京滬高速鐵路中厚層軟土地基沉降分析

京滬高速鐵路中厚層軟土地基沉降分析

在填充過程中（在鋪設軌道之前），車輪沉降為建設沉降，這不是控制部分，但可以通過填充和抬起來解決?？ㄝ伣ǔ珊?，車輪沉降僅為工人沉降，其調整只能通過調整車道來調整。因此，工人沉降直接關系到高速鐵路的運營能力、維護模式和成本。因此，《京滬高速鐵路設計暫行條例》（以下簡稱“短期規(guī)則”）對車輪沉降提出了嚴格的要求。結果表明，沉降后沉降不應超過10cm，沉降速度應小于3cm抗應力指數(shù)的控制標準。軟土路基工后沉降問題的解決相當復雜,同時也是高速鐵路的關鍵技術之一.對這一問題僅靠理論計算來解決是非常困難的.常規(guī)的模型試驗或土工離心模擬試驗只能從定性的角度解決一些問題,要準確量化仍是非常困難的;而原位試驗雖然代價大周期長,但一些重大的技術問題仍需要原位試驗來研究解決.1分析軟硬土壤工藝后沉降的組成軟土路基工后沉降由施工完成后填土壓密下沉、運營階段行車引起的基床累積下沉和輔軌后軟土地基仍未完成的沉降組成.1.1填土壓密工后沉降量的變化輔軌后,由散體材料填筑而成的路基本體產(chǎn)生一定的壓密下沉是正常的;但如果下沉量過大,說明填土的壓實密度不足,容易形成不均勻變形.因此,目前各國關于路基填土的壓密下沉控制通常都是通過控制壓實密度予以保證的.日本對填土的壓實質量采用K30值作指標,規(guī)定了K30的控制標準.另外,對于填土壓密工后沉降量,德國和日本采用了一個經(jīng)驗公式估算,即S=h23000(1)S=h23000(1)式中:S為路堤壓密工后沉降量,m;h為路堤高度,m.按此估算,高為4.5m的路堤壓密下沉引起的工后沉降約0.7cm.根據(jù)《暫規(guī)》,當路堤以粗粒土、碎石類土填筑時,其工后沉降量可按路堤高度的0.1%～0.3%計.由此計算得到的高為4.5m的路堤壓密下沉引起的工后沉降為0.45～1.35cm,與德國、日本采用的經(jīng)驗公式估算值相當.1.2日本基床表層下沉規(guī)律的研究這部分下沉是由列車通過道床傳遞到路基面的動荷載引起的.為預測行車引起的基床累積下沉,各國都十分重視下沉規(guī)律的研究.根據(jù)日本的資料,當基床表層的K30≥150MPa·m-1,底層的K30≥70～110MPa·m-1,荷載作用次數(shù)為150萬次(相當于日本主要干線1年的作用次數(shù))時,累積下沉量僅為1～2.5mm,且經(jīng)過1年時間行車后便能趨于穩(wěn)定而不會再發(fā)展.1.3填料的最適比例我國根據(jù)《暫規(guī)》的要求,為保證填土具有足夠的強度和控制路基的工后沉降,在基床表層設級配碎石,厚0.7m,要求K30≥190MPa·m-1;基床底層厚2.3m,根據(jù)填料不同,要求K30≥110～150MPa·m-1;基床以下路堤K30≥90～130MPa·m-1.標準與國外的要求基本相同.根據(jù)前面資料分析可知,高為4.5m的路堤由路基填土壓密下沉和行車引起的路基工后沉降約1cm,僅占《暫規(guī)》工后沉降要求10cm的10%左右.因此,對于路堤高度4.5m的軟土路堤,由地基所引起的路基工后沉降不應大于9cm,即占《暫規(guī)》要求的90%左右.軟土地基的處理及填土速率決定了其路基工后沉降能否滿足要求.2試驗計劃2.1現(xiàn)場試驗點基地土對于《暫規(guī)》要求的工后沉降量,當軟土層厚時,采用常規(guī)路堤是無法實現(xiàn)的,可以采用高架橋.那么,對于10m左右中等厚度的軟土地基,是否可以通過地基處理方法達到《暫規(guī)》的目標呢?為此,需要選擇合適的場地進行試驗.就我國擬建的京滬高速鐵路而言,軟土地基上路堤的高度多在3～5m之間.本次設計試驗點路堤高度4.5m,路基面寬度按軟土地區(qū)雙線路堤標準定為13.8m;長度為65m,其中35m為改良土,30m為夯填土.試驗點地基土的物理力學指標見表1.主要軟土層為第4層淤泥質粘土,厚9.9m;地基處理設計采用插塑料排水板,按正三角形布置,間距1.2m,深15.0m;基底設厚0.6m中粗砂墊層,鋪設2層土工格柵.2.2分層沉降孔的布置為研究路堤施工期間和堆載預壓期間軟土地基的沉降歷時規(guī)律,評價塑料排水板處理軟基效果,對軟土地基沉降、土體的側向位移和孔壓的消散等項內容進行了觀測.在路基中心線各布置分層沉降孔CJ1和CJ2兩孔,孔隙水壓力觀測孔KY1和KY2兩孔;在坡腳布置分層沉降孔CJ3和孔隙水壓力觀測孔KY3各一孔,測斜孔CX1和CX2兩孔.分層沉降孔、孔隙水壓力觀測孔深35m,測斜孔深40m.另在地基面布置沉降板DB1～DB10.測點平面布置見圖1.限于篇幅,本文僅對路基的沉降加以分析.3基床表層板的施工路基試驗點從2000年5月18日開始施工,于2000年7月29日完成雜填土及塑料排水板的施工.2000年7月30日～2001年5月23日進行砂墊層及路堤本體填筑,2001年5月23日～2001年6月23日為預壓土施工期,2001年6月23日～2002年5月18日為堆載預壓期,2002年5月18日～2002年5月27日進行基床表層施工.3.1地表徑流場及壓縮層范圍改良土和夯填土容重20.0kN·m-3,兩者在路基中心地基面的沉降規(guī)律一致.其路基中心、坡腳的地基面及深層沉降與填土荷載、時間的關系見圖2和圖3.從測試結果可看出:①在填土高度等于2.0m,即在沉降曲線第一拐點前,地基沉降較小,僅15.0cm,每米填土沉降為7.5cm.當填土高度大于2.0m后,地基沉降明顯增加,至2001年5月19日預壓土施工前,地基沉降為46.5cm,平均每填筑路基高度1.0m,沉降量增加17.5cm.至2002年4月17日預壓期結束時,路基中心沉降59.9cm,坡腳沉降30.8cm.②從沉降曲線上看出,主要壓縮層范圍為16.0m.預壓期結束時,地表下16.0m處沉降僅10.4cm,占總沉降量的17.4%.當然,這與下臥層的土性有關.本試驗點15.0m以下的下臥層為粘質粉土,壓縮模量達14.0MPa.③地表以下16.0m范圍內,預壓期結束時壓縮量為49.5cm,而5.0～16.0m之間的第4層淤泥質粘土壓縮量為42.1cm,占總沉降量的70.3%,為主要的壓縮層.3.2工人后沉降率與下降率的分析3.2.1路基沉降預壓期確定根據(jù)實測資料,本次采用雙曲線方程估算,最終算得總沉降量為65.0cm.從地基面沉降曲線上可看出,2001年12月25日實測地基面沉降為55.4～57.8cm.路基按工后沉降控制10cm考慮,預壓期為6個月;如果再考慮路基填土壓密下沉和運行期間由列車引起的基床累積下沉,最終沉降量按66.0～67.0cm考慮,則預壓期應為8個月.軟土路基工后沉降控制涉及到許多因素,如軟土厚度及特性、地基處理方法、填土高度、填土速率及預壓時間等.在其他因素確定的情況下,控制施工填土速率及保證預壓時間成為能否控制軟土路基工后沉降的關鍵.3.2.2沉降速率的確定通過實測沉降曲線推算總沉降量、工后沉降量和預壓時間,作為衡量是否滿足設計要求的控制方法,理論上是合理的,實際操作也是可行的,故其是路堤預壓期動態(tài)控制的基本方法.本試驗點預壓期沉降速率見表2.根據(jù)實踐經(jīng)驗,可采用與預壓期中的t時刻相對應的沉降速率作為判斷路堤沉降是否穩(wěn)定的控制標準.根據(jù)預壓期8個月的沉降速率綜合分析,將沉降速率5～6mm·月-1作為路基穩(wěn)定的控制標準比較合適.從目前的沉降速率可看出,工后第1年沉降速率不會超過3.0cm·年-1.3.3固結度的計算地基的總沉降量S由3部分組成S=Sd+Sc+Ss(2)S=Sd+Sc+Ss(2)式中:Sd為瞬時沉降,系由剪切變形引起的附加沉降;Sc為主固結沉降,系由加載后土體內孔隙水壓力消散引起的體積壓縮變形;Ss為次固結沉降,系主固結沉降完成后發(fā)生的沉降.大量的實踐表明,要想從理論上、試驗中準確地將各部分的沉降區(qū)分開來是非常困難的,如次固結沉降并非是在主固結沉降完成后才發(fā)生的,而是與主固結沉降同時發(fā)生的.此外,對Sd尚無成熟的計算分析方法.因此,實用上往往以主固結沉降為基礎推求總沉降量,即用分層總和法推求Sc,再乘以一個沉降修正系數(shù)ms,求出總沉降量.即S=msSc(3)S=msSc(3)本次采用分層總和法計算主固結沉降Sc為47.9m,其中塑料排水板加固區(qū)沉降41.6cm,下臥層沉降6.3cm,修正系數(shù)ms為1.36.為對現(xiàn)有計算方法有個了解,本次試驗研究采用公式(4)對塑料排水板(換算為砂井)進行地基固結度的計算.砂井以下部分土層的平均固結度U—zU—z按太沙基固結理論計算,施工期多級等速加荷情況按改進的高木俊介法修正,得到的計算結果見表3.砂井深度范圍內地基的平均固結度U—rzU—rz為U—rz=1?αe?βt(4)U—rz=1-αe-βt(4)式中,α和β皆為排水固結參數(shù).從表3可看出:將理想井與考慮井阻和涂沫效應的固結度分別計算,對計算結果影響不大,僅施工填筑期及預壓期6個月內,考慮井阻和涂沫效應計算出的固結度比理想井的略小;預壓期6個月后,兩者計算的固結度相等.從預壓期6個月時的沉降來看,計算塑料排水板加固區(qū)和下臥層未完成的沉降量分別為0.4cm和2.1cm,共2.5cm,而實測結果是后期沉降有7.2～9.6cm.計算結果總沉降量和后期沉降量都明顯偏小.因此,軟土的沉降計算方法仍然有待進一步研究.4地表徑流的沉降(1)經(jīng)1年時間的地基處理、施工填筑和10個月的堆載預壓期固結后,地基沉降56.8～59.1cm,估