某铁路车站软土地基的沉降变形特性＊

柴跃进

(中铁六局集团有限公司，北京100036)

由于软土具有抗剪强度低、压缩性高、渗透性小等特点，软土路基在填土、轨道结构和列车荷载作用下，引起的路基沉降具有沉降量大，侧向变形大，变形时间长等特点。要保证铁路路基的稳定和运营安全必须控制其沉降不超过规定范围。对此，规范明确规定［1］，Ⅰ级铁路工后沉降量不大于20 cm，路桥过渡地段工后沉降小于10 cm，沉降速率小于5 cm/a。为了使路基沉降达到要求，必须对软土路基在附加荷载作用下沉降大小和沉降完成时间进行计算，如不满足要求，则需对软土地基进行加固处理，使之满足要求。由于影响沉降计算的因素较多，沉降计算的精度不足以控制工后沉降。施工期必须按设计要求进行对沉降进行动态观测。通过对沉降观测数据分析评估，验证或调整设计措施，使路基、桥涵、隧道等工程达到规定的变形控制要求。分析、推算出最终沉降量和工后沉降，合理确定轨道开始铺设时间，确保铁路轨道结构铺设质量［2］。本文以广珠货运铁路江门站为例，计算了软土地基加固前后沉降变化，并与现场观测结果进行对比，研究了该地区沉降变形规律，以便为铁路的施工和运营提供依据。

1 工程概况

广州－珠海沿线的软土类型大都属于珠江三角洲相软土，对该地区软土的工程特性、形成条件和加固方法已经有很多的研究成果［3－11］。研究表明:该地区软土具有厚度大(最厚达42 m)含水量高(高达100．8%)，孔隙比大(最大为 2．8)，高压缩性(压缩系数高达4．40 MPa－1)，强度低(十字板抗剪强度6～15 kPa)，渗透性差(渗透系数为10－7～10－8cm/s)［11－12］。

在广州－珠海地区，无论是高速公路、铁路还是其他工程，软基处理地基采用的方法多样，如排水固结法、复合地基法、土工合成材料加筋法、化学加固法、振冲置密法、换填法等，但主要是堆载预压排水固结法［11］。

研究地区为新建广珠货运铁路江门南站软土路基。里程:DK119+700～DK123+000，该段地貌为冲积平原区，地形平坦开阔，多数为鱼塘。路基以路堤形式通过，填土高度2～7 m不等。从上至下主要地层如下。

人工填筑土;厚0～4 m;

淤泥和淤泥质黏土，流塑～软塑为主，厚7～35 m;

粗砂、砾砂，松散～稍密，厚0～20．5 m;

硬塑黏土，厚0～7．0 m;

淤泥质黏土，流塑～软塑，厚0～3．5 m;

泥质砂岩风化带。

研究地段软基处理的方式有水泥搅拌桩、塑料排水板+真空预压。

2 地基沉降计算

以断面DK120+500为例，计算工填土和轨道结构及列车荷载作用下沉降。

2．1 计算断面地层与计算参数

断面DK122+500如图1所示，软弱地层物理力学性质如下。

淤泥:容重 γ =15．7 kN/m3，压缩模量 Es=1.7 MPa，黏聚力 C=6．1 kPa，内摩擦角 φ =3．1°，水平固结系数Ch=1．26 cm2/ks，竖向固结系数Cv=1．24 cm2/ks，厚 10．3 m。

软塑黏土:容重γ=18 kN/m3，压缩模量Es=3．5 MPa，黏聚力 C=18 kPa，内摩擦角 φ =20°，厚6．1 m。

淤泥层采用塑料排水带(真空预压)加固区(间距1．0 m)。

图1 DK120+500横断面图Fig．1 Calculated section diagram of DK120+500

2．2 软土地区路堤基底的最终沉降量计算

软土地区路堤基底的最终沉降量S是指地基从受到荷载应力作用起到沉降完全终止的总沉降量。由形变沉降(瞬时沉降)Sd、主固结沉降和次固结沉降Ss组成。一般而言，铁路软基的沉降量由两部分组成:施工期沉降和工后沉降。施工期沉降是地基在路基填土和轨道结构荷载作用下，在地基内部产生应力和变形，从而引起路堤下沉，这部分沉降主要为瞬时沉降和主固结沉降。工后沉降主要是因孔隙水压力消散而产生的主固结沉降与因土骨架蠕变产生的次固结沉降组成。

主固结沉降Sc是由主固结产生的沉降，是沉降的主要部分。主固结沉降用分层总和法计算［14］。

形变沉降(瞬时沉降)和次固结沉降可按相应公式进计算，但通常计算主固结沉降，然后按工程统计的经验公式计算总沉降［14］。

式中:m为考虑地基侧向变形及其他影响因素的系数，采用真空预压排水固结加固的地基总沉降S;S=1．2Sc［14］。

在计算中，列车和轨道荷载换算土柱高度按规范［1］计算。附加应力 Po按下列公式计算［16］。

式中:P为每延米列车及轨道结构重量之和;b为路基面宽一半;m为路堤边坡坡率;γ为填土容重。

如表1所示，分别计算了在路堤填土荷载作用下和在路堤填土+轨道结构+列车荷载作用下最终沉降量。

表1 最终沉降量计算表Table 1 Calculated ultimate settlement cm

从表1可以看出:软土地基沉降量大，沉降量达到1．28 m，沉降主要是路堤填土造成的。在增加轨道结构+列车荷载作用下沉降增加了43．14 cm。

2．3 沉降与时间关系研究

某时刻t沉降量St等于某时刻固结度Ut乘以总(最终)沉降量。

(1)不设竖向排水体时，某时刻t固结度Ut按如下公式计算［15］:

(2)设竖向排水体时一级或多级等速加载条件下，当固结时间为t时，对应总荷载的地基平均固结度Ut可按下式计算［14］:

式中:Ut为t时间地基的平均固结度;qi为第i级荷载的加载速率(kPa/d);∑Δpi为各级荷载的累加值(kPa);Ti和Ti－1分别为第i级荷载加载的起始和终止时间(从零点起算)(d)。当计算第i级荷载加载过程中某时间t的固结度时，Ti改为t;α和β为参数，根据地基土排水固结条件采用不同计算式［14］。

断面DK120+500加固前后沉降与时间关系计算值如表2。从表2可看出:在施工期预压和排水固结后，软土地基大大加速了固结过程。在未加固前，需施工后12 a才能达到固结度85．7%，剩余沉降为128．82－110．42=18．4 cm，才能满足 1 级铁路工后沉降不大于20 cm要求。加固后施工240 d后，剩余沉降为 128．82 －111．78=17．04 cm，即可满足1级铁路工后沉降不大于20 cm要求。通过在施工期预压和排水固结，可使软基完成大部分或绝大部分的沉降，使铁路运营期间不致产生超过规定的沉降。同时，也可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性。

表2 断面DK120+500沉降与时间关系计算值Table 2 Calculated settlement of the section with time

图2 沉降与时间关系图Fig．2 Settlement－ time curve of the section

从沉降实测值可以看出:实测沉降与理论计算值大致吻合，但由于理论计算与实际施工条件有差异，再加上软土地基本身的复杂性，两者并不完全一致。首先表现在实际沉降值略大于计算值，如理论计算最终沉降值为128．82 cm，而观测稳定值达到140 cm;其次，实际沉降值在大致地基加固后2 a后才趋于稳定，时间长于计算值(240 d左右)。

2．4 软土地基沉降有限元计算与分析

有限单元法是将路基、路堤和轨道结构及列车荷载作为一个整体来分析，将其划分网格，形成离散体结构，在荷载(路堤和轨道结构及列车荷载)作用下计算得到路基、路堤各点的位移和应力。有限元法除了可以采用非线弹性、弹塑性、黏弹—塑性等多种描述土体应力—应变关系的模型外，目前也己能考虑到较为复杂的土体本构关系，如考虑流变的黏弹—塑性模型，考虑损伤效应的弹塑性损伤模型等。此外，有限单元法还可以考虑复杂的边界条件、土体应力－应变关系的非线性特性、土体的应力历史、水与骨架上应力的藕合效应等，可以模拟现场逐级加荷和处理超填土问题，能考虑侧向变形、三维渗流对沉降的影响，并能求得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力变化等［11，16］。

由于路堤是线形结构物，计算可以采用平面应变假设。本次有限元计算分析采用二维弹塑性模型，两侧地基为x方向约束，地基底部为x和y方向约束。地基两端为无限单元，其他为有限单元，分析区域共划分若干个四边形和三角形等参单元。

软弱地基在附加荷载(包括路基填土荷载和上部结构及列车荷载)作用下发生变形，包括水平和垂直变形，本次有限元分析只对垂直变形(沉降)进行研究。

图3 沉降变形等值线图Fig．3 Settlement isogram of the section

沉降变形等值线图见图3。由图3可以看出:计算断面在附加荷载作用下，路基各个部位都有不同的沉降量，断面中心处(即Ⅰ线下)地面中心沉降量最大，最大变形达1．31 m，路肩次之，路基两侧边坡坡脚处沉降量最小。断面实测沉降曲线也得到同样的结论，如图4所示。其沉降曲线形状类似于盆底状，在接近路肩处至坡脚处，由于附加荷载应力减少，沉降量也呈衰减趋势，发展趋势并没有在坡脚处终止，但并不会很大，而且基本上没有很大的变化。

图4 实测路基横断面不同观测点沉降曲线Fig．4 Measured settlement of different positon of the section

3 结论

(1)地基沉降主要是路堤填土造成的，在增加轨道结构+列车荷载作用下沉降有不同程度增加。

(2)加固前软弱地基在路基填土和上部结构荷载作用下沉降大，完成固结时间长。淤泥层采用塑料排水带(真空预压)加固后，固结时间大大缩短，在加固后240 d以内能满足1级铁路工后沉降小于20 cm和沉降速率小于5 cm/a要求。从沉降实测值可以看出:实测沉降与理论计算值大致吻合，但由于理论计算与实际施工条件有差异，再加上软土地基本身的复杂性，两者并不完全一致，实际沉降值略大于计算值，实际沉降值在大致地基加固2 a后才趋于稳定，时间长于计算值。

(3)地面沉降变形最大点位于地面1线中心点，路肩次之，往两侧沉降变形减少，路基两侧边坡坡脚处沉降量最小。

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