黃建川

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

近年來，高速鐵路建設過程中遇到了大量的中高壓縮性土地基。按照現(xiàn)有的工程設計方法，此類地基多數(shù)需采用樁基進行處理，而在大量的沉降觀測中發(fā)現(xiàn)，地基沉降量的實測值遠小于設計時的理論計算值，兩者之間偏差較大[1，2]。可見，對中高壓縮性土地基而言，傳統(tǒng)的沉降計算方法偏于保守，有必要對中高壓縮性土地基的沉降特性進行更加深入和系統(tǒng)的研究[3]。

《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2011)中將壓縮系數(shù)介于0.1～0.5 MPa-1的土定義為中等壓縮性土[4]，中國鐵路總公司鑒定中心相關(guān)研究成果中將壓縮系數(shù)介于0.1～0.3 MPa-1、0.3～0.5 MPa-1的土細分為中低壓縮性土和中高壓縮性土。目前，針對中高壓縮性土地基沉降特性的研究相對較少，彭志鵬，張崇磊，王敏等分別依托京滬高鐵、膠濟客專、贛龍鐵路設立了試驗段，研究中等壓縮性土的沉降特性[5-7]。結(jié)合哈佳鐵路設置的中高壓縮性土地基沉降觀測試驗段，研究中高壓縮性土地基的沉降發(fā)展規(guī)律，并通過反演分析得到沉降計算修正系數(shù)，最后提出地基處理措施建議。

1 試驗段概述

1.1 地質(zhì)概況

試驗段里程范圍為DK45+800～DK46+100，路堤中心填高5.03～6.59 m，該段地貌為沖洪積平原，地形平緩，地表大部分為耕地。

地基上部為粉質(zhì)黏土，局部有粗粒土等薄夾層，土層厚度為32.7～37.7 m。地下水為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水補給，勘測期間地下水埋深4.70～7.80 m，水位季節(jié)變幅為1～3 m。

按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2010)，對鉆探所取的原狀土樣進行了基本物理力學性質(zhì)試驗[8]。依據(jù)液性指數(shù)IL，將地層分為4層，除27 m以下黏性土為硬塑狀態(tài)外，其余均為可塑狀態(tài)，其中2～20 m層相較于上下兩層液性指數(shù)偏大。每層的物理指標和力學指標的統(tǒng)計標準值見表1和表2。由表2可知，該段地基中0～27 m深度范圍屬于中高壓縮性土，27 m以下屬于中低壓縮性土。

表1 地基土物理指標標準值匯總

表2 地基土力學指標標準值匯總

1.2 試驗方案情況

選用3種地基處理方案，每段長度為100 m，DK45+800～DK45+900路堤填高6.4～6.5 m，平整場地后直接填筑；DK45+900～DK46+000路堤填高6.0～6.8 m，基底換填0.5 m厚碎石墊層，并于碎石墊層中間夾鋪一層抗拉強度為100 kN/m的土工格柵；DK46+000～DK46+100路堤填高5.2～6.2 m，基底采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，正方形布置，樁間距2.0 m，樁長7.7 m，樁頂設置鋼筋混凝土樁帽，樁帽頂部鋪設0.5 m厚碎石墊層夾鋪土工格柵。

每種處理方案均設置3個沉降觀測斷面，斷面中心設置4支單點沉降計，埋置深度分別為3 m、8 m、17 m和30 m。

2 沉降觀測數(shù)據(jù)分析

2.1 實測沉降

路堤填筑始于2015年6月14日，填筑完成的時間為2015年10月，沉降觀測數(shù)據(jù)截止至2016年10月28日。圖1～圖3分別為三種地基處理條件下，不同深度處的地基沉降隨路堤高度變化的曲線。

圖1 DK45+850斷面不同深度處沉降變化曲線

圖2 DK45+950斷面不同深度處沉降變化曲線

圖3 DK46+030斷面不同深度處沉降變化曲線

由圖1～圖3可知，3處的地基沉降量均隨路堤填筑高度的增加而增大。靜置期內(nèi)，沉降曲線隨時間變化逐漸趨于平緩。同時，不同深度處的地基沉降量不同：地表的沉降量最大，深度越大處的沉降量越小，且隨著深度增加，沉降曲線收斂速度越快；17 m處的沉降量隨路堤高度的增加變化較為平緩，在靜置期內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，8 m處的沉降在靜置期內(nèi)也表現(xiàn)出一定的收斂趨勢，但3 m處和地表的沉降量尚未出現(xiàn)明顯的收斂跡象。

表3 不處理時地基各深度范圍壓縮量統(tǒng)計 mm

表4 鋪碎石墊層地基各深度范圍壓縮量統(tǒng)計 mm

表5 CFG樁加固地基各深度范圍壓縮量統(tǒng)計 mm

表3～表5分別為三種地基處理方案各深度范圍內(nèi)的地基壓縮量統(tǒng)計。地基不處理、換填0.5 m碎石墊層和CFG樁加固時，地基的總沉降分別為120.99 mm、123.85 mm和36.87 mm?？梢奀FG樁復合地基大大減少了地基的總沉降量，加固效果明顯；碎石墊層和土工格柵的主要作用為改善地基剛度和基底受力，對地基總沉降影響不大。

當不進行地基處理或僅換填0.5 m碎石墊層時，0～8 m范圍內(nèi)地基的壓縮量占總沉降的比例分別為78.0%和71.7%，可見沉降主要發(fā)生在淺層地基內(nèi)。采用CFG樁加固的段落，0～8 m范圍內(nèi)的壓縮量占總沉降的比例約為50.9%，遠小于其他情況?？梢?，采用CFG樁進行淺層加固，可有效控制地基沉降。

2.2 沉降預測

根據(jù)已有的沉降觀測數(shù)據(jù)，選用雙曲線法、三點法、星野法和Askoda法等4種不同的方法[9，10]預測地表最終沉降量，取4種方法所得結(jié)果的平均值作為預測沉降值。同時，計算各斷面在不同靜置期時沉降完成比例，見表6～表8。

表6 地基不處理方案各斷面沉降完成比例

表7 鋪碎石墊層方案各斷面沉降完成比例

表8 CFG樁加固方案各斷面沉降完成比例

由表6～表8可知，三種地基處理方案地表沉降隨時間變化完成的比例無明顯差異，斷面DK45+870和DK45+930處同等時間內(nèi)沉降完成比例略大；靜置期內(nèi)，沉降發(fā)展的趨勢逐漸放緩。整體上，填筑完成時，地表沉降占總沉降的比例為45%～55%；靜置1個月后，地表沉降占總沉降的比例為55%～65%；靜置3個月后，地表沉降占總沉降的比例為70%～75%；靜置6個月后，地表沉降占總沉降的比例為75%～85%。CFG樁地基處理雖沒有明顯加快沉降完成的速率，但是大大減小了總沉降量。

2.3 實測沉降與理論計算值對比分析

選用工程中最常用的單向壓縮分層總和法[11]計算典型斷面處的地表沉降值，采用自重應力的0.2倍對應的深度做為壓縮層計算深度[12]。CFG樁復合地基加固區(qū)的沉降計算采用復合模量法，加固區(qū)復合模量相對于天然地基壓縮模量的提高值與復合地基承載力相對于天然地基承載力的提高值取為相同[12]；下臥層沉降計算方法同天然地基。將理論計算沉降值與實測沉降值(預測值)進行對比，結(jié)果見表9。

由表9可知，理論計算沉降值與實測沉降值之間差距很大，天然地基沉降理論計算值為實測值的2.9～3.1倍，CFG樁復合地基沉降理論計算值為實測值的6.0倍。

在天然地基或換填碎石墊層的區(qū)域，地基0～8 m深度范圍的理論計算沉降是實測沉降的2.5倍左右，8～30 m深度范圍是3.6～4.7倍，表明現(xiàn)有沉降計算方法偏于保守。分析其原因，可能為地基深部取樣的擾動影響和應力釋放效應使土工試驗所得的室內(nèi)壓縮模量小于地基中的實際值，故而導致計算所得沉降量偏大。

表9 理論計算沉降與實測值對比

通過實測沉降與理論計算的對比分析，可得到沉降計算經(jīng)驗系數(shù)。對于類似的深厚中高壓縮性土地基，當?shù)鼗鶋嚎s層內(nèi)土體的壓縮模量當量值接近于6.0～7.0 MPa時，建議沉降修正系數(shù)取為0.30～0.35。對于CFG樁復合地基，還需要更多的實測數(shù)據(jù)分析其沉降特性，從而找到更為實用的沉降計算方法。

3 結(jié)論

(1)路基填筑完成時，地表已經(jīng)產(chǎn)生的沉降占總沉降的比例約為45%～55%，經(jīng)過6個月的靜置期后，沉降完成比例可達到75%～85%。

(2)實測沉降值與理論計算沉降之間存在較大差異，對于地基壓縮層內(nèi)壓縮模量當量值為6.0～7.0 MPa的中高壓縮性土地基，采用單項壓縮分層總和法計算天然地基沉降時修正系數(shù)可采用0.30～0.35。

(3)CFG樁淺層加固可有效控制地基的沉降，建議結(jié)合鐵路等級、路堤高度等因素確定經(jīng)濟合理的樁長。

[1] 王長丹，王炳龍，周順華，等.高速鐵路剛性樁網(wǎng)復合地基沉降計算方法與實測數(shù)據(jù)對比分析[J].鐵道學報，2013，35(8)：80-87

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