云桂鐵路膨脹土地基壓縮層厚度確定方法分析

劉 銳

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土木建筑設(shè)計(jì)三院，四川成都 610031)

在地基沉降計(jì)算中，鐵路一般采用應(yīng)力比值法。TB 10106-2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[1]規(guī)定高速鐵路地基壓縮層厚度按0.1倍應(yīng)力比法取值(以下簡(jiǎn)稱0.1法)，其他鐵路按0.2倍應(yīng)力比法取值(以下簡(jiǎn)稱0.2法)，確定的壓縮層下有軟土?xí)r，應(yīng)繼續(xù)增加計(jì)算深度。TB 10035-2006《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定軟土地基壓縮層厚度按0.1倍應(yīng)力比值法取值。

從理論上來(lái)講，只要路基下有軟弱層，其壓縮層厚度應(yīng)是無(wú)窮大。但在工程實(shí)踐中，首先路基荷載所引起的地基附加應(yīng)力隨著深度的增加而衰減，加上實(shí)際地基并不完全是散粒體，從某種意義上來(lái)講，也具有地基梁的作用(盡管很微弱)，所以地基附加應(yīng)力不可能下傳到無(wú)限深；其次，在沉降計(jì)算中采用的分層總和法其實(shí)是太沙基的一維固結(jié)理論，當(dāng)?shù)鼗疃瘸^(guò)某一深度(如σz=0.1σt，σz為地基附加應(yīng)力，σt為地基原存應(yīng)力)，在計(jì)算中采用的壓縮模量往往采用該處的物理值。實(shí)際上，同一物理特性土的壓縮模量隨著固結(jié)壓力的增大而增大，也就是說(shuō)，當(dāng)?shù)鼗疃瘸^(guò)Δσz=0.1σt時(shí)，其實(shí)際壓縮模量值大于我們?cè)谟?jì)算中的所取值；另一方面，當(dāng)固結(jié)壓力足夠大(對(duì)應(yīng)于地基深度足夠大)，土體進(jìn)入超高壓固結(jié)狀態(tài)，對(duì)于土樣的Δσz=0.1σt所引起的體積應(yīng)變?chǔ)vol，σt值越大，Δevol越小。正是由于上述三個(gè)方面的主要因素(當(dāng)然還有其他次要因素)，在實(shí)際工程沉降計(jì)算中，可以認(rèn)為當(dāng)下臥層地基超過(guò)某一深度值時(shí)，該深度值以下的地基所產(chǎn)生的沉降(包括瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降)可以忽略不計(jì)。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算對(duì)比分析

1.1 工程概況

云桂高鐵即南昆客運(yùn)專線，是云南省“八入滇、四出境”鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分。該客運(yùn)專線自南寧站向西經(jīng)百色、文山、紅河彌勒，至昆明南站，正線全長(zhǎng)710 km，其中廣西段276 km，云南境內(nèi)434 km，概算總額899.2億元。云桂高鐵屬國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中的干線鐵路，是云南通往東南沿海地區(qū)最便捷的鐵路通道，是云南鐵路“八入滇四出境”的重要組成部分，南昆客運(yùn)專線的建設(shè)對(duì)緩解運(yùn)輸瓶頸制約，完善路網(wǎng)布局，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展意義重大。云桂鐵路彌勒試驗(yàn)段位于彌勒斷陷盆地內(nèi)，地形平緩開(kāi)闊，地面高程1 378.1～1 387.44 m，試驗(yàn)段里程范圍DK619+400～DK620+300段內(nèi)路基工程全部為路堤，中心填方高6～12 m，測(cè)段主要土層為黏土(Q4dl+pl)、黏土(膨脹土)(N1-2h)。本文研究選取云桂鐵路沿線境內(nèi)彌勒段2不同填高處的天然地基斷面DK619+430和DK619+450，路基、地基概況見(jiàn)表1。

表1 路基、地基概況

1.2 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比分析

結(jié)合云桂鐵路膨脹土地基現(xiàn)場(chǎng)沉降板沉降觀測(cè)結(jié)果，對(duì)膨脹土地基壓縮層厚度進(jìn)行比較，路基基底應(yīng)力采用文獻(xiàn)[3]推薦αγH法[3]，基底中心反力σc為：

σc=α·γH

式中:

b/H為路基寬高比，α1、α2、α3為常數(shù)，可由相應(yīng)的地基類型及路基坡度試驗(yàn)來(lái)確定[3]。另外通過(guò)Boussinesq解[4]來(lái)求解計(jì)算地基附加應(yīng)力，壓縮層計(jì)算厚度分別按0.2法、0.1法確定，沉降計(jì)算土層壓縮模量取表2標(biāo)貫試驗(yàn)所得壓縮模量，依照文獻(xiàn)[4]規(guī)定的分層總和法進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果整理詳見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)段標(biāo)貫試驗(yàn)壓縮模量結(jié)果

表3 地基沉降計(jì)算與實(shí)測(cè)值比較

注：表中0.1法預(yù)測(cè)值是根據(jù)0.2法修正系數(shù)與0.1法理論計(jì)算值加以預(yù)測(cè)。

由表3可知，理論計(jì)算結(jié)果表明：0.2法比0.1法沉降計(jì)算深度少8 m，按0.2法計(jì)算得到的地基總沉降比0.1法小24.6 mm，其總沉降降低15.1 %；其工后沉降差為2.5 mm，工后沉降降低15.2 %。對(duì)有砟軌道路基而言，0.1法與0.2法的工后沉降差占一般地基地段工后沉降要求值(10 cm)與橋臺(tái)臺(tái)尾過(guò)渡段工后沉降要求值(5 cm)的比例很小，分別為2.5 %、5 %?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，0.2法深度土層的壓縮沉降占總沉降比例為65.1 %～66.4 %，均值為65.8 %，0.2法深度土層的壓縮沉降完成總沉降的比例較高。

1.3 地基沉降計(jì)算厚度取值歸納總結(jié)

為進(jìn)一步歸納總結(jié)地基沉降計(jì)算厚度取值方法，結(jié)合上述計(jì)算方法，對(duì)不同填高路基荷載下地基沉降開(kāi)展計(jì)算[4-7]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，當(dāng)路基填高由3 m增大至12 m時(shí)，云桂線膨脹土的地基采用0.1法、0.2法計(jì)算的工后沉降差由2.7 mm增至17.7 mm，工后沉降差占一般地基地段工后沉降要求值與橋臺(tái)臺(tái)尾過(guò)渡段工后沉降要求值的比例分別為2.7 %～17.7 %、5.4 %～35.4 %，比例值依然很小，上述分析表明按0.2法計(jì)算有砟軌道路基工后沉降的精度可滿足規(guī)范要求。因此，對(duì)有砟軌道路基而言，膨脹土地基沉降計(jì)算深度可采用0.2法確定，但鑒于無(wú)砟軌道路基工后沉降要求高(路基工后沉降不宜超過(guò)15 mm，且路基與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm)，其沉降控制標(biāo)準(zhǔn)以mm計(jì)，所以膨脹土地基沉降計(jì)算深度應(yīng)采用0.1法確定。

(a)計(jì)算沉降

(b)沉降計(jì)算差圖1 不同填高路基下地基沉降計(jì)算

2 結(jié)論

膨脹土鐵路地基壓縮層厚度的判定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在考慮經(jīng)濟(jì)效益基礎(chǔ)上滿足技術(shù)要求。按地基條件和鐵路類型可分別采用不同的控制標(biāo)準(zhǔn)，綜合本文研究在進(jìn)行類似條件地基沉降計(jì)算時(shí)可歸納為下列結(jié)論：

(1)有砟軌道高速鐵路及I級(jí)以下鐵路，一般情況下采用0.2法。下伏基巖處于該計(jì)算深度時(shí)，取基巖深度，但如果計(jì)算深度下仍有軟弱夾層時(shí)，沉降應(yīng)繼續(xù)算到該軟弱層底面為止。

(2)無(wú)砟軌道高速鐵路宜采用0.1法。下伏基巖處于該計(jì)算深度時(shí)，取基巖深度，但如果計(jì)算深度下仍有軟弱夾層時(shí)，沉降應(yīng)繼續(xù)算到該軟弱層底面為止。

[1] TB 10106-2010鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].

[2] TB 10035-2006鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 蔣關(guān)魯，王海龍，李安洪, 等.土質(zhì)路基荷載下地基反力試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2012, 24(6):69-74.

[4] GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 汪江，王炳龍，周彥文, 等.高速鐵路軟土路基沉降計(jì)算方法探討[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2016, 12(1):196-204.

[6] 劉歡歡，張有全，王榮, 等.京津高鐵北京段地面沉降監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析[J].地球物理學(xué)報(bào),2016,59(7):2424-2432.

[7] 曹文貴， 李鵬， 唐旖旎, 等.基于孔隙介質(zhì)特征的地基沉降分層總和分析方法[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2016,29(3):3-8.