基于深孔载荷板试验的高速铁路路基工后沉降计算方法

于基宁（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安　710043）

基于深孔载荷板试验的高速铁路路基工后沉降计算方法

于基宁
（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043）

高速铁路路基工程对工后沉降控制严格，由工后沉降超限引起的工程风险责任巨大，因此寻找更为合理、准确的工后沉降计算方法成为亟需研究的重要课题。本文提出了一种测试深层土体压缩性质及承载特征的试验方法，应用该方法可快速、准确地完成工程地基原位土体压缩特性测试。在利用该方法对宝兰客运专线典型路基工点进行测试的基础上，归纳总结出了高速铁路路基工后沉降计算新方法。新方法引入含时间参量的压缩模量，即非饱和土工后沉降计算时考虑了时间的影响，使工后沉降计算结果更准确地反映工程实际。

高速铁路；工后沉降；深孔载荷板；沉降计算

1　概述

高速铁路路基工程设计对路基沉降要求极高，要求无砟轨道路基工后沉降不宜超过15 mm，与桥隧相连区的差异沉降不应大于5 mm。传统的以室内侧限压缩试验结合分层总和法的工后沉降设计理论已不能满足工程需求，探寻新的工后沉降分析方法成为一个新的研究热点。主要有2个研究方向：①从工程原理出发探寻更合理的分析模型及理论；②研究如何获取准确的计算分析参数。后者更为重要。在工程设计之初获取准确的、符合土体应力状态的变形参数，对于地基沉降控制至关重要，直接影响工程的投资及安全。

本文从研究测试地基原位变形参数入手，研制了新型便携式的孔内载荷板试验装置。该装置可快速完成不同深度孔内载荷板试验，从而获得工后沉降所需的土体原位压缩变形参数。根据试验测试数据的变化规律，对非饱和土工后沉降进行了详细的分析，提出与时间相关的压缩模量，能够更为合理准确地评价路基工程工后沉降。

2　现场试验

试验场地选在新建宝兰客专天水南车站的路基工程中，区内涉及地层包括第四系上更新统风积、冲积黏质黄土。风积砂质黄土广泛分布于表层，厚25～30 m，具有Ⅳ级湿陷性。冲积黏质黄土广泛分布于风积黏质黄土下部，土体较紧密。风积层土天然密度在1.4～1.7 g/cm3，含水率14% ～18%，液限27% ～34%，塑限17% ～20%。冲积层黄土天然密度在1.70～1.85 g/cm3。试验土层典型颗分曲线见图1，干密度随深度变化趋势见图2。

图1　试验土层颗分曲线

图2　干密度随深度变化趋势

试验中采用自行研制的便携式深孔载荷板试验装置。该装置由反力系统、加载系统、测试系统等组成，见图3。设备总高2.1 m，总质量158 kg，可采用机械吊装方式放入试验孔内。其反力系统由充气橡胶囊组成，膨胀后作用于固定孔壁上，为试验系统提供支撑反力。位移量测基准梁独立于加载系统并与孔壁连接从而保持绝对静止。所有试验动作均在孔底完成，大幅提高了深孔载荷板试验精度与可靠度，有较高的工作效率，是深层地基土原位压缩试验的一种可靠、高效的试验方法。

图3　便携式深孔载荷板试验装置组成

3　深层土原位压缩模量研究

压缩模量（变形模量）是工程沉降分析中至关重要的计算参数。工程中常用侧限压缩试验测试土体在侧限应力状态下的侧限压缩模量 ES。该方法受土样扰动、测试条件等因素限制试验结果与实际存在偏差，运用于高速铁路时所带来的误差不可忽略。在地基沉降分析中采用载荷板试验获取地基压缩参数是较合理的方法，但非饱和土与无黏性土的变形模量受约束应力影响很大，地基中E值常随深度的增加而增大，载荷板面积较小，受压层深度有限，测得的 E值只反映载荷板下较浅范围内土的变形模量。理想的做法是在地面下不同深度开展载荷试验。

利用便携式深孔载荷试验装置进行测试，得到的试验场地地面下5 m处的沉降压缩曲线见图4。加载范围100～500 kPa，总沉降量为44.89 mm。根据压缩曲线分析可获得该层土体压缩模量。通过对不同深度进行测试即可获得沉降设计所需的原位土体压缩模量。

进行深层载荷板试验时，荷载作用在半无限体内部，因此依据Boussinesq公式所推导的浅层载荷板试验压缩模量计算方法并不适用。随着试验深度增加，其误差会很大。目前深孔载荷板试验应用实例较少，试验资料的整理也基本沿用浅层载荷板试验的方法。理论上孔内原位土变形模量应与载荷板形状、大小、测试深度、土体性质等因素相关。根据Mindlin解，垂直荷载作用于地基内部一点所引起的土的弹性变形wi计算公式为

图4　地面下5 m处的沉降压缩曲线

式中：G为土的剪切模量；P为荷载；μ为土的泊松比；R1，R2分别为集中力作用点及其地面镜像点距拟求位移点的距离。

由式（1）可得深层圆形载荷板板底中心的变形w为

进而得到地基土变形模量为

式中：d为载荷板直径。

依据测试数据，由式（3）可获得地面下不同深度土体的原位压缩模量 Ei。上式与侧限压缩模量公式相比由于增加了土体泊松比这一参量其计算结果更接近实际。

依据室内压缩试验数据，场地内土层侧限压缩模量ES1-2随深度h的变化关系为

在5 m深度处土体的侧限压缩模量是5.37 MPa，且试验数据离散化严重。当泊松比为0.23时，依据式（3）计算同一点位土体压缩模量为3.04 MPa，当泊松比取0时则为2.75 MPa。由此可知原位土体压缩模量与室内侧限压缩模量的差异巨大。

4　工后沉降计算方法

由于试验条件限制，通过室内侧限压缩试验计算压缩模量时考虑了压缩过程中土体孔隙总体变化。采用该测试参数对非饱和土进行沉降分析时无法区分施工过程中的瞬时沉降与工后沉降。一般在计算总沉降的基础上对工后沉降进行折减，或者采用预测理论对工后沉降作趋势预判。这给工程设计分析带来较大误差。

非饱和土地基沉降主要发生在荷载加载初期。在非饱和土区修建的高速铁路路基大部分沉降发生在施工期间。严格意义上的工后沉降是压缩层内的土体颗粒及骨架在荷载长期作用下的一个缓慢调整过程，因此非饱和土的工后沉降分析中应引入时间参量，该参量与非饱和土的土水特征曲线以及非饱和土孔隙水压、气压变化相关。该方面的理论尚处于研究阶段，目前难应用于工程实际。

工程应用中现场试验能够最大程度地反映地基土的受力变形状况。深孔载荷板试验能反映不同深度土体的受力变形状况，依据试验资料可以清晰判别在荷载作用下土体沉降的不同阶段。

单级荷载（荷载从100 kPa增加至200 kPa）作用下5 m埋深处的沉降变形曲线见图5（a）。可见，90%以上的沉降量发生在加载初期OA段，此阶段称为瞬时沉降阶段；随后进入过渡段AB段，此阶段沉降速率逐渐降低，沉降变形趋于稳定；之后进入缓慢沉降变形阶段BC段，此阶段沉降速率变化逐渐减小，受荷土体进入长期调整状态。依据高速铁路规范要求，铁路路基工后沉降是指路基工程施工结束铺轨以后在运营期的总沉降量，工后沉降过程应属于BC段的缓慢变形阶段，见图5（b），不能包含 OA和 AB 2段的沉降量。这与侧限压缩试验有本质的区别。

当地基土在荷载作用下进入缓慢沉降变形阶段，其沉降量随时间变化。根据试验数据分析，沉降量随时间的变化近似成对数曲线关系。当从 t1增加至 t2时其对应的工后沉降量增量Δs为

式中：a为深孔载荷板试验参数。

工后沉降分析中，含有时间参量的地基土变形模量为

图5　单级荷载作用下5 m埋深处的沉降变形曲线

式中：I0为载荷板形状系数，Kh为试验深度修正系数，I0，Kh的综合取值应由式（3）获得。

采用深孔载荷试验可测试出不同深度的工后变形模量Et1，t2，确定 OA，AB，BC各沉降阶段起止时间，然后根据施工进度结合沉降分析的分层总和法即可获得任意时间段内高速铁路路基的工后沉降量。根据图5所示的试验数据，5 m深处的点在200 kPa压力作用下，从加载第2天起至加载第30天止的沉降量经计算是0.4 mm。

试验资料显示一般非饱和土地基的工后沉降变形模量都较大，间接解释了为何许多工程工后沉降实测数据非常小而设计计算数据较大。本文所采用的方法为高速铁路路基工后沉降分析理论提供了一个发展方向，但该方法仍处于初步研究阶段，尚待进一步的试验研究。

5　结论

1）便携式深孔载荷板装置能够快速、准确地测试地基深层土体的受力变形特征与土体实际受力状态。

2）基于 Mindlin位移解，给出了通过深孔载荷板试验计算压缩模量的方法。试验对比表明计算结果与室内侧限压缩模量有着较大区别。

3）依据深孔载荷板试验数据，对非饱和地基土沉降变形各个阶段进行了区分，指出高速铁路工后沉降分析中不应考虑瞬时沉降及过渡段沉降的影响。

4）提出了含有时间变量的工后沉降土体变形模量计算公式与高速铁路路基工后沉降新计算方法。该方法尚需进一步研究与验证。

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（责任审编李付军）

Calculation Method of Subsidence of High Speed Railway Completed Subgrade Based on Deep Hole Loading Plate Test

YU Jining
（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

T he subgrade subsidence after construction of high speed railway is strictly controlled.Because the engineering risk caused by excessive subsidence after construction is huge，to find a more accurate and reasonable subsidence calculation method has become an important issue that needs to be researched.A test method was proposed to test the compressive properties and bearing characteristics of deep soil.T he method can quickly and accurately complete soil compressive properties tests in situ.Based on the application of the test method in Baoji-Lanzhou passenger dedicated railway，a new calculation method of subgrade subsidence after construction of high speed railway was put forward.T he parameter of time was introduced to calculate soil compression modulus，that is，the influence of time was considered in the calculation method of subgrade subsidence after construction for nonsaturated soils.T herefore its calculation results were expected to be more appropriate to actual situation.

High speed railway；Subsidence after construction；Deep hole loading plate test；Subsidence calculation

于基宁（1976— ），男，高级工程师，博士。

U213.1+57

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.20

1003-1995（2016）07-0080-04

2015-10-12；

2016-03-17

铁道部科技研究开发计划（2010G018-B-4）