沈偉升

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

無砟軌道路基工后沉降應(yīng)符合扣件調(diào)整能力和線路豎曲線圓順的要求——工后沉降不宜超過15 mm；沉降比較均勻并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑符合Rsh≥0.4Vsj2的要求時(shí),允許的工后沉降為30 mm[2]。如此嚴(yán)格的工后沉降要求,為路基的地基處理帶來很大困難。京滬高速鐵路宿州站路基面寬14.2～52.6 m,填高6.3～7.3 m,地基為第四系土質(zhì)地層,勘探揭露深度達(dá)到70 m以上,經(jīng)理論計(jì)算,常規(guī)地基處理方式的處理深度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為此,對(duì)宿州站地層進(jìn)行了詳細(xì)的勘探測(cè)試,詳細(xì)查明了地基土的工程特性,采用了管樁樁筏整體基礎(chǔ)的地基處理措施?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,經(jīng)處理后的地基總沉降量大大減小,工后沉降可以控制在規(guī)范要求范圍以內(nèi)。

1 地基土基本物理特性

表1為宿州站地基土物理性質(zhì)指標(biāo)。地基土各層物理性質(zhì)均一性較好,天然含水率、天然密度、顆粒密度、天然孔隙比、液限、塑限指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值的變異系數(shù)較小,液性指數(shù)、塑性指數(shù)統(tǒng)計(jì)值的變異系數(shù)較大。

表1 宿州站地層物理力學(xué)性質(zhì)

2 地基土力學(xué)特性

2.1 基本承載力

采用了室內(nèi)土工試驗(yàn)、靜力觸探、螺旋板載荷試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)對(duì)地基土的基本承載力進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。對(duì)于靜力觸探,為避免姜石的影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真,同一層位取相對(duì)較小的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比；螺旋板和旁壓試驗(yàn),由于其受力面積較大,很容易碰到姜石,所以獲取的地基參數(shù)是土和姜石的綜合作用,取其均值進(jìn)行承載力計(jì)算。

室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算承載力按照《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007),根據(jù)土層的天然含水率、天然孔隙比、液性指數(shù)、壓縮模量等指標(biāo)查表計(jì)算；靜力觸探、旁壓試驗(yàn)計(jì)算基本承載力的方法按照《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10041—2003)的相關(guān)換算公式進(jìn)行換算得出；螺旋板載荷試驗(yàn)按照P-S曲線的不同形式,按照拐點(diǎn)法、相對(duì)沉降法或極限荷載法直接確定其基本承載力。幾種方法中,螺旋板載荷試驗(yàn)是直接測(cè)定的,其值最為準(zhǔn)確,其余均為相關(guān)公式換算值。

表2為宿州站各種手段取得承載力的對(duì)比。

表2 宿州站試驗(yàn)工點(diǎn)承載力對(duì)比

總體來說,各方法的測(cè)試值有一定的差距。以螺旋板載荷試驗(yàn)值作為地基基本承載力,取其他三種方法的推算值作為承載力設(shè)計(jì)值都是偏于安全的。由綜合測(cè)試可知,地基土承載能力能夠滿足宿州站填土荷載和列車荷載的作用。

2.2 抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)點(diǎn)地基土室內(nèi)試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表3。各地層的C、φ指標(biāo)較高,離散性也較大,黏性土的C值高于粉土、φ值低于粉土。經(jīng)檢算,宿州站在填高6.3～7.3 m的情況下,地基在有荷狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)一般在1.6～1.7左右,穩(wěn)定性不存在問題。

表3 宿州試驗(yàn)點(diǎn)強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3 地基土變形特性

3.1 壓縮模量與變形模量

宿州站淺層主要分布Q4黃淮沖洪積地層,29 m以下為老黏土(⑤層),地基土壓縮系數(shù)在0.15～0.29之間,屬中等壓縮性土。地基土的壓縮模量和變形模量的測(cè)試方法有多種,土工試驗(yàn)可以直接求出不同壓力水平下的壓縮模量,其缺點(diǎn)是土樣采取過程中會(huì)有一定程度的擾動(dòng)和應(yīng)力釋放,影響測(cè)量結(jié)果；靜力觸探、旁壓試驗(yàn)通過《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》中相關(guān)公式可以換算壓縮模量和變形模量,其精度取決于相關(guān)公式中該類型土的樣本多少；螺旋板載荷試驗(yàn)可直接測(cè)量土的變形模量,準(zhǔn)確性相對(duì)較高,但是如果土質(zhì)較硬,則探桿的變形會(huì)造成測(cè)試結(jié)果偏小。各測(cè)試手段獲取模量值見表4。

表4 宿州地區(qū)各測(cè)試手段獲取模量值及對(duì)比

由靜探換算的壓縮模量和土工試驗(yàn)對(duì)比可得,兩者的比值為在0.95～1.99,最高2.41；而從旁壓試驗(yàn)與土工試驗(yàn)的壓縮模量對(duì)比看,比值在0.58～3.03之間,較為離散。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般取土工試驗(yàn)相應(yīng)壓力水平下的壓縮模量比較方便。

砂性土靜力觸探推算的變形模量是壓縮模量的1.0～1.2倍,而黏性土為1.7～3.0倍,老黏土的比值要大于一般黏性土；旁壓通過查表所得的變形模量與壓縮模量比值,砂性土為1.2～1.6,黏性土為1.2～1.65,老黏土稍大。靜探、旁壓、螺旋板變形模量比較：不論砂性土還是黏性土甚至老黏土,E0靜探/E0旁壓在0.9～1.3之間,均值為1.14,說明兩種試驗(yàn)手段變形模量結(jié)果接近,其中老黏土旁壓所得變形模量稍大。螺旋板測(cè)得變形模量稍小,這可能由于探桿自身的彈性變形造成；但快、慢兩試驗(yàn)點(diǎn)的重復(fù)性好,除3.2～4.3 m處的粉土層外,其他土層快、慢法所求變形模量均不超過該層模量均值的12%；3.2～4.3 m處的粉土層快慢法存在差異的原因可能為姜石的影響。所以,對(duì)于黃淮沖積平原Q4地層求取變形模量,靜探和旁壓方法是可取的；而螺旋板載荷試驗(yàn)受制于姜石粒徑和探桿強(qiáng)度,有一定的局限性。

3.2 地基土的超固結(jié)特性

圖1為土層的超固結(jié)比與地層深度的關(guān)系,可以看出淺層存在輕微的超固結(jié)性,20 m深度以下土層基本是正常固結(jié)的。

圖1 宿州試驗(yàn)工點(diǎn)土層超固結(jié)比隨深度變化曲線

3.3 天然地基土在路堤荷載作用的變形特性

圖2 試驗(yàn)工點(diǎn)橫斷面(單位：m)

為驗(yàn)證地基土在路堤荷載作用下的變形特性,在宿州站保養(yǎng)點(diǎn)線天然地基進(jìn)行填筑試驗(yàn),試驗(yàn)斷面如圖2所示。按文獻(xiàn)[3]計(jì)算,試驗(yàn)斷面的理論計(jì)算沉降為265.2 mm(綜合修正系數(shù)為0.65),實(shí)際根據(jù)沉降曲線采用修正雙曲線法計(jì)算的沉降為141.7 mm(見圖3),實(shí)際推算值為理論計(jì)算值的53.4%,反算的綜合修正系數(shù)為0.35。填筑完成后不同時(shí)間沉降完成的比例如圖4所示,填筑剛完成后為86%,放置6個(gè)月后已經(jīng)達(dá)到93%。一般認(rèn)為,對(duì)于中等壓縮性黏性土,建筑物在施工期可以完成最終沉降量的20%～50%,砂土可以完成80%[3～4]。本工點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)值表明,在路堤荷載這種相對(duì)較低的荷載水平下,這種性質(zhì)的地層,其沉降完成速度是非?？斓?。這為處理該類土計(jì)算地基的工后沉降提供了依據(jù)。

圖3 試驗(yàn)工點(diǎn)沉降觀測(cè)及預(yù)測(cè)曲線

圖4 沉降完成比例-時(shí)間曲線

4 地基處理方案及效果

宿州站路堤寬度為14.2～52.6 m,填高6.3～7.3 m,站臺(tái)部分填高可達(dá)8.2 m。按常規(guī)理論計(jì)算,如果要求工后沉降達(dá)到規(guī)范要求,則處理深度會(huì)非常深,大概在30～33 m左右。但是根據(jù)前文的分析可知,這種地基土條件下,實(shí)測(cè)沉降只有理論計(jì)算值的53.4%,沉降收斂的速度非常快,因此實(shí)際的工后沉降遠(yuǎn)比理論計(jì)算值小,地基處理深度可以減少。

經(jīng)計(jì)算比較,宿州站設(shè)計(jì)采用了樁筏整體結(jié)構(gòu)(PHC-A500型預(yù)應(yīng)力管樁+C30鋼筋混凝土筏板錨固連接)+超載預(yù)壓對(duì)地基進(jìn)行處理,見圖5。樁長(zhǎng)一般18～20 m,樁間距2.4 m,筏板厚0.5 m,預(yù)壓高度3～4 m?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)測(cè)試表明,預(yù)壓6～9個(gè)月后,宿州站地基總沉降量最大約為5 cm,且已經(jīng)基本穩(wěn)定。在宿州站選取了2個(gè)測(cè)試斷面進(jìn)行沉降觀測(cè),DK755+650斷面路基面寬14.2 m,處理深度18.5 m；DK756+718斷面路基面寬43.2 m,處理深度19.5 m。兩個(gè)斷面監(jiān)測(cè)的實(shí)際沉降推算值分別為22.9 mm、53.0 mm,只占實(shí)體深基礎(chǔ)法理論計(jì)算沉降的21%、32%。經(jīng)沉降評(píng)估單位評(píng)估,宿州站的工后沉降均小于15 mm,滿足規(guī)范要求,沉降控制效果良好。

圖5 樁筏整體結(jié)構(gòu)+超載預(yù)壓地基處理

5 結(jié)束語

(1)通過室內(nèi)土工試驗(yàn)、靜力觸探、螺旋板載荷試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)對(duì)地基土的基本承載力進(jìn)行推算,各方法的測(cè)試值有一定的差距；如果以螺旋板載荷試驗(yàn)值為準(zhǔn),則其他三種方法的取值偏于安全。

(2)通過土工試驗(yàn)、靜力觸探、旁壓試驗(yàn)取得的模量對(duì)比分析,沉降計(jì)算建議取土工試驗(yàn)的結(jié)果,沉降分析應(yīng)根據(jù)該地區(qū)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正；變形模量建議按照靜力觸探或旁壓試驗(yàn)取值。

(3)宿州站天然地基承載力較高,在有荷狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)一般在1.6～1.7左右,地基穩(wěn)定性不存在問題。

(4)天然地基條件下的路堤試驗(yàn)段的實(shí)際推算值約為理論計(jì)算值的53.4%,采用管樁樁筏基礎(chǔ)處理后,實(shí)測(cè)沉降約為理論計(jì)算值的21%～32%,顯著減小了總沉降。經(jīng)沉降評(píng)估單位評(píng)估,宿州站的工后沉降均小于15 mm,滿足無砟軌道對(duì)工后沉降的要求。

[1]陳尚勇.管樁樁筏基礎(chǔ)在宿州站地基處理中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2009(7)：108-111

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.B10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2010

[3]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002

[4]顧曉魯,錢鴻縉,劉惠珊,等.地基與基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003