于基寧（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安　710043）

基于深孔載荷板試驗(yàn)的高速鐵路路基工后沉降計(jì)算方法

于基寧
（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安710043）

高速鐵路路基工程對(duì)工后沉降控制嚴(yán)格，由工后沉降超限引起的工程風(fēng)險(xiǎn)責(zé)任巨大，因此尋找更為合理、準(zhǔn)確的工后沉降計(jì)算方法成為亟需研究的重要課題。本文提出了一種測(cè)試深層土體壓縮性質(zhì)及承載特征的試驗(yàn)方法，應(yīng)用該方法可快速、準(zhǔn)確地完成工程地基原位土體壓縮特性測(cè)試。在利用該方法對(duì)寶蘭客運(yùn)專線典型路基工點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出了高速鐵路路基工后沉降計(jì)算新方法。新方法引入含時(shí)間參量的壓縮模量，即非飽和土工后沉降計(jì)算時(shí)考慮了時(shí)間的影響，使工后沉降計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確地反映工程實(shí)際。

高速鐵路；工后沉降；深孔載荷板；沉降計(jì)算

1　概述

高速鐵路路基工程設(shè)計(jì)對(duì)路基沉降要求極高，要求無(wú)砟軌道路基工后沉降不宜超過(guò)15 mm，與橋隧相連區(qū)的差異沉降不應(yīng)大于5 mm。傳統(tǒng)的以室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)合分層總和法的工后沉降設(shè)計(jì)理論已不能滿足工程需求，探尋新的工后沉降分析方法成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。主要有2個(gè)研究方向：①?gòu)墓こ淘沓霭l(fā)探尋更合理的分析模型及理論；②研究如何獲取準(zhǔn)確的計(jì)算分析參數(shù)。后者更為重要。在工程設(shè)計(jì)之初獲取準(zhǔn)確的、符合土體應(yīng)力狀態(tài)的變形參數(shù)，對(duì)于地基沉降控制至關(guān)重要，直接影響工程的投資及安全。

本文從研究測(cè)試地基原位變形參數(shù)入手，研制了新型便攜式的孔內(nèi)載荷板試驗(yàn)裝置。該裝置可快速完成不同深度孔內(nèi)載荷板試驗(yàn)，從而獲得工后沉降所需的土體原位壓縮變形參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對(duì)非飽和土工后沉降進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出與時(shí)間相關(guān)的壓縮模量，能夠更為合理準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)路基工程工后沉降。

2　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地選在新建寶蘭客專天水南車站的路基工程中，區(qū)內(nèi)涉及地層包括第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖積黏質(zhì)黃土。風(fēng)積砂質(zhì)黃土廣泛分布于表層，厚25～30 m，具有Ⅳ級(jí)濕陷性。沖積黏質(zhì)黃土廣泛分布于風(fēng)積黏質(zhì)黃土下部，土體較緊密。風(fēng)積層土天然密度在1.4～1.7 g/cm3，含水率14% ～18%，液限27% ～34%，塑限17% ～20%。沖積層黃土天然密度在1.70～1.85 g/cm3。試驗(yàn)土層典型顆分曲線見(jiàn)圖1，干密度隨深度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

圖1　試驗(yàn)土層顆分曲線

圖2　干密度隨深度變化趨勢(shì)

試驗(yàn)中采用自行研制的便攜式深孔載荷板試驗(yàn)裝置。該裝置由反力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等組成，見(jiàn)圖3。設(shè)備總高2.1 m，總質(zhì)量158 kg，可采用機(jī)械吊裝方式放入試驗(yàn)孔內(nèi)。其反力系統(tǒng)由充氣橡膠囊組成，膨脹后作用于固定孔壁上，為試驗(yàn)系統(tǒng)提供支撐反力。位移量測(cè)基準(zhǔn)梁獨(dú)立于加載系統(tǒng)并與孔壁連接從而保持絕對(duì)靜止。所有試驗(yàn)動(dòng)作均在孔底完成，大幅提高了深孔載荷板試驗(yàn)精度與可靠度，有較高的工作效率，是深層地基土原位壓縮試驗(yàn)的一種可靠、高效的試驗(yàn)方法。

圖3　便攜式深孔載荷板試驗(yàn)裝置組成

3　深層土原位壓縮模量研究

壓縮模量（變形模量）是工程沉降分析中至關(guān)重要的計(jì)算參數(shù)。工程中常用側(cè)限壓縮試驗(yàn)測(cè)試土體在側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下的側(cè)限壓縮模量 ES。該方法受土樣擾動(dòng)、測(cè)試條件等因素限制試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際存在偏差，運(yùn)用于高速鐵路時(shí)所帶來(lái)的誤差不可忽略。在地基沉降分析中采用載荷板試驗(yàn)獲取地基壓縮參數(shù)是較合理的方法，但非飽和土與無(wú)黏性土的變形模量受約束應(yīng)力影響很大，地基中E值常隨深度的增加而增大，載荷板面積較小，受壓層深度有限，測(cè)得的 E值只反映載荷板下較淺范圍內(nèi)土的變形模量。理想的做法是在地面下不同深度開(kāi)展載荷試驗(yàn)。

利用便攜式深孔載荷試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，得到的試驗(yàn)場(chǎng)地地面下5 m處的沉降壓縮曲線見(jiàn)圖4。加載范圍100～500 kPa，總沉降量為44.89 mm。根據(jù)壓縮曲線分析可獲得該層土體壓縮模量。通過(guò)對(duì)不同深度進(jìn)行測(cè)試即可獲得沉降設(shè)計(jì)所需的原位土體壓縮模量。

進(jìn)行深層載荷板試驗(yàn)時(shí)，荷載作用在半無(wú)限體內(nèi)部，因此依據(jù)Boussinesq公式所推導(dǎo)的淺層載荷板試驗(yàn)壓縮模量計(jì)算方法并不適用。隨著試驗(yàn)深度增加，其誤差會(huì)很大。目前深孔載荷板試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例較少，試驗(yàn)資料的整理也基本沿用淺層載荷板試驗(yàn)的方法。理論上孔內(nèi)原位土變形模量應(yīng)與載荷板形狀、大小、測(cè)試深度、土體性質(zhì)等因素相關(guān)。根據(jù)Mindlin解，垂直荷載作用于地基內(nèi)部一點(diǎn)所引起的土的彈性變形wi計(jì)算公式為

圖4　地面下5 m處的沉降壓縮曲線

式中：G為土的剪切模量；P為荷載；μ為土的泊松比；R1，R2分別為集中力作用點(diǎn)及其地面鏡像點(diǎn)距擬求位移點(diǎn)的距離。

由式（1）可得深層圓形載荷板板底中心的變形w為

進(jìn)而得到地基土變形模量為

式中：d為載荷板直徑。

依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，由式（3）可獲得地面下不同深度土體的原位壓縮模量 Ei。上式與側(cè)限壓縮模量公式相比由于增加了土體泊松比這一參量其計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。

依據(jù)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，場(chǎng)地內(nèi)土層側(cè)限壓縮模量ES1-2隨深度h的變化關(guān)系為

在5 m深度處土體的側(cè)限壓縮模量是5.37 MPa，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散化嚴(yán)重。當(dāng)泊松比為0.23時(shí)，依據(jù)式（3）計(jì)算同一點(diǎn)位土體壓縮模量為3.04 MPa，當(dāng)泊松比取0時(shí)則為2.75 MPa。由此可知原位土體壓縮模量與室內(nèi)側(cè)限壓縮模量的差異巨大。

4　工后沉降計(jì)算方法

由于試驗(yàn)條件限制，通過(guò)室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)計(jì)算壓縮模量時(shí)考慮了壓縮過(guò)程中土體孔隙總體變化。采用該測(cè)試參數(shù)對(duì)非飽和土進(jìn)行沉降分析時(shí)無(wú)法區(qū)分施工過(guò)程中的瞬時(shí)沉降與工后沉降。一般在計(jì)算總沉降的基礎(chǔ)上對(duì)工后沉降進(jìn)行折減，或者采用預(yù)測(cè)理論對(duì)工后沉降作趨勢(shì)預(yù)判。這給工程設(shè)計(jì)分析帶來(lái)較大誤差。

非飽和土地基沉降主要發(fā)生在荷載加載初期。在非飽和土區(qū)修建的高速鐵路路基大部分沉降發(fā)生在施工期間。嚴(yán)格意義上的工后沉降是壓縮層內(nèi)的土體顆粒及骨架在荷載長(zhǎng)期作用下的一個(gè)緩慢調(diào)整過(guò)程，因此非飽和土的工后沉降分析中應(yīng)引入時(shí)間參量，該參量與非飽和土的土水特征曲線以及非飽和土孔隙水壓、氣壓變化相關(guān)。該方面的理論尚處于研究階段，目前難應(yīng)用于工程實(shí)際。

工程應(yīng)用中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)軌蜃畲蟪潭鹊胤从车鼗恋氖芰ψ冃螤顩r。深孔載荷板試驗(yàn)?zāi)芊从巢煌疃韧馏w的受力變形狀況，依據(jù)試驗(yàn)資料可以清晰判別在荷載作用下土體沉降的不同階段。

單級(jí)荷載（荷載從100 kPa增加至200 kPa）作用下5 m埋深處的沉降變形曲線見(jiàn)圖5（a）?？梢?jiàn)，90%以上的沉降量發(fā)生在加載初期OA段，此階段稱為瞬時(shí)沉降階段；隨后進(jìn)入過(guò)渡段AB段，此階段沉降速率逐漸降低，沉降變形趨于穩(wěn)定；之后進(jìn)入緩慢沉降變形階段BC段，此階段沉降速率變化逐漸減小，受荷土體進(jìn)入長(zhǎng)期調(diào)整狀態(tài)。依據(jù)高速鐵路規(guī)范要求，鐵路路基工后沉降是指路基工程施工結(jié)束鋪軌以后在運(yùn)營(yíng)期的總沉降量，工后沉降過(guò)程應(yīng)屬于BC段的緩慢變形階段，見(jiàn)圖5（b），不能包含 OA和 AB 2段的沉降量。這與側(cè)限壓縮試驗(yàn)有本質(zhì)的區(qū)別。

當(dāng)?shù)鼗猎诤奢d作用下進(jìn)入緩慢沉降變形階段，其沉降量隨時(shí)間變化。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，沉降量隨時(shí)間的變化近似成對(duì)數(shù)曲線關(guān)系。當(dāng)從 t1增加至 t2時(shí)其對(duì)應(yīng)的工后沉降量增量Δs為

式中：a為深孔載荷板試驗(yàn)參數(shù)。

工后沉降分析中，含有時(shí)間參量的地基土變形模量為

圖5　單級(jí)荷載作用下5 m埋深處的沉降變形曲線

式中：I0為載荷板形狀系數(shù)，Kh為試驗(yàn)深度修正系數(shù)，I0，Kh的綜合取值應(yīng)由式（3）獲得。

采用深孔載荷試驗(yàn)可測(cè)試出不同深度的工后變形模量Et1，t2，確定 OA，AB，BC各沉降階段起止時(shí)間，然后根據(jù)施工進(jìn)度結(jié)合沉降分析的分層總和法即可獲得任意時(shí)間段內(nèi)高速鐵路路基的工后沉降量。根據(jù)圖5所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，5 m深處的點(diǎn)在200 kPa壓力作用下，從加載第2天起至加載第30天止的沉降量經(jīng)計(jì)算是0.4 mm。

試驗(yàn)資料顯示一般非飽和土地基的工后沉降變形模量都較大，間接解釋了為何許多工程工后沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常小而設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)較大。本文所采用的方法為高速鐵路路基工后沉降分析理論提供了一個(gè)發(fā)展方向，但該方法仍處于初步研究階段，尚待進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

5　結(jié)論

1）便攜式深孔載荷板裝置能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)試地基深層土體的受力變形特征與土體實(shí)際受力狀態(tài)。

2）基于 Mindlin位移解，給出了通過(guò)深孔載荷板試驗(yàn)計(jì)算壓縮模量的方法。試驗(yàn)對(duì)比表明計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)側(cè)限壓縮模量有著較大區(qū)別。

3）依據(jù)深孔載荷板試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)非飽和地基土沉降變形各個(gè)階段進(jìn)行了區(qū)分，指出高速鐵路工后沉降分析中不應(yīng)考慮瞬時(shí)沉降及過(guò)渡段沉降的影響。

4）提出了含有時(shí)間變量的工后沉降土體變形模量計(jì)算公式與高速鐵路路基工后沉降新計(jì)算方法。該方法尚需進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。

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（責(zé)任審編李付軍）

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

于基寧（1976— ），男，高級(jí)工程師，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

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（2010G018-B-4）