高速铁路中低压缩性土地基沉降控制有关问题研究

王瑷琳,崔俊杰,韩志霞,张 强

(1.武汉铁路职业技术学院,武汉 430205； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

高速铁路路基结构的变形主要由两部分组成：路基本体变形、地基沉降，其中路基本体变形包括填料的压密变形及列车荷载引起的弹性变形。根据已有资料，路基本体变形一般为路基高度的0.1%～0.5%，填筑完成1年后趋于稳定[1]；列车荷载引起的弹性变形，一般不到0.22 mm[2]。因此，高速铁路路基沉降控制的研究重点是地基沉降控制。

对于高速铁路而言，现行铁路行业的地基土分类标准[3]已经不适应其路基沉降控制的需要。文献[4]依托京沪、宁安、张呼、吉珲等国内多条高速铁路，采用综合勘察、特种土工试验结合现场试验与沉降变形监测等方法，进行了地基土的工程特性与分类研究，基于高速铁路路基沉降变形控制之目的，提出了将地基土按照压缩系数a0.1-0.2划分为低、中低、中高、高压缩性等4类。

在高速铁路路基勘察设计中，经常遇到的地基承载力在150 kPa以上的黏性土、粉土、砂类土、碎石类土以及全风化岩等土质地基，其压缩系数一般介于0.1～0.3 MPa-1，多属中低压缩性土。该类土质地基的变形随时间发展特性与饱和软黏土有很大的不同，其实测沉降值远低于理论计算结果[5]。本文拟结合国内多个高速铁路的建设、科研实践，对中低压缩性土地基沉降计算的有关问题进行比较系统的研究，其研究结论有助于优化高速铁路路基地基沉降控制设计、降低工程投资。

2 中低压缩性土的工程特性

我国地域辽阔，中低压缩性土分布广泛，在平原区大多为冲洪积、冲湖积成因，在低山丘陵区及其前缘一般为冲坡积、坡残积成因。通过对京沪、宁安、吉珲、张呼等高速铁路多个试验工点勘察资料的分析(表1)，中低压缩性土具有如下工程特性[5-9]：

从各土层物理指标看，天然含水率较低，主要在20%～25%；孔隙比较小，主要在0.64～0.86；饱和度在90%～92%，属高饱和度土。从各土层变形指标看，压缩系数较小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1；压缩模量较大，在8.43～11.61 MPa；另外，中低压缩性土普遍具有超固结特性，其超固结比最大达21.4。

表1 中低压缩性土物理力学指标统计

3 中低压缩性土变形的时间效应

3.1 土体变形的状态类别

地基土的物理状态相同时，在不同应力水平下，其塑性变形将呈现出不同的发展规律。即地基的变形特性与其所受的应力水平密切相关，在较小的应力水平下塑性变形较小且很快趋于稳定，随着应力水平的增加变形逐渐增大、变形速率加快。另一方面，地基的变形特性与其自身的物理力学特性也是密切相关的。不同强度的地基土在相同的荷载条件下，呈现出不同的变形随时间发展规律。

近年来，罗强等研究提出：长期荷载作用下地基土的塑性变形演化呈现为快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏等4个状态类别[10](图1)，并建立了基于变形速率为核心指标，以负幂函数为数学表达式的变形状态“幂次判别法”，见式(1)。

图1 长期荷载作用下地基土的塑性变形状态

(1)

式中，ε′(t)为塑性应变速率；T1、T2为与材料和试验条件有关的参数；p为函数的幂次。

p≥2时为快速稳定状态，1

3.2 土体变形状态与应力水平的关系研究

实际上，完全采用“幂次判别法”获得土体塑性变形状态阈值偏于严格，可以通过应力水平和p值关系来判断土体的变形状态。研究中，采用取自吉图珲铁路的中低压缩性粉质黏土土样，通过基于变形时间效应的三轴试验、压缩试验、单元结构模型试验等，验证了土体随着应力水平的增加，其变形演化呈现快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏、快速破坏4种状态，并确定了这4种状态与其所受的应力水平的关系，应力水平采用荷载比k(峰值偏应力和极限承载力的百分比)来描述，详见表2。

4 中低压缩性土地基的压缩层厚度研究

地基的压缩层厚度受基础宽度、基底附加应力、地基土性和地层结构等多种因素影响，理论分析和实测结果均表明：基底附加应力一定时，地基压缩层的深度随基础宽度的增加而增长，但增速逐渐减缓，最终接近于常数；对一定宽度的基础，地基压缩层的深度则随基底附加应力提高而增大。

表2 吉图珲铁路中低压缩性粉质黏土的变形状态与

长期以来，我国铁路行业主要采用应力比控制法确定地基压缩层厚度，高速铁路地基压缩层厚度按0.1倍应力比法取值，其他铁路按0.2倍应力比法取值，确定的压缩层下有软土时，应继续增加计算深度[11-12]。目前规范[11-14]对于压缩层厚度的确定方法，主要是沿用了软土地基压缩层厚度的确定方法，未考虑地基变形的时间效应和地基土强度等因素，对高速铁路中低压缩性土地基而言，需作进一步的深入研究。

4.1 具有变形时间效应的地基压缩层厚度研究的基本思路

根据中低压缩性土变形的时间效应研究，地基土的塑性变形演化随着其所受附加应力水平的提高呈现为快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏4个状态类别。以土质地基为例，当地基表面的附加荷载一定时，随着地基深度的增加地基中的附加应力将会逐步衰减，地基中的土体将会处于不同的变形状态。当地基达到某一深度时，其土体变形就会达到快速稳定状态，即该深度以下地基在相应附加应力下的塑性变形会快速完成，不会对路基的工后沉降造成影响，我们就称此范围为地基变形具有时间效应的区域，其下地基为不具有时间效应的区域，具有变形时间效应的区域即为该附加荷载作用下的地基压缩层范围[5]。

确定具有变形时间效应的地基压缩层厚度的基本原理是：以地基承受的竖向附加应力和竖向自重应力之和作为荷载条件；以水平自重应力为提供抗剪强度的小主应力，根据变形状态强度参数，参照莫尔-库伦准则，得到相应的临界大主应力沿深度的变化曲线，即变形状态强度线。根据荷载与变形状态强度线的关系，将地基由上自下划分为具有变形时间效应和不具有变形时间效应区域(图2)。其中，变形具有时间效应区域对应的地基厚度hI，即为具有变形时间效应的压缩层厚度。

图2 具有变形时间效应的地基压缩层厚度确定示意

4.2 变形状态强度参数的计算

通过对表2土体变形状态与应力水平关系的相关试验成果的综合判定，吉图珲铁路中低压缩性粉质黏土变形的4种状态的3个阈值可按荷载比认定为：10%，70%，90%。在三轴试验中，荷载比k为3个变形状态系数kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%时，对应的应力状态即为极限状态摩尔圆的最小主应力不变(围压未变)，偏应力(摩尔圆直径)为极限状态最大偏应力(极限摩尔圆直径)乘以对应的变形状态系数kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%，此时可得到变形状态系数kⅠ=10%、kⅡ=70%、kⅢ=90%时对应的3条公切线，即为该土样的3条变形状态分界线。

图3 变形状态强度参数计算原理

(2)

(3)

4.3 具有变形时间效应的地基压缩层厚度的计算方法

在具有变形时间效应的压缩层厚度研究时，假设地基为均质地基，地基在自重应力和附加应力作用下的变形状态处于快速稳定变形状态；考虑中低压缩性地基土的超固结特性，地基土的侧向土压力系数λ=1，则小主应力(水平自重应力)等于地基的竖向自重应力。

这样，可以按快速稳定变形状态强度参数ci和φi(其中i=I)，采用式(4)计算变形状态强度线；根据式(5)的荷载强度-变形状态关系，按式(6)计算具有变形时间效应的压缩层厚度hI。

(4)

(5)

γhI+σz=γhItan2(π/4+φI/2)+

2cItan(π/4+φI/2)

(6)

4.4 基于工程应用的中低压缩性土地基的压缩层厚度确定方法

实践中，地基是分层的非均质体，不同类型的工程结构对沉降控制的要求也不尽相同，我国不同行业的工程技术人员，在实际工作中结合各自的工程特点，对地基的压缩层厚度做了很多的研究[15-20]。为尽可能符合铁路工程技术人员的设计习惯，简化计算方法，有必要与现行铁路规范[11-12]确定压缩层厚度的应力比法进行对照研究。

对吉图珲铁路的中低压缩性土地基，考虑计算地基变形的时间效应，按上述方法采用快速稳定变形状态线确定的地基压缩层厚度hI如表3所示。同时，采用现行规范，按应力比分别取0.1、0.2、0.3和0.5计算的地基压缩层厚度Zn一并列入表中进行对比。

表3 变形时间效应法和应力比法确定的地基压缩层厚度对比 m

图4 应力比法和变形时间效应法计算路堤地基压缩层厚度的对比

具有变形时间效应的地基压缩层厚度hI随H变化，与应力比法确定的地基压缩层厚度Zn变化规律一致，近似呈线性增长。如图4所示，hI与按ψ=0.2应力比法确定的压缩层厚度基本一致，因而对于类似吉图珲铁路中低压缩性土地基的压缩层厚度，可采用0.2倍应力比值法确定。

5 研究结论

在高速铁路路基勘察设计中，经常遇到地基承载力在150 kPa以上的黏性土、粉土以及全风化岩等土质地基，多属中低压缩性土。中低压缩性土普遍具有天然含水率较低、孔隙比较小以及超固结等工程特性，其压缩系数较小，a0.1-0.2在0.17～0.22 MPa-1，压缩模量较大，在8.43～11.61 MPa；但其饱和度介于90%～92%，属高饱和度土。在高速铁路路基沉降分析与控制时，应充分考虑其变形的时间效应。

采用取自吉图珲铁路的中低压缩性粉质黏土土样，通过基于变形时间效应的三轴试验、压缩试验、单元结构模型试验等，验证了土体随着应力水平的增加，其变形演化呈现快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏、快速破坏4种状态。对类似的中低压缩性土地基，其4种状态的3个阈值可按荷载比分别认定为：10%，70%，90%。

对于高速铁路路基沉降控制而言，由于其工后沉降控制标准非常严格，在具有变形时间效应的压缩层厚度研究时，认为地基在自重应力及附加应力的作用下其变形状态应处于快速稳定变形状态，并据此确定地基具有变形时间效应的区域和压缩层厚度。为便于铁路工程设计人员使用，通过对比研究得出：高速铁路中低压缩性土地基的压缩层厚度，可采用0.2倍应力比值法确定。