高速鐵路非飽和土地基處理技術(shù)

張建文,劉 剛,李安洪,蔣關(guān)魯

(1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

1 概述

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展,為了提高線路的穩(wěn)定性和平順性,保證列車高速、安全的運營,對鐵路路基的沉降量控制提出了更加嚴格的要求。鑒于非飽和土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在非飽和土地基上修筑高速鐵路,在沉降量控制和施工工期規(guī)劃上存在很大不確定性。如果完全采用經(jīng)典飽和理論對非飽和土地基進行加固處理,不僅無法滿足高速鐵路設(shè)計和施工要求,甚至可能出現(xiàn)錯誤。通過非飽和土固結(jié)壓縮試驗,深入研究其固結(jié)壓縮特性及變形機理。通過對非飽和土地基采用不同的加固工法進行加固處理,監(jiān)測路基填筑期和放置期的沉降變形,對其加固效果進行評價,建立非飽和土地基處理新技術(shù),以更好地滿足我國高速鐵路快速發(fā)展的需要。

2 非飽和土水土特性

非飽和土的吸力由滲透吸力和基質(zhì)吸力兩部分組成[1],其中基質(zhì)吸力為土中水自由能的毛細部分,是由非飽和土中收縮膜分子間的作用力引起的,通常采用孔隙水壓力(uw)和孔隙氣壓力(ua)的差值來定義,如式(1)所示：

(1)

式中，Ts為水的表面張力；Rs為彎液面的半徑。

為了研究非飽和土的水土特性，通常采用水土特征曲線(SWCC)進行表征。影響水土特征曲線的因素非常復(fù)雜,但礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是影響水土特征曲線的主要因素。這主要是由于孔隙結(jié)構(gòu)影響了收縮膜的大小和形狀,造成土體基質(zhì)吸力的差異。而對于黏粒含量高的非飽和土,持水能力強,收縮膜的接觸角大,土體的基質(zhì)吸力相應(yīng)較高。圖1為非飽和原狀粉質(zhì)黏土的水土特征曲線,從圖中可以看出土體的基質(zhì)吸力隨著含水量的減小而增加。曲線按照含水量由低到高的順序,大致可分為3個階段：BC段，土體的含水量較低,土中孔隙氣連通,水量的微小變化會引起含水量的劇烈變化；AB段，基質(zhì)吸力隨著含水量的減小變化幅度不大,該階段是土體由氣封閉向水封閉轉(zhuǎn)化的過程,轉(zhuǎn)化初期含水量變化幅度較小,土體處于雙封閉狀態(tài),孔隙水和孔隙氣都不連續(xù)；隨著轉(zhuǎn)化幅度增大,土顆粒接觸點的水膜開始搭結(jié)并最終轉(zhuǎn)化為水封閉結(jié)構(gòu)；OA段，土體含水量較高,土中孔隙充滿水,土體顆粒接觸點的水膜是連續(xù)的,基質(zhì)吸力隨含水量變化顯著。

圖1中A、B兩點分別對應(yīng)土體的進氣值和殘余含水量,非飽和粉質(zhì)黏土的進氣值大約在35 kPa,含水量w=23.6%；殘余含水量大約為11.87%。

圖1 非飽和粉質(zhì)黏土水土特征曲線[2]

3 非飽和土固結(jié)壓縮特性

3.1 瞬時沉降

非飽和土受外荷載作用產(chǎn)生的沉降主要是由瞬時沉降和固結(jié)沉降兩部分組成,后者往往比前者要小的多。瞬時沉降是由土體的剪應(yīng)力引起的,加荷初期孔隙水和孔隙氣來不及排出,土體的體積沒有變化。此時,瞬間沉降可按照以下彈性力學(xué)公式近似計算

(2)

式中，p為路堤底面垂直荷載；B為路堤寬度；w為考慮荷載面積形狀和沉降計算點位置的系數(shù)；μ為泊松比；E為地基土的變形模量。

從上式可以看出,土體的泊松比越小,瞬時沉降越大。通過K0固結(jié)試驗可得到不同含水量的非飽和土泊松比。表1列舉了不同含水量的非飽和土樣測試結(jié)果,含水量22.12%和含水量18.06%的土體側(cè)壓力系數(shù)分別為0.61和0.52,泊松比分別為0.37和0.34。顯然,含水量高的土體比含水量低的土體側(cè)壓力系數(shù)要大,也就是說低飽和土體的瞬時沉降量要大于高飽和土體的瞬時沉降量,飽和土的瞬時沉降量則要小于非飽和土的瞬時沉降量。這是由非飽和土內(nèi)部孔隙流體的壓縮性引起的。用Ef、Ew、Ea分別表示流體的體變模量、水的體變模量和氣體的體變模量,它們?nèi)咧g的關(guān)系為

(3)

假定水是不可壓縮的,結(jié)合前述對水土特征曲線的分析結(jié)果,當土體的飽和度(Sr)低于82.8%時,土體中氣體已經(jīng)完全連通或處于內(nèi)部連通。由于飽和度較低,孔隙流體模量較小,土體的壓縮性較大。當飽和度(Sr)高于82.8%時,孔隙氣處于完全封閉狀態(tài),此時飽和度的變化將影響孔隙流體的體變模量和土骨架模量的可比性,飽和度越接近于1,孔隙流體的體積模量變化越劇烈。當飽和度(Sr)等于1時,土體孔隙中全部充滿水,此時孔隙流體的體變模量遠遠大于土骨架的壓縮模量,通常視為不可壓縮流體。

表1 K0固結(jié)試驗數(shù)據(jù)[2]

3.2 飽和度與固結(jié)時間的關(guān)系

將土體按照飽和程度的高低分為4個階段：低飽和度(Sr<52.9%)、中等飽和度(52.9%≤Sr<82.8%)、高飽和度(82.8%≤Sr<90%)和飽和土(Sr≥90%)。從圖2可以看出,在低飽和土體的范圍內(nèi),固結(jié)時間隨著飽和度(Sr)的不斷增加逐漸延長。這是因為土體初始飽和度越大,孔隙中的氣體越少,而土體的透水性遠遠小于透氣性,造成土體的固結(jié)過程緩慢。當土體的飽和度達到高飽和土體的范圍時,孔隙水已經(jīng)完全連通并且可以傳遞水壓力,土體的固結(jié)時間開始減小,并逐漸趨近于飽和土的固結(jié)時間[6],也就是說,飽和土的固結(jié)時間比高飽和度非飽和土的固結(jié)時間短。

圖2 非飽和粉質(zhì)黏土固結(jié)時間與初始飽和度關(guān)系曲線

4 非飽和土地基加固工法

4.1 試驗斷面

考慮現(xiàn)場地基屬于低飽和度非飽和土及上述研究結(jié)果,試驗段內(nèi)分別采用3種不同的工法進行加固處理,試驗斷面如下。

DkK219+100(短攪拌樁處理)：路基高度7.75 m,樁長6.5 m,嵌入下臥層0.5 m以上,樁徑0.5 m,樁間距1.1 m,樁頂設(shè)置40 cm厚砂礫石墊層。

DkK225+700(換填)：路基高度8.43 m,上覆0～0.5 m松軟土,通過清除換填予以改良,換填深度2 m。

DkK226+925(強夯處理)：路基高度7.3 m,斷面地基表面1～5 m黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土,具有Ⅰ級輕微非自重濕陷性,采用強夯改良處理,地基面設(shè)置60 cm厚二八灰土墊層。夯錘重力150～300 kN,點夯8～15次,夯擊能1 000～2 000 kN·m,夯點間距3.5 m；滿夯分3次夯實,夯擊能1 000 kN·m。

4.2 非飽和土地基沉降分析

地基土的沉降量受基底應(yīng)力、附加應(yīng)力衰減以及地基土工程力學(xué)性質(zhì)的影響并存在顯著差異。沉降計算中通常采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場原位試驗測得的壓縮模量(Es)和原位變形模量(E0)作為計算參數(shù)。從理論上講,通過彈性力學(xué)的方法可推求出兩者之間的函數(shù)關(guān)系,如下式

E0=βEs

(4)

從上式可以看出,土體的壓縮模量要大于變形模量,但是工程實踐中發(fā)現(xiàn)通過現(xiàn)場原位試驗得到的變形模量大于壓縮模量。產(chǎn)生上述不一致的原因在于,室內(nèi)試驗所得到的壓縮模量由于土樣擾動和應(yīng)力歷史等因素的影響無法反映真實的應(yīng)力狀態(tài)。對于結(jié)構(gòu)性強,靈敏度高的正常固結(jié)和超固結(jié)土來說,室內(nèi)試驗中所采用的荷載遠小于實際的應(yīng)力范圍,造成理論計算值(β)比實際情況小的多,此時變形模量可能出現(xiàn)大于1的情況,甚至達到2以上,如表2所示。相關(guān)研究表明,土體越堅硬,E0和βEs的差距越大[3]。此外,不同的測試手段采用的取值標準、誤差程度存在較大差異,都會導(dǎo)致計算值與實測值之間的誤差。

表2 變形模量與壓縮模量間的經(jīng)驗關(guān)系[4]

為了消除上述因素造成的計算誤差,通過修正的均布應(yīng)力法計算基底應(yīng)力[7],并采用原位變形模量計算地基沉降量,對于水泥攪拌樁這類復(fù)合地基考慮到樁的刺入作用采用L/3法進行計算,表3列出了不同斷面的地基沉降量計算值。

表3 不同斷面沉降計算

注：變形模量由平板荷載試驗測得。

5 現(xiàn)場沉降觀測

本次觀測主要研究路基填筑和放置期間非飽和土地基和路基的沉降變形規(guī)律,同時通過分析大量的實測數(shù)據(jù)對各種加固工法下非飽和土地基的加固效果進行評價。

5.1 儀器布設(shè)

為了觀測深厚非飽和土地基的沉降規(guī)律,分別埋設(shè)沉降板和沉降磁環(huán)量測路基填筑過程中地表的沉降量和地基土的整體沉降,同時采用單點沉降儀測定地面以下土層的分層壓縮量。考慮到路基和地基的整體穩(wěn)定性,通過布設(shè)位移觀測樁和測斜管監(jiān)測路基和地基整體穩(wěn)定性,并研究路基穩(wěn)定性與沉降變形的關(guān)系。對于非飽和土而言,施工過程中飽和度的變化對其工程力學(xué)性質(zhì)有很大影響,故在地基土中布設(shè)孔隙水壓力計,以監(jiān)測孔隙水的變化,儀器布置如圖3所示。

圖3 膠濟線地基及路基沉降觀測儀器布設(shè)

5.2 沉降觀測數(shù)據(jù)

5.2.1 側(cè)向位移

圖4～圖6為3個斷面不同深度的水平位移,從圖中可以看出,填筑過程中水平位移整體向外偏移,水平位移隨著時間和荷載的增加,偏移量加大,累計最大位移分別為：2.2、8.9、8 mm。總體上累計水平位移量較小,地基的水平位移對地基的沉降影響較小。

由文獻[5]的數(shù)據(jù)可知,換填和強夯加固的非飽和土地基側(cè)向位移曲線總體呈弓形,位移量大,最大位移一般發(fā)生在相對軟弱的土層。由圖4～圖6可知,與另外兩種工法相比,經(jīng)水泥攪拌樁加固的地基土側(cè)向位移有明顯不同,位移量要小的多,最大側(cè)向位移發(fā)生在加固區(qū)以下,曲線的最大曲率也相對較小。

圖4 水泥攪拌樁處理斷面不同深度水平位移

圖5 換填處理斷面不同深度水平位移

圖6 強夯處理斷面不同深度水平位移

將3種工法的最大側(cè)向位移進行歸一化處理后可以看出(如圖7～圖9所示)：(1)換填處理后的地基在路基填筑前期側(cè)向位移增長速度最快,位移量較大,并且保持相對穩(wěn)定的增長速率，路基開始填筑約3個月后側(cè)向位移開始呈現(xiàn)出逐步變緩的趨勢；(2)水泥攪拌樁處理地基在路基填筑前期的變形規(guī)律與強夯加固類似,但是隨著路基填筑高度的增加,側(cè)向位移迅速收斂；(3)強夯處理后的地基在路基填筑前期側(cè)向變形較小,荷載和位移呈線性增長,但在路基填筑后期,側(cè)向位移突然增大,并隨著路基填筑完成后迅速穩(wěn)定下來。在路基填筑完成的相當長一段時間內(nèi),采用水泥攪拌樁加固處理地基的側(cè)向位移最穩(wěn)定。

圖7 水泥攪拌樁處理斷面最大側(cè)向位移變化曲線

圖8 換填處理斷面最大側(cè)向位移變化曲線

圖9 強夯處理斷面最大側(cè)向位移變化曲線

通過上述對側(cè)向位移的分析,3種不同工法加固處理地基的變形形態(tài)存在顯著差異。對于水泥攪拌樁加固處理地基而言,樁體承擔了大部分路堤荷載,并通過樁體傳遞至地基下臥層,樁間土所承擔的附加應(yīng)力很小,此時水泥攪拌樁復(fù)合地基限制了地基土的變形,因而水泥攪拌樁的側(cè)向位移很小,并且主要集中在復(fù)合地基下臥層。強夯加固地基側(cè)向變形明顯滯后于路基填土高度,主要是因為強夯加固的影響范圍通常在4～5 m,路基填土高度較低時,附加應(yīng)力的影響集中在強夯加固區(qū),對地基土的側(cè)向變形影響較小,隨著路基填筑高度的增加,附加應(yīng)力對加固區(qū)以下土層的影響逐漸顯現(xiàn),此時最大側(cè)向位移發(fā)生在地表以下4.5～5.5 m的位置。

5.2.2 豎向位移

限于篇幅,本文僅討論該工點的非飽和土地基處理方法及地基沉降。圖10～圖12分別為水泥攪拌樁加固地基、換填加固地基和強夯加固地基的沉降觀測結(jié)果,測試時間從路基開始填筑至鋪軌完成后約3個月。從圖中可以看出,3種地基土地表沉降實測值分別為84、142.6 mm和129.5 mm,其中路基填筑期間的沉降分別為80、124.4 mm和106.1 mm。采用雙曲線法預(yù)測地基的最終沉降量[6],不同工況下非飽和土地基的沉降見表4。

圖10 水泥攪拌樁處理斷面沉降-時間曲線

圖11 換填處理斷面沉降-時間曲線

圖12 強夯處理斷面沉降-時間曲線

由圖10～圖12和表4可知,地基沉降可分為3個階段：(1)填筑期地基沉降主要由路基本體的自重引起,沉降量較大。路基填筑速度決定其沉降速率的大小,通常填筑速度越快,沉降速率越大。不同斷面填筑期的地基沉降分別完成最終沉降量的95.2%、87.2%和81.9%。(2)填筑完成以后的沉降速率較填筑期明顯放緩,沉降量也大幅度減小,由于受前期路基填筑速度的影響,填筑速度越快的斷面,后期沉降越大；反之,沉降越小。不同斷面地基土放置期+工后沉降分別占最終沉降量的4.8%、12.8%和18.1%。

表4 不同斷面地基沉降量 mm

圖13～圖14分別是水泥攪拌樁和強夯加固非飽和土地基加固區(qū)和下臥層的沉降量,從表5可以看出,加固區(qū)沉降量分別占總沉降量的35.1%和16.1%,下臥層沉降量分別占總沉降量的64.9%和83.9%。結(jié)合表3還可以看出,計算值與實測值基本吻合。從沉降量上看,經(jīng)水泥攪拌樁加固后的地基沉降量最小。這說明非飽和土地基經(jīng)過水泥攪拌樁加固后,傳遞至下臥層的附加應(yīng)力有所減小。

圖13 水泥攪拌樁處理斷面加固區(qū)和下臥層沉降量

圖14 強夯處理斷面加固區(qū)和下臥層沉降量

表5 不同斷面實測沉降量 mm

將各種斷面沉降-時間關(guān)系歸一化(沉降與最終沉降的比值)處理,如圖15所示。從圖中可以看出,換填加固的非飽和土地基與強夯處理后的非飽和土地基沉降變形規(guī)律比較接近,路基填筑完成后,沉降速度開始放緩但未完全收斂；經(jīng)水泥攪拌樁處理后的地基沉降穩(wěn)定時間最短,隨著路基填筑的完成,路基沉降迅速收斂。

圖15 各種斷面沉降-時間歸一化曲線

通過上述分析,非飽和土地基經(jīng)過水泥攪拌樁或強夯加固處理后,填筑期間完成的沉降占最終沉降量的80%以上,工后沉降得到有效控制,沉降穩(wěn)定時間也相應(yīng)縮短。

6 結(jié)論

通過對非飽和土進行室內(nèi)試驗和現(xiàn)場沉降觀測,可以得到以下結(jié)論。

(1)非飽和土的固結(jié)時間與飽和度有密切關(guān)系。低飽和度下,固結(jié)時間隨著飽和度的增加而延長。當飽和度超過82.8%時,固結(jié)時間隨著飽和度的增加而減小并最終趨近于飽和土的固結(jié)時間。

(2)由于非飽和土內(nèi)部水氣混合物的壓縮作用,導(dǎo)致非飽和土比飽和土的瞬時沉降大,但是飽和土和非飽和土的最終沉降量是基本相同的。

(3)采用修正的均布荷載和原位變形模量計算地基沉降與現(xiàn)場沉降觀測結(jié)果基本吻合。

(4)通過強夯、換填和短水泥攪拌樁加固處理的非飽和土地基,沉降量得到有效控制,沉降時間大大縮短。

[1]Frendlund D G, Rahardjo H. 非飽和土力學(xué)[M].陳仲頤,張在明,陳愈炯,譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997．

[2]吳麗君,蔣關(guān)魯,李安洪,等.控制基質(zhì)吸力的非飽和粉質(zhì)黏土固結(jié)試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009(4)：66-70.

[3]劉春澤,郝慶芬,趙儉斌.土變形模量的研究于分析[J].巖土工程界,2007,10(12),60-62.

[4]葛孝椿,王興元.用土的現(xiàn)場原始壓縮曲線計算土的變形模量[J].巖土工程學(xué)報,1989,11(5)：99-108．

[5]邢富強,蔣關(guān)魯,李安洪,等.膠濟客運專線非飽和土地基沉降現(xiàn)場試驗研究[J].鐵道建筑,2009(5)：77-83.

[6]吳麗君,蔣關(guān)魯,李安洪,等.膠濟客運專線非飽和原狀粉質(zhì)黏土固結(jié)試驗研究[J].鐵道建筑,2009(5)：100-104．

[7]蔣關(guān)魯,王海龍,李安洪.高速鐵路路基基底應(yīng)力計算方法研究[J].鐵道建筑,2009(4)：65-69.