晉中某鐵路松軟土路基地基處理試驗(yàn)研究

楊國朋 江志安 李衛(wèi)華

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251;2.天津銀石建設(shè)投資咨詢有限公司，天津 300000)

隨著鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，越來越多的地基處理方法應(yīng)用于鐵路路基的地基加固，一些工程技術(shù)人員也在不停的對各種地基處理措施的適用性進(jìn)行著研究［1-2］。晉中某鐵路通過大范圍的松軟土地帶，松軟土路基段落達(dá)53 km，還零星分布著軟土層。如何處理這么長的松軟土及軟土地基，既關(guān)系到松軟土路基的穩(wěn)定，同時(shí)也影響整個工程項(xiàng)目的投資。盡管設(shè)計(jì)中針對地基土特性進(jìn)行了地基加固設(shè)計(jì)，但所采用設(shè)計(jì)方案是否為最佳方案還需要檢驗(yàn)，一旦運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)路基變形與原設(shè)計(jì)出入較大，勢必造成相當(dāng)大的影響。有必要對本段松軟土路基選取有代表性的段落設(shè)立試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)獲取詳實(shí)的觀測資料，修改其他段落的設(shè)計(jì)，指導(dǎo)整個松軟土段落路基的施工，同時(shí)為松軟土地區(qū)的鐵路路基建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)段落的選取

在晉中盆地范圍內(nèi)選取有代表性的段落作為試驗(yàn)段，試驗(yàn)段滿足以下條件:

(1)路堤填高相對較高，一般不低于5.0m;

(2)試驗(yàn)段內(nèi)有軟土層;

(3)試驗(yàn)段內(nèi)路基相對連續(xù)，橋涵較少;

(4)計(jì)算的路基工后沉降值偏大地段。

結(jié)合以上條件，通過對某鐵路穿過晉中盆地段落的地層情況及沉降計(jì)算分析，選擇DK44+260～DK46+177段作為試驗(yàn)段。

本段地層情況:場地為第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂。

本段內(nèi)設(shè)計(jì)的方案分下述二種情況，試驗(yàn)的目的是對比兩種地基處理方法的加固效果。

(1)路基本體基底及兩側(cè)坡腳外2m范圍內(nèi)基底采用插塑料排水板并堆載預(yù)壓處理，塑料排水板間距1.2m，等邊三角形布置，塑料排水板應(yīng)穿透軟土層并進(jìn)入下臥層不小于0.5m，板頂置于一層0.5m厚的粗砂夾卵石墊層中，墊層內(nèi)夾鋪一層雙向鋼塑土工格柵。

(2)路基本體基底及兩側(cè)坡腳外1m范圍內(nèi)基底采用碎石樁處理，碎石樁樁徑0.5m，樁間距1.3～1.5m，等邊三角形布置，碎石樁應(yīng)穿透軟土層并進(jìn)入下臥層不小于0.5m，樁頂鋪設(shè)一層0.5m厚的碎石墊層，墊層內(nèi)夾鋪一層雙向鋼塑土工格柵。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

為了對比兩種地基處理方式的加固效果，需要對處理的地基進(jìn)行一系列監(jiān)測，并對提取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析。對路基來講，工后沉降無疑是設(shè)計(jì)者和使用者最為關(guān)心的問題，而地基的沉降在整個工后沉降中又占有相當(dāng)大的比例。試驗(yàn)測試的內(nèi)容主要由以下兩個方面展開。

(1)沉降觀測:沉降的測量是整個試驗(yàn)最主要的部分，主要由三個方面的工作組成。第一，測量沉降板的沉降，這個數(shù)值是路基地基沉降的最大值;第二，測量路基斷面的差異沉降，通過測量埋設(shè)于基床底部的橫剖管的變形得到;第三，測量地基土層的分層沉降，通過測量埋設(shè)于地基內(nèi)部的磁環(huán)式分層沉降儀獲得。

(2)孔隙水壓力觀測:通過埋設(shè)于地基土體之中的孔隙水壓力計(jì)獲得孔壓值，以判斷某一時(shí)刻地基內(nèi)部孔隙水壓力的消散程度，由此可了解地基土體的應(yīng)力變化情況和固結(jié)過程。

傳感器斷面布置見圖1。

圖1 典型試驗(yàn)斷面元件布設(shè)(單位:m)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 地基沉降分析

沉降觀測的工作從2009年3月路堤填土開始，2009年6月底填土基本完成，2009年11月沉降較大，補(bǔ)充填筑至設(shè)計(jì)高程，至2010年6月路基沉降基本穩(wěn)定結(jié)束。沉降測試采用沉降板、分層沉降儀和剖面管相結(jié)合的方法進(jìn)行觀測。

(1)沉降板觀測數(shù)據(jù)分析

由表1可知:相比碎石樁地基加固形式，塑料排水板加固措施地基沉降較大。這主要是因?yàn)槠洳荒芟袼槭瘶赌菢釉谳^軟的地層中，形成強(qiáng)度較高的豎向增強(qiáng)體，提高壓縮層加固范圍內(nèi)復(fù)合地基的強(qiáng)度，將上部荷載傳遞到地層深處壓縮性較小的地層上。而碎石樁是典型的散體樁，它通過置換和擠密對地基進(jìn)行加固，所以碎石樁要按散體樁進(jìn)行分析，不能忽略碎石樁加固區(qū)范圍內(nèi)的土層變形;另外，碎石樁成樁過程中，對周圍土體有擠密加速固結(jié)的作用，同時(shí)其可以作為豎向排水通道加速地基排水。

表1 沉降板觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由圖2，兩種地基處理形式其沉降時(shí)間曲線前期變形較快，而后期的變形速率減緩，說明其沉降變形速率是一個變化的過程。

排水板地基處理形式:前期由于上部荷載作用，地基土層受力壓密排水固結(jié)，地基變形較為迅速，隨著地基的加密，土體的孔隙比減小，滲透系數(shù)也隨著減小，固結(jié)速度減慢，沉降變形速率減緩。

碎石樁地基處理形式:前期以排水固結(jié)壓縮為主，碎石樁作為豎向增強(qiáng)體的作用不是很明顯，隨著排水固結(jié)土體的變形增大，碎石樁得到擠密，開始發(fā)揮作用，所以碎石樁具有雙重加固作用。

圖2 兩種處理方式沉降曲線

(2)剖面管測試數(shù)據(jù)的整理

剖面管沉降時(shí)間曲線如圖3，統(tǒng)計(jì)如表2。剖面管主要是埋設(shè)在基床底層以下測量路基橫向的差異沉降，找出路基在橫斷面方向上的沉降規(guī)律，從而在保證路基安全的前提下，進(jìn)行路基的均勻沉降設(shè)計(jì)和調(diào)平剛度設(shè)計(jì)，為鐵路路基地基處理設(shè)計(jì)把握新的方向，以節(jié)省地基處理造價(jià)。本次主要選擇路肩、坡腳、中心所對應(yīng)的剖面點(diǎn)進(jìn)行分析，從而反映出整個路基橫向變形的規(guī)律。

圖3 剖面管沉降曲線

表2 剖面管觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2表明:相比碎石樁地基加固形式，塑料排水板在路基施工填土期間沉降最大，差異沉降基本在20 cm左右，傾斜值在2.0%左右。塑料排水板加固地基的機(jī)理是典型的排水固結(jié)原理，所以路基沉降計(jì)算需要采用固結(jié)理論進(jìn)行分析，基底沉降形狀成典型的鍋底形。碎石樁差異沉降基本控制在15 cm以下，傾斜值在1.3%左右。由碎石樁組成的復(fù)合地基，在荷載作用下，碎石樁加固的范圍沉降壓縮變形、差異變形較小。這是因?yàn)樗槭瘶蹲鳛樯Ⅲw樁，樁體材料沒有膠結(jié)，雖可采用復(fù)合模量法進(jìn)行計(jì)算，但不能忽略碎石樁加固范圍內(nèi)的土層壓縮變形。另外，在碎石樁成樁過程中，對周圍土體有擠密固結(jié)的作用，同時(shí)可以作為豎向排水通道加速地基排水，這說明碎石樁的變形穩(wěn)定計(jì)算問題還涉及到固結(jié)問題，是應(yīng)力場和滲流場的多場耦合問題，在采用規(guī)范方法計(jì)算時(shí)忽略孔隙水的作用，對于路基的穩(wěn)定性計(jì)算是偏于不安全的，而且碎石樁施工時(shí)對于天然土體的擾動較大。所以使用碎石樁進(jìn)行地基加固時(shí)，要根據(jù)地層情況、荷載情況合理選擇布樁形式，才能確保地基安全。

(3)地基分層沉降觀測數(shù)據(jù)的整理

為了分析地基各深度處的沉降量的大小，或者說由于地基沉降引起的豎向變形在深度方向上的分布，根據(jù)地基分層觀測數(shù)據(jù)，做出了各斷面不同時(shí)間下的分層平均豎向沉降沿深度的變化曲線，主要數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，碎石樁的壓縮范圍較淺，不僅有樁底以下土體的壓縮變形，還有樁體加固范圍內(nèi)土體的壓縮，這是由于碎石樁體本身的散體特性及其與土體的復(fù)雜相互作用的緣故。塑料排水板在路基施工填土期間沉降最大，沉降壓縮層的深度較深，且壓縮變形發(fā)生的時(shí)間較早，壓縮土層也較均一。說明塑料排水板的排水作用導(dǎo)致地基發(fā)生了深層的固結(jié)沉降，壓縮變形速率在施工前期較大。

表3 分層沉降統(tǒng)計(jì)

3.2 孔隙水壓力觀測數(shù)據(jù)分析

孔隙水壓力測試是為了分析地基各深度處的超孔隙水的大小及變化過程，從而進(jìn)一步分析土體的固結(jié)過程，得出各種地基加固措施的優(yōu)缺點(diǎn)及加固機(jī)理。根據(jù)孔隙水壓觀測情況，做出了各斷面不同時(shí)間下的孔隙水壓力沿深度的變化曲線，如圖4、表4。由圖4和表4可知，碎石樁的加固區(qū)域孔隙水變化幅值和變化速率都較大，這是因?yàn)樗槭瘶蹲鳛榈湫偷纳Ⅲw材料樁，它與周圍土體可以較好的結(jié)合在一起保持變形協(xié)調(diào)。雖承載力可以采用復(fù)合模量的方法進(jìn)行計(jì)算，但碎石樁作為豎向排水通道對于加速地基固結(jié)排水提高地基的壓實(shí)度有著重要的作用。綜合以上分析，碎石樁的加固機(jī)理可以從置換和排水固結(jié)兩方面進(jìn)行考慮，這樣才能全面認(rèn)識碎石樁的加固機(jī)理，才能把理論和實(shí)踐統(tǒng)一起來。相比碎石樁地基加固形式，塑料排水板在路基施工填土期間孔隙水壓力變化幅值不如碎石樁大，但是變化的時(shí)間比較長，說明塑料排水板加固地基方式屬典型的排水固結(jié)方法，能夠及時(shí)將上部荷載傳遞給土骨架，這對于地基的穩(wěn)定性和沉降控制是有利的。因此，在工期要求不是很緊，工后沉降要求不是很嚴(yán)的情況下，從經(jīng)濟(jì)性角度來講，可優(yōu)先選用塑料排水板進(jìn)行地基加固。

圖4 孔隙水壓力曲線

表4 孔隙水壓力深度峰值影響深度

4 路堤工后沉降預(yù)測與分析

4.1 工后沉降預(yù)測

鐵路為了控制工后沉降不超過預(yù)定值，須在路堤填筑階段觀測原地面的沉降。由觀測的沉降推估完工后沉降的發(fā)展，并確定完工后15年使用期的沉降量，即工后沉降量。由這種方法確定的工后沉降，要比用分層總和法和固結(jié)理論相結(jié)合，以室內(nèi)試驗(yàn)確定的參數(shù)為依據(jù)計(jì)算所得結(jié)果更符合實(shí)際［3-6］。本次試驗(yàn)采用比較成熟的指數(shù)法［7］和雙曲線法［8-9］進(jìn)行預(yù)測。

對剖面管和沉降板的實(shí)測數(shù)據(jù)分析如表5。

表5 沉降預(yù)測統(tǒng)計(jì)

由表5可以看出，按現(xiàn)在的荷載條件進(jìn)行工后沉降預(yù)測:碎石樁加固區(qū)的總沉降0.6～0.9m，工后沉降預(yù)測值1～3.7 cm;排水板加固區(qū)預(yù)測總沉降0.8～1.1m，工后沉降預(yù)測值在1～4.4 cm之間。通過預(yù)測，試驗(yàn)段各種地基加固處理的措施基本滿足鐵路對路基工后沉降的要求［10］。

4.2 路基沉降檢算與觀測、預(yù)測沉降值的對比

本段路基各不同方法地基加固處理區(qū)設(shè)計(jì)沉降檢算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表6。

表6 沉降檢算結(jié)果統(tǒng)計(jì)m

對比表5可知，根據(jù)地質(zhì)資料檢算的沉降計(jì)算結(jié)果:碎石樁加固區(qū)總沉降0.5～0.7m，工后沉降為4～10 cm左右;排水板加固區(qū)總沉降0.6～0.9m，工后沉降在18～20 cm之間;對比表5與表6可以看出，兩種地基處理形式的總沉降檢算值與觀測值基本接近，但是工后沉降的檢算值與觀測、預(yù)測值相差較大，檢算值明顯比根據(jù)觀測資料做的預(yù)測值大。

工后沉降的檢算值與預(yù)測值相差較大，檢算值明顯比根據(jù)觀測資料做的預(yù)測值大。這是因?yàn)闄z算值是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采用太沙基固結(jié)理論計(jì)算得出的，室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度直接影響了檢算結(jié)果的精度。同時(shí)，在地層中存在砂類土透鏡體的透水層，檢算過程中沒有考慮;太沙基固結(jié)理論雖然是得到了許多工程實(shí)踐驗(yàn)證的經(jīng)典土力學(xué)理論，但是針對復(fù)雜地層及三維排水問題有其自身的局限性。

5 結(jié)論

塑料排水板作為深層排水體加固地基，可以使地基土體發(fā)生深層固結(jié)，達(dá)到較為理想的加固效果，但是由于需要較長的排水時(shí)間，所以當(dāng)工期較緊時(shí)應(yīng)用常受到限制，但在工期要求寬松的情況下，應(yīng)該優(yōu)先采用，對于降低工程造價(jià)起到重要作用。

碎石樁作為散體樁，雖然能夠把一部分荷載傳遞到樁端以下一定深度的土層中，但是由于樁體碎石未膠結(jié)，樁體加固區(qū)內(nèi)也有部分沉降壓縮，另外它可以充當(dāng)豎向排水體作用，所以其沉降變形規(guī)律介于膠結(jié)樁和排水固結(jié)法之間，在實(shí)際工程中應(yīng)慎用。

工后沉降逐漸成為鐵路建設(shè)最為關(guān)注的問題之一，基于一段時(shí)間觀測而得到的預(yù)測值是比較科學(xué)和合理的。但要真正掌控鐵路運(yùn)營期間的即時(shí)工后沉降，建立無間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測體系是比較好的方法，有些工程人員已經(jīng)在此方面展開工作［10］。

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