土工格柵在高速鐵路軟土地基處理中的應(yīng)用

余雷

（鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院線路咨詢部 高級(jí)工程師，北京 100038）

0 前言

高速鐵路對(duì)結(jié)構(gòu)物的工后沉降要求非常嚴(yán)格?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，有砟軌道一般地段路基工后沉降要求小于5 cm，竣工初期年沉降速率小于2 cm，橋路過(guò)渡段路基工后沉降要求控制在3 cm以內(nèi)[1]。

有關(guān)土工格柵在軟土地基中的應(yīng)用研究比較多，但是大多數(shù)是針對(duì)某一種地基處理進(jìn)行的研究[2－8]，部分研究成果還存在一定的爭(zhēng)議[9]。為了對(duì)比在不同地基處理中的效果，鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院等單位對(duì)此進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中采用了漿噴樁、粉噴樁、塑料排水板超載預(yù)壓、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓、砂樁超載預(yù)壓等方法處理軟土地基，實(shí)測(cè)了各種方法處理軟土地基中土工格柵的變形，分析了其變形規(guī)律，可供參考。

1 試驗(yàn)概況及工程地質(zhì)概況[10]

1.1 試驗(yàn)段概況

試驗(yàn)工點(diǎn)屬太湖湖積平原，地形平坦，有人工魚(yú)塘分布，地面標(biāo)高2.5 m左右。試驗(yàn)工點(diǎn)范圍為0+000~0+850，線路長(zhǎng)度850 m，包括路基試驗(yàn)段795.6 m，2個(gè)橋臺(tái)，1個(gè)橋墩，4座涵洞。路基試驗(yàn)段線路為雙線，路基面寬13.8 m，線間距5.0 m。路堤設(shè)計(jì)填土高4.35~5.95 m，路堤邊坡坡率為1誜1.5。試驗(yàn)地基處理措施詳見(jiàn)表1。

試驗(yàn)段共設(shè)置了13個(gè)觀測(cè)測(cè)試斷面，其中包括主觀測(cè)測(cè)試斷面7個(gè)，輔助斷面6個(gè)。主要測(cè)試項(xiàng)目包括地表沉降、地基分層沉降、剖面沉降、路基面沉降、樁土沉降差、地基側(cè)向位移、邊樁位移等。全段共設(shè)置了測(cè)試、測(cè)量、觀測(cè)點(diǎn)1 149個(gè)。各斷面土工格柵測(cè)試元件布置見(jiàn)表2。

表1 軟土地基加固設(shè)計(jì)措施

表2 土工格柵測(cè)試元件布置一覽表

1.2 試驗(yàn)段工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)段地層巖性自上而下分述為：①黏土，灰黃色，軟/硬塑，夾有少量鐵錳結(jié)核，表層0.2～0.5 m為種植土，屬中等壓縮性土。②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，深灰色，流塑，含少量腐殖物，局部夾有薄層粉砂，大多數(shù)靈敏度超過(guò)16。③黏土，粉質(zhì)黏土，粉土，局部夾薄層粉砂，呈交錯(cuò)斷續(xù)沉積，層理清晰，屬中等偏低壓縮性土。④粉砂，可分為上下兩層，上部夾有薄層黏性土，中密/密實(shí)，飽和。地基土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

2 測(cè)試分析

2.1 攪拌樁地基土工格柵受力特點(diǎn)分析

圖1為有無(wú)土工格柵攪拌樁地基樁土應(yīng)力比隨著荷載、時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，未鋪設(shè)土工格柵的0＋180斷面，其樁土應(yīng)力比在整個(gè)觀測(cè)期間均比0＋240斷面大，在荷載穩(wěn)定的后期，樁土應(yīng)力比有所減少。

表3 土體物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)一覽表

鋪設(shè)土工格柵的0＋240斷面樁土應(yīng)力比在填筑荷載穩(wěn)定后變化幅度很小，而0＋180斷面樁土應(yīng)力比起伏較大。說(shuō)明鋪設(shè)土工格柵基底的應(yīng)力得到了進(jìn)一步的均化。

典型攪拌樁復(fù)合地基基底不同位置土工格柵變形分布見(jiàn)圖2。從圖中可知，土工格柵在鋪設(shè)初期，其變形受路堤荷載的影響較大，土工格柵變形增加較快；至填筑荷載為14.83 kPa，加荷期能觀測(cè)到土工格柵的應(yīng)變經(jīng)過(guò)較短時(shí)間的減小又繼續(xù)增大的現(xiàn)象；至填筑荷載為91.72 kPa（大于路堤“拱效應(yīng)”高度），大部分土工格柵的應(yīng)變基本保持不變，并隨時(shí)間增長(zhǎng)而有所減小。表明在路堤施工后期和施工完成后，通過(guò)路堤“拱效應(yīng)”及土工格柵的應(yīng)力調(diào)整作用，格柵應(yīng)力狀態(tài)趨于一種較穩(wěn)定的水平。

圖2 基底不同位置土工格柵變形分布變化曲線（0＋240 斷面）

各時(shí)間段土工格柵的應(yīng)變沿橫向分布并不均勻。攪拌樁復(fù)合地基的土工格柵應(yīng)變?cè)?.9%～2.5%之間，總的趨勢(shì)是路基中心附近的應(yīng)變值較兩側(cè)大，相應(yīng)的應(yīng)力為8.1～22.5 kN/m，約為極限抗拉強(qiáng)度的25%左右?？紤]碎石墊層中施工損傷、材料老化及蠕變等因素，攪拌樁試驗(yàn)段所采用土工格柵的強(qiáng)度基本上是合適的。

2.2 真空預(yù)壓地基土工格柵受力特點(diǎn)分析

土工格柵應(yīng)變隨時(shí)間、荷載的變化及沿橫斷面的變化曲線見(jiàn)圖3。從圖中可看出，隨填土高度、時(shí)間的增長(zhǎng)，土工格柵受到的拉力緩慢增加。應(yīng)變沿橫向分布呈不規(guī)則的鋸齒形，總體而言呈路基中心附近大而兩側(cè)小的規(guī)律，0+342斷面最大應(yīng)變?yōu)?.46%，相應(yīng)的應(yīng)力為12.3 kN/m，發(fā)揮的強(qiáng)度約為極限值的20%。

圖3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基土工格柵應(yīng)變沿橫斷面的分布(0+342斷面)

鑒于本工點(diǎn)真空預(yù)壓采用了兩布兩膜工藝，在荷載施工期間具有與土工格柵等同的作用，且真空預(yù)壓對(duì)地基穩(wěn)定有利，因此建議采用真空預(yù)壓地段可不鋪設(shè)土工格柵。

2.3 超載預(yù)壓地基土工格柵應(yīng)變分析

土工格柵應(yīng)變隨時(shí)間、荷載的變化及沿橫斷面的變化曲線見(jiàn)圖4。從圖中可看出，隨填土高度、時(shí)間的增長(zhǎng)，土工格柵受到的拉力呈緩慢增加的趨勢(shì)，0+535、0+628兩個(gè)斷面最大應(yīng)變分別為4.3%、3.5%，均出現(xiàn)在路基中心附近，兩側(cè)多數(shù)測(cè)點(diǎn)土工格柵的變形在2.0%左右。最大的應(yīng)力為20.4～31.2 kN/m，約為土工格柵極限抗拉強(qiáng)度的50%。表明在路堤填筑期間土工格柵對(duì)保持路基的穩(wěn)定起到了一定的作用。

測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表明，超載預(yù)壓試驗(yàn)段，由于路基中心與路基坡腳的差異沉降大，土工格柵受到的應(yīng)力比真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基的大。

2.4 砂樁地基土工格柵應(yīng)變分析

圖5為0+735斷面土工格柵荷載/時(shí)間/應(yīng)變曲線。從圖中可知，土工格柵在鋪設(shè)初期，應(yīng)變受施工影響變化較大；經(jīng)過(guò)1～2層填土之后便逐漸穩(wěn)定，此時(shí)中心應(yīng)變比兩側(cè)小。隨荷載的增加，應(yīng)變緩慢增大，線路中心增幅較兩側(cè)大，在荷載作用下線路中心線附近的沉降量比兩側(cè)的大，形成明顯的凹狀，位于線路中心附近的土工格柵總體上受到的拉應(yīng)力比兩側(cè)大。土工格柵應(yīng)變?cè)隽垦貦M、縱向分布并不均勻。砂樁地基土工格柵的最大變形橫向?yàn)?.27%～2.5%、縱向?yàn)?.33%，相應(yīng)的最大應(yīng)力橫向?yàn)?7.8～30.6 kN/m、縱向?yàn)?0.7 kN/m，發(fā)揮的程度較大，最大發(fā)揮了土工格柵抗拉強(qiáng)度的30%左右。

3 結(jié)論

1）實(shí)測(cè)樁土應(yīng)力比及土工格柵應(yīng)變均表明了攪拌樁地基加筋墊層具有改善地基應(yīng)力的作用。土工格柵應(yīng)變隨荷載沉降的增加逐漸增大，土工格柵各時(shí)間段的應(yīng)變沿橫向分布并不均勻。土工格柵的應(yīng)變值為0.9%～2.5%之間，相應(yīng)的應(yīng)力為8.1～22.5 kN/m，最大發(fā)揮了其抗拉強(qiáng)度的25%左右。考慮施工損傷、材料老化及蠕變等因素，攪拌樁試驗(yàn)段所采用土工格柵的強(qiáng)度基本上是合適的。

2）真空預(yù)壓地基土工格柵的受力隨填土高度的增加而增加，最大拉應(yīng)變?yōu)?.46%，相應(yīng)的應(yīng)力為12.3 kN/m，發(fā)揮的強(qiáng)度約為極限值的20%。

3）塑料排水板超載預(yù)壓地基土工格柵的受力隨填土高度的增加而增加，各測(cè)點(diǎn)的變形一般在2.0%左右，最大拉應(yīng)變?yōu)?.5%～4.3%。最大的應(yīng)力為20.4～31.2 kN/m，約為土工格柵極限抗拉強(qiáng)度的50%左右。在路堤填筑期間，土工格柵對(duì)保持路基的穩(wěn)定起到了一定的作用。

4）砂樁地基土工格柵應(yīng)變?cè)隽垦貦M、縱向分布并不均勻。砂樁地基土工格柵的最大變形橫向?yàn)?.27%～2.5%、縱向?yàn)?.33%，相應(yīng)的最大應(yīng)力橫向?yàn)?7.8～30.6 kN/m、縱向?yàn)?0.7 kN/m，約為土工格柵極限抗拉強(qiáng)度的30%左右。

5）各種地基土工格柵應(yīng)變量在0.9%～4.3%，相應(yīng)的應(yīng)力為8.1～40.7 kN/m，約為極限強(qiáng)度的25%～50%。設(shè)計(jì)時(shí)宜根據(jù)不同的地基處理方法采用不同強(qiáng)度的土工格柵。

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