鹽漬土地區(qū)鐵路涵洞基礎(chǔ)沉降分析

徐志彪

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，陜西 楊凌 712100)

鹽漬土地區(qū)鐵路涵洞基礎(chǔ)沉降分析

徐志彪

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，陜西 楊凌 712100)

摘要：根據(jù)實(shí)際工程，以新建錫鐵山至北霍布遜地方鐵路為依托，針對位于該地區(qū)特殊地質(zhì)條件(高含鹽飽和細(xì)砂土)下鋼筋混凝土箱型涵的修建，開展對青海北霍布遜湖區(qū)高含鹽飽和細(xì)砂土地基條件下涵洞地基處理的關(guān)鍵技術(shù)研究。涵洞原地基處理方式為碎石樁基礎(chǔ)，后因地質(zhì)原因及施工條件做出設(shè)計變更，采取片石換填的地基處理方式。應(yīng)用實(shí)際觀測到的涵洞的沉降變形資料和涵身現(xiàn)場的原位測試、查閱相關(guān)資料及反演得到的土性參數(shù)，對涵洞采取的兩種地基加固方式進(jìn)行對比分析，并利用有限元軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，分析涵洞在不同荷載工況下的沉降變化規(guī)律，為鹽漬土地區(qū)工程的地基處理提供了重要的技術(shù)資料。

關(guān)鍵詞：涵洞；地基；高含鹽飽和細(xì)砂；力學(xué)特性；沉降

1工程概況

本項(xiàng)目位于青海省海西州大柴旦行委和都蘭縣境內(nèi)，從青藏鐵路西格段的錫鐵山站接軌引出，下穿既有西格線臨山特大橋折向東南方向，跨過全集河，向南行進(jìn)至北霍布遜鹽湖礦區(qū)。涵洞所在地貌單元處于北霍布遜湖湖積平原區(qū)，地形平坦開闊。區(qū)域內(nèi)廣泛分布湖積細(xì)砂，其成分以氯化鈉為主。鹽層底部為湖泊相淡水沉積, 沉積有厚2～14 m的黏砂土、砂黏土、黏土及淤泥質(zhì)黏砂土、黏土, 再下為粉砂、細(xì)砂或中砂、粗砂、礫石土等。地表細(xì)砂多形成鹽殼，呈海浪狀、核桃皮狀及龜裂狀等，局部為薄層結(jié)皮。在該地區(qū)內(nèi)修建路基涵洞，存在鹽溶的病害，而且細(xì)砂土質(zhì)的地基承載力有限，很容易造成建筑物沉降過大的工程事故,因此必須做好相應(yīng)的地基處理，以確保地基的承載力能滿足鐵路沉降要求。本文將涵洞的原設(shè)計碎石擠密樁與設(shè)計變更后的片石換填兩種地基處理方式做沉降對比分析。通過理論分析及有限元模擬和現(xiàn)場的實(shí)際觀測，說明片石換填地基處理方法能滿足實(shí)際工程的需要。

2涵洞的地基處理

原設(shè)計基底處理方式均為采用碎石擠密樁處理，樁長12 m，樁徑40 cm，樁間距120 cm，梅花樁型布置，基底設(shè)50 cm厚砂墊層。在現(xiàn)場施工時，基礎(chǔ)開挖時滲水比較嚴(yán)重，加上施工條件的限制，在經(jīng)過三方討論后，做出了設(shè)計變更。從地基承載面積及涵洞整體考慮，在涵洞基礎(chǔ)下設(shè)置0.5 m厚素混凝土作為擴(kuò)大基礎(chǔ)，增加涵洞的整體穩(wěn)定性并擴(kuò)大了地基的承載面積；從防腐蝕及地基承載力方面考慮，在素混凝土下設(shè)置1 m厚的片石換填進(jìn)行加固，采用片石層作為透水層，讓地下水進(jìn)行自由擴(kuò)散，防止在涵洞地基下地下水沉積過多而腐蝕涵洞的基礎(chǔ)。片石換填總厚度為1.0 m,分三層進(jìn)行換填，換填第一層采用大小和形狀都比較均勻的片石進(jìn)行換填,粒徑大約為30 cm×30 cm×30 cm，并用級配良好的卵石填充片石之間的孔隙,使其密實(shí)均勻，再用壓路機(jī)進(jìn)行振動碾壓,當(dāng)密實(shí)度大于0.96就能滿足要求,然后進(jìn)行第二層換填，每層都分別夯實(shí)，保證了地基的承載力。碎石樁基礎(chǔ)及基坑換填基礎(chǔ)處理示意圖如圖1及圖2所示。在涵洞修筑完成后，在每座涵洞兩側(cè)設(shè)置觀測基點(diǎn)，對3座涵洞進(jìn)行定期沉降觀測。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，現(xiàn)場采用的地基處理方案(片石換填)比原設(shè)計(碎石樁基礎(chǔ))施工工期短、造價低，若這種方案能滿足要求，可為高飽和含鹽細(xì)砂區(qū)涵洞的基礎(chǔ)處理提出一種新的地基處理方法。

圖1　原設(shè)計的碎石樁基礎(chǔ)

圖2　變更方案的片石換填基礎(chǔ)

2.1涵洞數(shù)值分析的模型及相關(guān)參數(shù)

本文采用數(shù)值模擬方法將基坑回填后形成的重力場作為涵洞計算的初始應(yīng)力場，地基在不同處理方法下，計算涵洞的工后沉降，并分析其在各種荷載作用下涵洞不同深度處的沉降變形規(guī)律。材料參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)及相關(guān)資料取得。本文中所研究的涵洞寬4 m，凈高3.7 m，為1孔4 m鋼筋混凝土箱形涵。涵洞幾何尺寸及有限元模型如圖3和圖4所示。涵洞框架及基礎(chǔ)采用C50鋼筋混凝土，素混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)為C45混凝土，具體材料參數(shù)可參考有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。

圖3　涵身半截面示意圖

圖4　涵洞及地基的二維有限元模型

2.2流變模型參數(shù)說明

由于缺乏工程所在場地土的室內(nèi)單軸和三軸流變實(shí)驗(yàn)，參照有關(guān)文獻(xiàn)飽和細(xì)砂土流變本構(gòu)模型參數(shù)，選取了常州原狀砂性土樣。利用有限元的方法計算時，根據(jù)本文實(shí)際工程地質(zhì)情況對流變模型參數(shù)進(jìn)行反演計算做出調(diào)整，具體的模型參數(shù)見表1。

表1　Burgers流變模型參數(shù)

2.3自重作用下涵洞地基的工后沉降對比分析

對荷載作用下的路基工后沉降進(jìn)行分析，為了更清楚地表示各部分的沉降變化，將涵洞地基橫截面做有限元分析，從計算數(shù)據(jù)中提取了各不同部位的最大工后沉降值。自重荷載作用下各不同部位隨時間的沉降值如圖5、圖6所示。

圖5　涵洞碎石擠密樁加固工后沉降曲線

圖6　涵洞基坑換填工后沉降曲線

從圖5、圖6中可知，兩種地基加固方式下，當(dāng)采用地基處理后基本在12個月沉降就趨于穩(wěn)定，采用片石換填時涵洞頂沉降最大值為31 mm，采用碎石樁最大沉降值為18 mm。兩種地基處理措施，都能滿足規(guī)范允許的沉降范圍，其中碎石樁基礎(chǔ)加固深度大，其沉降值要小。從圖5、圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，在涵洞不同部位的沉降對比分析中，三處涵洞下臥層即未采取加固處理的地基沉降所占的比例都是最大的，說明在路基工后沉降中，這部分沉降最為明顯。

3計算值與實(shí)測值的對比

圖7　涵洞計算值與實(shí)測值對比

從2012年11月7日至2013年3月25日對涵洞頂面的沉降進(jìn)行了監(jiān)測，將沉降計算值和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。

從三處涵洞的計算值和實(shí)測值對比發(fā)現(xiàn)，雖然有所差別，但相似程度還是比較高的。利用有限元模擬時，荷載及涵洞自重作用下涵洞地基工后沉降和實(shí)測情況不可能完全相同,加上有限元模擬時采用的是二維有限元模型，涵洞側(cè)向土壓力等相互作用沒有考慮，此外，施工現(xiàn)場的條件限制及儀器安放的位置和人為因素及精密程度也會導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。

4結(jié)語

本文采用流變力學(xué)的理論，數(shù)值模擬分析自重荷載作用下3座涵洞的沉降變化規(guī)律，與實(shí)測變化規(guī)律非常相近。涵洞在兩種地基加固方式以及路涵過渡段的工后沉降都不大于規(guī)范的30 cm允許范圍。從沉降的構(gòu)成分析可以看出，經(jīng)碎石樁處理的復(fù)合地基沉降效果優(yōu)于基坑換填的地基；且兩種加固方式在各種荷載工況下沉降主要都是來源于下臥土層的沉降，涵洞本身由于相對于下臥土層剛度很大，采用整體現(xiàn)澆，且洞頂無填土荷載，涵洞自身沉降極小。有限元模擬分析結(jié)果說明現(xiàn)行的片石換填地基處理方法能滿足實(shí)際工程的需要。

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收稿日期：2014-10-17

作者簡介：徐志彪(1986-)，男，湖北孝感人，碩士，楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院講師。

文章編號:1674-7046(2015)01-0022-04

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.01.005

中圖分類號：TU433

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

On railway culvert foundation settlement
in saline land area

XU Zhi-biao

(DepartmentofConstructionEngineering,YanglingVocational&

TechnicalCollege,Yangling712100,China)

Abstract：According to the actual project, based on the practice of newly-built local railway of Xitieshan-North Huobuxun, key technology study is performed on foundation handling under the conditions of lake sand subsoil in the special geological conditions (high salt saturated fine sand) of reinforced concrete box culvert. Culverts original ground handling method is gravel pile foundation, design changes due to geological reasons and construction conditions, pieces replacement is adopted. The two culverts foundation reinforcement methods adopted were analyzed based on the settlement deformation data, in-situ test and soil parameters. The numerical simulation computation is made by using finite element software to analyze culvert settlement variation in different load conditions for foundation treatment of saline land area, which can provide important technical information for similar project.

Key words:culvert; foundations; high salt saturated sand; mechanical properties; settlement