濕陷性黃土區(qū)高速鐵路沉降控制研究

濕陷性黃土區(qū)高速鐵路沉降控制研究

為了控制黃土區(qū)快速下降的濕塌陷，必須將基礎(chǔ)處理。處理方法的選擇應(yīng)首先注意消除濕塌陷和控制沉降變形的雙重標(biāo)準(zhǔn)，即。不僅可以消除埋深內(nèi)的黃土濕塌陷，還可以提高地基承載力，減少壓縮變形。另外其地基處理方法的選擇還需兼顧方便快捷、經(jīng)濟(jì)合理的原則,以便于全線大范圍推廣使用?？v觀濕陷性黃土區(qū)既有的地基處理方法,能滿足以上要求的目前主要有換填、強(qiáng)夯、擠密樁、柱錘沖擴(kuò)樁等。柱錘沖擴(kuò)樁法,先采用鉆機(jī)或重錘沖擊成孔,然后分層填料(一般采用灰土或水泥土),通過重錘自由落體夯實(shí)成樁,并夯擴(kuò)擠密樁周土體,從而形成由樁體與樁間土共同承擔(dān)上部荷載的復(fù)合地基,以提高地基承載力、減小地基沉降。柱錘沖擴(kuò)樁適用于素填土、雜填土、大厚度濕陷性黃土、粉土、黏性土等地基的處理,在濕陷性黃土區(qū)該地基處理方法于大型冷卻塔、主廠房、煙囪、高層住宅以及大型儲(chǔ)罐等工程建設(shè)領(lǐng)域已有較廣泛的應(yīng)用,其消除黃土濕陷性、降低地基壓縮等方面的效果十分顯著。柱錘沖擴(kuò)樁法具有設(shè)備簡單、施工方便、速度快、投資省、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)沉降控制要求,柱錘沖擴(kuò)樁法具有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢,處理深度可達(dá)20～30m。鄭西客運(yùn)專線全長484.5km,設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h,是我國也是世界上在濕陷性黃土區(qū)修建的第一條高速鐵路,全線鋪設(shè)無砟軌道,沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為:工后沉降≤15mm,沉降比較均勻、長度大于20m的路基,工后沉降≤30mm。對(duì)于該鐵路修筑后路基沉降變形能否滿足高速列車運(yùn)行的要求,無論是設(shè)計(jì)還是施工均缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為指導(dǎo)后續(xù)全線的設(shè)計(jì)和施工,鄭西客運(yùn)專線在大規(guī)模施工前選擇代表性工點(diǎn)建立試驗(yàn)段,對(duì)改良黃土路堤、柱錘沖擴(kuò)樁等濕陷性黃土區(qū)典型地基進(jìn)行實(shí)體工程研究,通過開展沉降變形觀測、大型浸水試驗(yàn)、路基沉降預(yù)測等,對(duì)高速鐵路技術(shù)條件下改良黃土路堤及柱錘沖擴(kuò)樁等地基的沉降變形特性、濕陷性消除效果、路基地基沉降控制效果等內(nèi)容進(jìn)行了研究。本文依據(jù)鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土路基試驗(yàn)段柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)段路基的測試與觀測結(jié)果,對(duì)濕陷性黃土區(qū)高速鐵路柱錘沖擴(kuò)樁地基的沉降控制效果進(jìn)行了探討。1鄭西客運(yùn)專線鄭西客運(yùn)專線dk實(shí)行鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土路基試驗(yàn)段位于陜西省華陰市衛(wèi)峪鄉(xiāng)坪塬村,也即鄭西客運(yùn)專線DK355+200左側(cè)約150m處,場地東西長180m,南北寬80m,征用前為農(nóng)田,地形平坦,地面標(biāo)高366.15～367.17m。地貌單元屬渭河Ⅱ級(jí)階地。1.1地下水溫度變化對(duì)黃土層影響分析勘察資料表明,試驗(yàn)場地40m深度范圍內(nèi)的地層有人工堆填土,第四系全新統(tǒng)沖積黃土、殘積粉土(具有中等濕陷性、中高壓縮性),上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)的風(fēng)積、殘積和沖積黃土,濕陷性從上到下逐漸減弱并消失,壓縮性也逐漸降低。該場地地下水埋深為40.50m,屬于潛水,地下水位年變化幅度為1.5～2.0m,因此地下水變化不會(huì)對(duì)黃土層產(chǎn)生影響。該場地濕陷性黃土層厚度為22m,濕陷量Δs為793～900mm,大于700mm,自重濕陷量Δzs為418～577mm,大于350mm,因此判定該場地屬自重濕陷性黃土場地,地基濕陷等級(jí)為IV級(jí)(很嚴(yán)重)。1.2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1.2.1黃土層預(yù)壓處理本試驗(yàn)段共設(shè)3個(gè)地基處理區(qū)段,如圖1所示,其中柱錘沖擴(kuò)樁處理深度22m,對(duì)場地內(nèi)濕陷性黃土層進(jìn)行全深度處理。試驗(yàn)段地基處理措施及設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,水泥土柱錘沖擴(kuò)樁地基的質(zhì)量按表2進(jìn)行控制。1.2.2確定復(fù)合地基上的土體,增加試驗(yàn)路堤斷面形式及設(shè)計(jì)參數(shù)詳如圖2所示?；驳讓邮┕ね瓿珊?填筑預(yù)壓土進(jìn)行堆載預(yù)壓,預(yù)壓土的高度為3m,該高度為無砟軌道路基上的軌道和列車荷載換算土柱的高度,其中列車荷載按“ZK-活載”考慮,為了便于施工將預(yù)壓土滿鋪于路基頂面,坡率為1∶1。因?yàn)槁坊鶠槿嵝曰A(chǔ),為了防止樁土復(fù)合地基中樁體刺入路基而引起的不均勻沉降變形,特在路基本體下、復(fù)合地基樁頂上設(shè)置了1m厚的水泥土墊層,墊層內(nèi)鋪設(shè)兩層雙向土工格柵以增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度。改良黃土路堤的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。2路堤本體壓縮沉降路基填筑完成至恒載預(yù)壓258d,附加荷載作用下柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)段路基中心處的沉降量統(tǒng)計(jì)如表4所示,路基中心總沉降以及各部位的分層沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。分析圖表4、圖3可知:(1)填筑完成后至恒載預(yù)壓258d,路堤中心總沉降量為10.8～13.3mm,平均12.1mm。路堤本體壓縮沉降0.0～3.5mm,占總沉降的0～27%,地基壓縮沉降9.7～10.8mm,占總沉降的73%～100%。這一方面說明填筑完成后改良黃土路堤本體的壓縮沉降很小,僅占路堤填高的0.78‰,另一方面說明地基是引起路基沉降的主要部位。(2)柱錘沖擴(kuò)樁地基沉降部分當(dāng)中,加固區(qū)下臥層的沉降量為0.5mm,地基加固區(qū)壓縮沉降9.2～10.3mm,占總沉降的69%～95%。地基沉降主要來源于加固區(qū)下臥層的壓縮沉降。(3)分析圖3可得,路基本體的壓縮沉降在填筑完成后約一個(gè)月時(shí)間內(nèi)已完成并趨于穩(wěn)定,也是在這一個(gè)月時(shí)間內(nèi),路基總沉降發(fā)展最快,已經(jīng)完成了大部分,約占70%～80%;之后,路基沉降速率趨緩,經(jīng)過4個(gè)月的恒載預(yù)壓,路基總沉降以及各部位的沉降已基本完成。3柱錘沖擴(kuò)樁路基沉降特征為研究長時(shí)間、持續(xù)浸水對(duì)地基的影響范圍以及地基浸水所造成的路堤沉降,對(duì)已經(jīng)建好的實(shí)體路基工程開展大型浸水試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)路基的南側(cè),離路基坡腳4.5m設(shè)置三個(gè)5m×40m的矩形浸水池,浸水池的水頭始終保持在30～40cm,共浸水87d,停止浸水后,課題組仍然對(duì)路基進(jìn)行沉降觀測,持續(xù)時(shí)間達(dá)9個(gè)月。開始浸水至停止浸水后9個(gè)月,柱錘沖擴(kuò)樁地基的總沉降和分層沉降量統(tǒng)計(jì)如表5所示,分析可得:長時(shí)間持續(xù)浸水后,柱錘沖擴(kuò)樁路基的總沉降量(包含浸水期間、浸水完成后路堤總沉降量)僅有2.9～6.5mm,因此,柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)段路基在暴雨、路堤外局部積水等條件下,不會(huì)出現(xiàn)大的沉降而影響行車安全。浸水后柱錘沖擴(kuò)樁地基加固區(qū)內(nèi)的壓縮沉降量基本上為零,加固區(qū)下臥層的沉降量為4.9～5.5mm,該沉降量占浸水后地基總沉降量的96%以上,這說明持續(xù)浸水后柱錘沖擴(kuò)樁地基出現(xiàn)的少量增濕變形仍發(fā)生在加固區(qū)下臥層,另外還說明采用22m的柱錘沖擴(kuò)樁處理后,地基加固區(qū)的濕陷性已完全消除。4路基沉降預(yù)測采用雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法三種曲線擬合法,分別對(duì)路堤中心沉降量進(jìn)行預(yù)測,三種方法的擬合曲線以及路基沉降實(shí)測曲線,如圖4所示。沉降預(yù)測結(jié)果表明,路堤恒載預(yù)壓258d,柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)段路基的剩余沉降量僅有0.2mm,已完全滿足鋪設(shè)無砟軌道路基工后沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合路基實(shí)測沉降量分析,從2006年12月23日完成路基和預(yù)壓土填筑,兩斷面的剩余沉降分別為11.0mm、13.5mm,均已小于15mm。因此可知,柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)段路基無需堆載預(yù)壓,靜置一段時(shí)間便可滿足鋪設(shè)無砟軌道對(duì)工后沉降的控制要求。5無軌道控制柱錘沖擴(kuò)樁路基沉降的效果分析本文以鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土區(qū)路基試驗(yàn)工程為依托,通過開展沉降變形觀測、大型浸水試驗(yàn)、路基沉降預(yù)測,得出以下結(jié)論:(1)荷載作用下地基的沉降變形特性:恒載預(yù)壓約4個(gè)月地基已基本穩(wěn)定,恒載預(yù)壓258d地基總沉降量為10.3mm。沉降預(yù)測結(jié)果表明,柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)段自路基和預(yù)壓土填筑完成后,其剩余沉降已小于15mm,至恒載預(yù)壓258d時(shí)路基剩余沉降量僅為0.2mm,本試驗(yàn)條件下柱錘沖擴(kuò)樁路基無需堆載預(yù)壓,靜置一段時(shí)間便可滿足鋪設(shè)無砟軌道對(duì)工后沉降的控制要求。(2)浸水條件下地基的沉降變形特性:持續(xù)浸水87d,柱錘沖擴(kuò)樁地基的總沉降量為2.9～6.5mm,本試驗(yàn)條件下的柱錘沖擴(kuò)樁路基,暴雨、路堤外局部積水等原因不會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)大的沉降而影響行車安全。(3)地基濕陷性消除效果:持續(xù)浸水后柱錘沖擴(kuò)樁地基加固區(qū)的沉降量基本上為零,加固區(qū)下臥層的沉降量為4.9～5.5mm,該濕陷性黃土場地采用22m的柱錘沖擴(kuò)樁處理后,地基加固區(qū)的濕陷性已完全消除。(4)地基沉降組成:柱錘沖擴(kuò)樁地基的沉降主要來源于地基下臥層,加固層的沉降量很小。因此,地基沉降控制的重點(diǎn)是下臥層,加固層處理效果再好,若處理過淺,附加荷載作用下,地基還是會(huì)產(chǎn)生較大的沉降量,所以高速鐵路地基處理要滿足一定的深度要求。(5)高速鐵路技術(shù)