可以看出：

(1)由于该段地基的主要土层结构是由低压缩性、强渗透性的③-2-1细圆砾土、③-2粗圆砾土及③-2-2卵石土组成,在路基主体填筑期间产生的沉降量约占预测总沉降量的74.6%,详见表4,这表明,低压缩性土的沉降在填筑期间已大部分完成。

表4 代表性断面填筑期间沉降完成比例

(2)该段地基堆载预压期间的平均沉降速率远小于主体填筑期间的平均沉降速率,详见表5,且在堆载预压约2个月后,沉降曲线趋于平缓、收敛,这表明,对于类似地基条件,通过增加堆载预压措施,可以对工后沉降进行有效、稳定的控制。

表5 代表性断面填筑期和预压期沉降速率比值

(3)该段地基上覆淤泥质黏土、软塑～硬塑粉质黏土累计层厚1～5 m,下卧圆砾土、卵石土层厚10～20 m,预压6个月后,累计所完成沉降量约占总预测沉降量的91.5%,详见表6。由于黏性土压缩性高,渗透性弱,从而上覆黏土层所完成沉降比例较少(按80%计),故而下卧圆砾土、卵石土等低压缩性地层在堆载预压6个月后,其沉降完成比例(U)可按95%考虑。

表6 代表性断面预压6个月后沉降完成比例

(4)不同地段依次选取了振动碾压、挖除换填及CFG桩并联合堆载预压等工程措施,结合后期沉降观测,预测工后沉降均小于15 mm,为1.0～1.5 mm,接近于零沉降,详见表7,表明该地基加固处理方案是可行和合理的。

表7 代表性断面预测工后沉降值 mm

3 结论

通过分析DK151+200～DK151+767段路基地基加固处理方案及其工后沉降观测数据,得出以下结论。

(1)对于土层结构主要由低压缩性、强渗透性的圆砾土、卵石土组成的地基,其沉降基本上在填筑期就已经完成,完成比例约为75%。

(2)对于低压缩性圆砾土、卵石土等地层,进行沉降检算时,若路基预压期为6个月,其沉降完成比例可按95%考虑。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行) [S].北京：中国铁道出版社,2009.

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