陶 燦 饒 雄 滕煥樂 曹成度

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

高速鐵路軌道的平順性是優(yōu)化輪軌效應的關鍵，也是確保行車安全和旅客舒適度的重要因素之一。為了運營安全及平穩(wěn)，高速鐵路對軌面的平整狀態(tài)有嚴格的要求，而結構物的工后沉降對軌道平順性有直接的影響?！惰F路工程沉降變形觀測與評估技術規(guī)程》(Q/CR 9230—2016)規(guī)定，一般路基工后沉降要求小于15 mm。[1]

近年來，為解決沉降問題，多采用CFG樁、注漿旋噴樁等措施對地基進行加固處理，然后再通過堆載預壓來加速地基土層的壓縮變形，以減小工后沉降[4]。國內許多學者對不同地質情況下路基的沉降特性做了大量的研究。裴立軍等對不同的黃土地基路基段開展沉降監(jiān)測，得到黏質黃土地區(qū)一般在3～4個月內沉降發(fā)展較快，之后逐漸變緩，6個月以后路基沉降趨于穩(wěn)定的結論[5];劉浩等通過對京滬高鐵陽澄湖地區(qū)軟土的蠕變特性和次固結特性的實驗研究，認為堆載預壓不僅可以減小軟土的主固結沉降，還能夠有效地減少工后沉降[6]；牛富俊對青藏鐵路路橋過渡段的沉降趨勢進行分析，認為粉土、粉質黏土等細顆粒類土的沉降量明顯高于其他類土，中粗砂類、礫石土的沉降量為中等，風化巖石、砂巖、片巖等的沉降量最小或幾乎為零，表明路基土體類型是影響沉降量的因素之一[3]。以京沈高鐵安匠站路基段建設期間的沉降過程和沉降趨勢為研究對象，研究路基基底土質對路基沉降特性的影響，對于重新認識不同土質的沉降特性以及如何控制工后次沉降有一定參考價值。

2 路基沉降原理

2.1 土壤壓縮固結原理

土的固結是指土體受外力作用，其應力狀態(tài)改變時，土體體積逐漸壓縮，同時部分水量從土體中排出，外加應力相應地從孔隙水(與氣)傳遞到土骨架上，孔隙水壓力逐漸消散至零，直到變形達到穩(wěn)定為止[7]，更確切地說，是土體在荷載作用下，孔隙壓力降低，有效應力增加，土體壓縮的過程[8]。一般來說，e值越小，土越密實，壓縮性越低；e值越大，土越疏松，壓縮性越高[9]?？紫侗裙綖?/p>

(1)

其中e為孔隙比，Vs是土壤體積，Vv是孔隙體積。

圖1中，Vs為土粒體積，在堆載預壓加載前后保持不變，在堆載預壓后，土壤被壓縮后導致孔隙體積變化，孔隙比產生變化，整個過程遵循以下公式

(2)

圖1 土壤固結過程示意

對土壤施加縱向荷載后，孔隙水得以逐漸排出，有效壓力增大，土體強度增加，從而達到地基處理的目的。根據(jù)有效應力理論，土質因滲透固結增加的強度與附加總應力增量和固結度的乘積成正比(假定固結過程中土的內摩擦角為不變的常數(shù))。因此，壓縮固結是引起地基沉降的最直接原因(理論沉降量為S)[10]。

按照一般規(guī)律，土壤粒徑越小，透水性越弱，受外力時越容易變形，強度越小。

2.2 土壤固結速率和壓縮模量

土壤固結速率是指土層發(fā)生主固結的快慢程度，主要取決于土的固結系數(shù)。土的壓縮模量Es表示土的壓縮性，Es越小，土的可壓縮性越大，孔隙水消散速率越快；反之Es越大，土的可壓縮性越小，孔隙水消散速率越慢[11]。

太沙基一維固結模型和理論研究的是飽和土中有效應力和孔隙應力的不同比值及與總應力的關系，在實際工程中，遇到的多為非飽和土。非飽和土是一種三相體系，除包含不可壓縮的固相土粒和液相水外，還含有一定數(shù)量的可壓縮氣體。飽和土與非飽和土的固結理論彼此相關，非飽和土的固結理論是對飽和土固結理論的拓展和延伸[12]。路基的堆載預壓可認為是非飽和土的三維固結問題。

2.3 路基沉降穩(wěn)定標準

根據(jù)《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術規(guī)程》，當路基主體工程完工后觀測期應大于3個月，且這3個月沉降波動幅度在3.0 mm之內、沉降變形觀測值在±2 mm之內、最后4次(且觀測時間不少于一個月)觀測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)連續(xù)下沉現(xiàn)象時，簡稱“小變形測點”，可判定為“通過”，不予曲線擬合，可進行無砟軌道施工，但必須繼續(xù)觀測驗證；當測點沉降變形大于3 mm時，必須進行曲線擬合(簡稱“曲線擬合測點”)，當曲線擬合測點同時滿足以下條件時，可以判定滿足無砟軌道鋪設條件[13-14]。

(1)工后沉降不宜超過15 mm。

(2)根據(jù)路基實際荷載情況及觀測數(shù)據(jù)，應作回歸分析及預測，綜合確定沉降變形的趨勢，曲線回歸的相關系數(shù)應不低于0.92。

(3)軌道(道床)鋪設前最終預測應符合其預測準確性的基本要求，即橋梁主體施工完成至無砟軌道鋪設前，沉降預測時間應滿足

S(t)/S(t=∞)≥75%

式中，S(t)為預測時實際發(fā)生的沉降量/mm；S(t=∞)為預測總沉降值/mm。

3 觀測研究段概述

3.1 工程概況

京沈高鐵是連接東北和華北地區(qū)的重要紐帶，設計速度350 km/h，全線設計為無砟軌道線路。本次研究段為安匠站DIK159+440～DIK160+594.95段路基，位于承德市承德縣鞍匠鄉(xiāng)境內，該段為中低山山間盆地地貌，地形起伏不大，植被發(fā)育，交通較為便利。根據(jù)勘探資料，本段地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質黏土、卵石土、粗礫土，土層厚22.7～27.7 m，下伏侏羅系上統(tǒng)片麻巖，分布情況如表1、圖2和圖3。

表1 安匠站基底土質組成

DIK159+440～DIK160+594.95段路基為填方，從上到下依次為0.5 m厚C35混凝土，0.76 m厚C20混凝土，0.69 m厚級配碎石(摻5%水泥)；以下基床底層范圍內填筑0.75 m厚的A、B組土，混凝土基床兩側填筑A、B組土，總厚度2.7 m。DIK159+880～DIK160+217段基底主要為粗礫土、卵石土、漂石土和片麻巖；DIK159+880～DIK160+217段基底主要為粗礫土、卵石土、粉質黏土和片麻巖。

圖2 DIK159+880—DIK160+217段地質斷面

圖3 DIK160+300～DIK160+500段地質斷面

3.2 堆載預壓段沉降實施情況

安匠站DIK159+880～DIK160+217段共設9個沉降觀測斷面，DIK160+300～DIK160+500段共設7個沉降觀測斷面，按照設計和規(guī)范要求，每個沉降觀測斷面基底設置一個沉降板，布置于雙線路基中心。為施加整體基床荷載以加速基底沉降，在DIK159+880～DIK160+217段和DIK160+300～DIK160+500段基床底層頂面使用預壓塊、預壓土實施堆載預壓。預壓土堆高3 m，單延米體積為25.8 m3，單延米質量為46.44 t，橫向邊坡坡度為1∶1，端部縱向邊坡坡度為1∶2并向外延伸。堆載示意如圖4。

圖4 堆載預壓示意(單位：m)

4 沉降結果分析

4.1 實測沉降結果分析

根據(jù)施工安排，DIK159+880～DIK160+217段在2016年12月14日開始堆載，DIK160+300～DIK160+500于2016年10月18日開始堆載。堆載時間如表2。

堆載過程中各斷面沉降量如表3。

4.2 兩段路基沉降曲線預測擬合結果

對實測沉降數(shù)據(jù)采用雙曲線模型和灰色系統(tǒng)GM(1，1)模型進行曲線擬合。結果表明，兩種模型的預測相關系數(shù)均達到了0.92以上，預測工后沉降量差別為0.02～3.87 mm。S(t)/S(∞)和工后沉降的預測結果表明，所有沉降板均到達穩(wěn)定狀態(tài)，各項指標均滿足《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術規(guī)程》中對于路基沉降穩(wěn)定判定標準中的要求。這兩段路基在堆載預壓后均達到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，滿足無砟軌道鋪設的前提條件。預測結果見表4。

表2 堆載時間分布

表3 堆載沉降情況

4.3 兩段路基沉降情況對比分析

如圖5所示，DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段路基各測點沉降量的監(jiān)測結果表明，DK160+300～DK160+500段沉降量為17.25～51.35 mm，DIK159+880～DIK160+217段沉降量在2.38～8.53 mm，DK160+300～DK160+500段所有沉降板的沉降量比DIK159+880～DIK160+217段沉降量要大至少2倍，DK160+300～DK160+500段沉降量最大的160358L1號沉降板，其在堆載預壓期間的沉降量為51.35 mm(超出DIK159+880～DIK160+217段沉降量最大的160085L1號沉降量的6倍以上)。兩段路基間隔僅83 m，采用了相同的地基處理和堆載預壓方法，每延米預壓土方量相同，并可以近似假設這兩段路基所處的氣候水文環(huán)境一致。由圖2和圖3的比較發(fā)現(xiàn)，DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段的主要區(qū)別在于基底土質，DK160+300～DK160+500段沉降量較大主要是粉質黏土相較于漂石土的孔隙比更大，土壤可壓縮性大，從而導致DK160+300～DK160+500段整體基底土壤可壓縮性更高，從而產生了更大的沉降量。

圖5 DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段沉降量比較

4.4 兩段路基沉降速率分析

由圖6可知，DK160+300～DK160+500段沉降達到穩(wěn)定需275～297d，DIK159+880～DIK160+217段沉降達到穩(wěn)定需120～197d，DK160+300～DK160+500段沉降達到穩(wěn)定的天數(shù)較DIK159+880～DIK160+217段多78～177 d。由圖7可知，DK160+300～DK160+500段的沉降速率明顯比DIK159+880～DIK160+217段要大，DK160+300～DK160+500段需要更長的時間來完成土壤的壓縮固結沉降，其孔隙水壓力消散速率比DIK159+880～DIK160+217段要大。DK160+300～DK160+500段和DIK159+880～DIK160+217段主要區(qū)別為基底土質(粉質黏土和漂石土)，可以推測出粉質黏土的固結系數(shù)比漂石土要小，沉降速率較大。

圖6 DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段達到穩(wěn)定的天數(shù)

圖7 DIK159+880～DIK160+217段和DK160+300～DK160+500段沉降速率

5 結論

(1)堆載預壓能夠有效加快路基沉降速率，使其達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2)基底土質類別對于堆載預壓后的路基沉降量和沉降速率有一定的影響。

(3)在相同的堆載預壓載荷下，基底粉質黏土相較于卵石土、粗礫土和漂石土等其他土類，具有抗壓強度較低，孔隙比較大，壓縮模量較小，加荷后沉降量較大的特點。

(4)粉質黏土加荷后的沉降速率相較于漂石類土大，需要更長的時間來完成土壤的壓縮固結沉降，以達到基底沉降穩(wěn)定的狀態(tài)。

(5)在工程實踐中，對基底為厚層粉質黏土的路基段，應采取措施及時處理，以防止其沉降隱患影響工程質量。

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