王亞飛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

更新統(tǒng)黏性土地基具有低含水率、小孔隙比、中等偏低的壓縮特性，其沉降固結(jié)特性不同于飽和軟黏土。高速鐵路對路基工程工后沉降要求嚴格，一般地段不宜大于15 mm，所有土質(zhì)地基均需要進行工后沉降分析。更新統(tǒng)黏性土地基在河流高階地廣泛分布，而高速鐵路在一級階地廣泛使用“以橋代路”后，路基多分布于此類地基土上。多個高速鐵路的實測資料表明，經(jīng)過CFG樁網(wǎng)、樁筏等結(jié)構(gòu)處理后的地基實測沉降量遠小于理論計算值[1-2]，其沉降變形在路基荷載穩(wěn)定后可快速穩(wěn)定。復合地基施工期沉降約占總沉降的60%以上[3-7]，非飽和中等壓縮性土地基施工期沉降完成比例甚至更高[8]。

CFG樁復合地基在高速鐵路地基加固中應用廣泛，但現(xiàn)行規(guī)范對復合地基沉降尤其是中低壓縮性土的地基沉降計算理論尚不能完全符合實際觀測資料，且難以滿足高速鐵路毫米級的計算精度。合肥地區(qū)廣泛分布上更新統(tǒng)(Q3)黏性土，本文以合福高速鐵路合肥市肥東縣地區(qū)晚更新統(tǒng)黏性土地基上典型試驗工點為依托，開展了CFG樁復合地基、路基填筑、沉降觀測等試驗，對指導類似工程建設具有重要意義。

1 工點設計及測試方案

1.1 工程地質(zhì)概況

合福高速鐵路試驗工點位于合肥市肥東縣附近，屬長江二級階地區(qū)，地勢較平緩。表層為4～6 m厚第四系全新統(tǒng)可塑～硬塑粉質(zhì)黏土，局部夾薄層砂層；其下為上更新統(tǒng)硬塑黏土，具中等膨脹性，厚度15～20 m；下伏白堊系含礫泥質(zhì)砂巖。第四系壓縮層厚度約23～26 m。

各地層物理力學指標見表1?？梢姡ば酝恋貙佑缮现料潞视兴鶞p小，壓縮性逐漸降低，但均屬于中等壓縮性土范疇。

表1 各地層物理力學指標

1.2 地基處理設計及測試方案

試驗工點為雙線無砟軌道路基，路基面寬13.6 m，填土高度約8.0～8.5 m，路堤坡率1∶1.5。地基采用CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)+堆載預壓處理，CFG樁樁徑0.5 m，樁長14～16 m，間距1.6～1.8 m，正方形布置，樁頂設置0.6 m 厚碎石、中粗砂墊層夾鋪2層高強土工格柵；堆載預壓高3.0 m。試驗選取3個代表性斷面進行地基分層沉降、地基面沉降及坡腳側(cè)向位移等綜合監(jiān)測，監(jiān)測斷面相距12～40 m。試驗工點測試斷面如圖1所示。

圖1 試驗工點測試斷面示意

2 測試結(jié)果分析

2.1 施工情況

各測試斷面距離較近，其施工時間大致相同。主要時間節(jié)點如下：2011年5月28日開始褥墊層填筑施工，5月30日開始第1層路基本體填筑;2012年1月8日完成基床底層填筑，2月17日開始預壓土堆載;2013年1月15日開始卸載，1月29日運梁車第1次通過。

2.2 地基表面沉降

埋設于路基中心及路肩對應處地基表面的單點沉降計錨固端埋設深度為23～26 m，均位于強風化基巖。埋深置于強風化基巖的單點計基本可代表本斷面的地基可壓縮層變形總量，見圖2。

圖2 地基表面沉降曲線

由圖2可知：經(jīng)CFG樁復合地基加固后，地基總沉降較小。除DK23+960斷面地基表面沉降偏大(約48 mm)以外，其余斷面基底總沉降在20.7～23.8 mm，路基中心與路肩處差異沉降不明顯。不同斷面地基沉降趨勢基本相同，隨路基填筑荷載增加地基沉降逐漸增大，荷載穩(wěn)定后，沉降也很快穩(wěn)定。由于路基填筑期較長(約7.5個月)，填筑期沉降速率一般<1 mm/d，施工期沉降完成比例較高，約占總沉降的67%～83%，預壓期間相對沉降量約3～9 mm，平均約為5.6 mm，堆載預壓期較長(約11個月)，卸載后沉降增加幅度<1 mm，地基未見明顯回彈，路基工后沉降較容易控制，滿足無砟軌道的鋪設要求。

2.3 地基分層沉降

在DK23+960斷面4.8，14.05，18.05，26 m深度分別埋設了單點沉降計，本斷面CFG樁設計樁長14 m。該斷面分層壓縮變形量曲線見圖3。

圖3 DK23+960斷面單點沉降計分層壓縮變形量曲線

由圖3可知：CFG樁加固深度14 m范圍內(nèi)壓縮變形量為29.41 mm，路基中心26 m深度范圍內(nèi)地基壓縮變形總量為48 mm，加固區(qū)沉降約占變形總量的61.3%，下臥層約占變形總量的38.7%。而淺層0～4.8 m深度內(nèi)壓縮變形量為25.85 mm，占總沉降的53.85%，樁身下部4.8～14 m壓縮變形量僅為3.56 mm，約占總沉降的7.42%。這說明地基變形主要發(fā)生在加固區(qū)淺層及下臥層，樁頂淺層存在較大的刺入變形，而樁身中下部加固區(qū)壓縮量較小。

圖4為該斷面磁環(huán)式分層沉降測試結(jié)果?？芍嚎傮w規(guī)律與前述單點沉降計基本一致，但加固區(qū)壓縮變形量更小。復合地基加固區(qū)不同深度內(nèi)沉降量分布基本相同(沉降量呈豎直線)，表明加固區(qū)地基壓縮變形量較小。

圖4 DK23+960斷面磁環(huán)式分層沉降曲線

統(tǒng)計各測試斷面分層沉降結(jié)果見表2?？芍杭庸虆^(qū)沉降量占地基總沉降的比例<14%，下臥層沉降量占總沉降量的比例>86%。

2.4 地基側(cè)向位移

典型斷面深層位移監(jiān)測曲線見圖5。可知：更新統(tǒng)黏性土地基天然強度較高，測得其地基水平位移隨著深度的增加而減小，最大水平位移靠近地表，一般約為6～8 mm，最大不超過12 mm，2 m深度以下水平位移一般<5～6 mm。說明CFG樁復合地基增加了地基剛度，約束了地基的側(cè)向變形，有利于減小地基總沉降。

表2 加固區(qū)與下臥層沉降比例

圖5 DK23+960左右側(cè)坡腳側(cè)向位移曲線

2.5 復合地基沉降理論計算

由于復合基樁的存在，實際改變了地基中的應力分布。有研究表明，對于中等壓縮性土采用Mindlin-Boussinessq聯(lián)合法得到的附加應力更符合下臥層實際沉降[9]。對于復合地基加固區(qū)，大量實測資料顯示其壓縮變形量較小，因而采用樁身壓縮加樁頂刺入法計算加固沉降與實際較為吻合[10]。對于天然強度較高的中低壓縮性土，在較低的荷載水平下，地基沉降處于彈性變形階段，因此孫紅林等[1]推薦采用“似彈性分析”法按“沉降完成比例”進行工后沉降分析。

本文采用TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)范》的復合模量法對前述斷面進行了沉降理論計算，加固區(qū)采用置換率計算其復合模量，地基應力采用布氏解，沉降計算深度按附自比0.1考慮。測試斷面沉降理論計算值與實測值對比見表3。

表3 測試斷面沉降理論計算值與實測值對比

注：ψs為沉降經(jīng)驗修正系數(shù)。

由表3可知：在壓縮模量當量值約15～16 MPa時，沉降經(jīng)驗修正系數(shù)約為0.10～0.22，與GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》查表值相比，約為規(guī)范值的27%～55%。由于鐵路路基荷載是柔性荷載，其受力特征及應力擴散方式與剛性基礎有很大差異，套用GB 50007—2011計算路基荷載作用下的地基沉降可能存在較大的誤差。

從試驗工點的沉降曲線來看，荷載穩(wěn)定后，地基土的沉降收斂較快，與飽和軟黏土的固結(jié)狀態(tài)明顯不同。因此，對于超固結(jié)狀態(tài)的更新統(tǒng)黏性土不適合采用飽和黏土的滲透固結(jié)理論進行工后沉降分析。鑒于荷載穩(wěn)定后沉降收斂較快的特點，推薦采用沉降完成“經(jīng)驗比例法”進行工后沉降計算。根據(jù)實測資料擬合其最終沉降，各斷面的不同時期沉降完成比例見表4。

表4 復合地基不同時期沉降完成比例

由于試驗斷面填筑期長達7.5個月，施工期沉降完成比例超過70%;荷載穩(wěn)定3個月后超過97%；6個月后為98%～99%?？紤]路基填筑期的不同，理論計算可偏安全取值，加固區(qū)沉降完成比例可取相對高值。

3 結(jié)論與建議

1)更新統(tǒng)黏性土CFG樁復合地基在路基填筑期內(nèi)即可完成大部分地基沉降。填土高度8.5 m、填筑期約7.5個月時，施工期實測沉降完成比例超過70%。該類地基土在荷載穩(wěn)定后，沉降變形具有快速收斂的特征，地基總沉降及側(cè)向變形均較小。

2)復合地基總沉降主要由加固區(qū)淺層及下臥層沉降組成，CFG樁中下部加固區(qū)沉降僅占總沉降的7%～15%；下臥層沉降約占總沉降的39%～87%。因此，對控制更嚴格的過渡段等部位，對淺層松軟地層采取換填、夯實等必要的預加固處理措施，可進一步有效減小地基總沉降。

3)采用規(guī)范復合模量法進行的沉降理論計算與實測數(shù)據(jù)反演對比，在壓縮模量當量值為15～16 MPa時，反演沉降經(jīng)驗修正系數(shù)約為0.10～0.22，約為規(guī)范值的27%～55%。更新統(tǒng)黏性地基土推薦采用沉降完成“經(jīng)驗比例法”進行路基工后沉降分析?？紤]路基填筑期的不同、綜合規(guī)范，更新統(tǒng)黏性土復合地基推薦路基填筑期沉降完成比例可取60%～70%，荷載穩(wěn)定3個月后沉降完成比例可取85%～90%，6個月后可取95%，加固區(qū)可取相對高值，采用樁身彈性變形法計算時加固區(qū)淺層宜考慮樁頂刺入變形影響，殘余沉降計入工后沉降。

[1]孫紅林,陳尚勇.高速鐵路中等壓縮性黏土沉降分析方法探討[J].鐵道工程學報,2011,28(11):30-35.

[2]姚建偉.高速鐵路CFG樁復合地基沉降計算方法研究[J].土工基礎,2011,25(3):46-48.

[3]肖啟航,謝朝娟,黃啟舒.高速鐵路CFG樁筏復合地基沉降特性試驗研究[J].工程勘察,2010,38(11):6-10.

[4]李波,冷景巖.高速鐵路CFG樁-筏結(jié)構(gòu)沉降控制現(xiàn)場試驗[J].鐵道工程學報,2014,31(2):48-52.

[5]趙新益.無砟軌道中低壓縮性土地基高路堤變形控制分析[J].路基工程,2012,30(6):138-140.

[6]榮文文.鐵路路堤填土柔性荷載下CFG樁復合地基沉降及樁身應力研究[J].鐵道建筑，2015,55(2):85-88.

[7]趙勇,陳占,徐紅星.高速鐵路無砟軌道路基沉降監(jiān)測和研究[J].鐵道工程學報,2012,29(6):45-49.

[8]張崇磊,蔣關(guān)魯,吳麗君,等.非飽和中等壓縮性土地基沉降預測的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2012,39(6):50-56.

[9]董志泓.路堤荷載下復合地基下臥層沉降特性研究[D].成都:西南交通大學,2014.

[10]魏永幸,薛新華.樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基沉降計算方法探討[J].鐵道工程學報,2010,27(10):36-40.