高速鐵路強(qiáng)夯地基沉降的離心模型試驗(yàn)研究

張崇磊,劉 琪,李 丞,蔣關(guān)魯

(1.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041； 2.中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

離心模型試驗(yàn)通過重力場(chǎng)模擬工程物理現(xiàn)象，是巖土工程研究的重要試驗(yàn)手段。離心模型試驗(yàn)慣性力與重力絕對(duì)等效，高加速度不會(huì)改變巖土材料性質(zhì)，從而使模型與原型應(yīng)力分布、變形特征以及破壞機(jī)理相同，再現(xiàn)原型工程狀態(tài)的力學(xué)特性。強(qiáng)夯加固法(動(dòng)力固結(jié)法)，具有施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)有效和適用性廣等特點(diǎn)。近些年，強(qiáng)夯法在重要基礎(chǔ)設(shè)施淺層地基加固中得到廣泛應(yīng)用。然而，強(qiáng)夯加固理論計(jì)算高度依靠經(jīng)驗(yàn)，較為欠缺定量分析和可靠設(shè)計(jì)方法，其工程適用性受到制約[1-2]。高速鐵路強(qiáng)夯加固地基的沉降控制技術(shù)研究具有重要理論與工程實(shí)踐意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用離心模型試驗(yàn)對(duì)不同加固處理方式的地基變形、穩(wěn)定以及附加應(yīng)力等進(jìn)行了初步探索。在地基沉降控制方面，蔣關(guān)魯?shù)萚3]針對(duì)天然地基，采用停機(jī)加載和變加速加載對(duì)地基沉降特性和應(yīng)力分布進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究；陳建峰等[4]開展了加筋和不加筋石灰土路堤的離心模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了軟土地基沉降規(guī)律；王長(zhǎng)丹等[5]采用離心模型試驗(yàn)，研究了濕陷性黃土樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)比了不同樁間距下地基沉降特性；梅源等[6]基于離心模型試驗(yàn)，分析了超高黃土填方地基在施工期和工后期的變形規(guī)律；張良等[7]基于離心模型試驗(yàn)，研究了深厚軟基修筑路堤的沉降控制技術(shù)；馮研等[8]基于離心模型試驗(yàn)，分析了樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降的預(yù)測(cè)精度；Wang等[9]通過離心模型試驗(yàn)，模擬不同樁間距對(duì)濕陷性黃土地基沉降的影響；Allersma等[10]改進(jìn)了離心機(jī)填筑裝置，土堤模型旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)施、控制填筑過程，分析了不同填筑速率對(duì)土堤變形的影響。地基穩(wěn)定性分析方面，周小文等[11]基于離心模型試驗(yàn)，研究了快速填筑路堤時(shí)軟土路基的穩(wěn)定控制；Bassett等[12]選用萊頓-布扎爾德砂填筑堤岸，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)高速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)堤岸的分級(jí)填筑過程模擬。采用相同方法，Daives和Sharma等[13，14]實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程軟弱地基上部路堤的分層填筑，研究了加固路堤的穩(wěn)定性。此外，吳麗君等[15]基于離心模型試驗(yàn)，分析了天然地基附加應(yīng)力修正方法。強(qiáng)夯加固地基抗震方面，翁效林等[16]基于離心模型試驗(yàn)，定量評(píng)價(jià)了強(qiáng)夯黃土地基的抗震性能?？梢?，中等壓縮性土地基現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)實(shí)例尚不多見，通過離心模型試驗(yàn)研究強(qiáng)夯加固地基沉降特性的定量分析較少，離心模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)強(qiáng)夯地基沉降精度有待深入探索。

上述模型試驗(yàn)成果為強(qiáng)夯法在地基加固處理中的應(yīng)用奠定了技術(shù)支撐。然而，高速鐵路路堤荷載下中等壓縮性土地基采用強(qiáng)夯加固，其加固機(jī)理尚無先例借鑒，如何保證此類地基在強(qiáng)夯加固后，既能高效地控制沉降，又能具備較高承載力和穩(wěn)定性值得深入探索。本文基于離心模型試驗(yàn)相似理論，結(jié)合海南東環(huán)客專(海東線)全風(fēng)化花崗巖地基以及膠濟(jì)客專(膠濟(jì)線)粉土、粉質(zhì)黏土地基強(qiáng)夯加固試驗(yàn)工點(diǎn)，開展了強(qiáng)夯加固地基的離心模型試驗(yàn)，分析了填筑、靜置及鋪軌階段強(qiáng)夯地基分層沉降演變特征，給出了基底應(yīng)力和地基附加應(yīng)力分布，研究了離心模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)強(qiáng)夯地基沉降的精度，最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降，提出了沉降修正系數(shù)取值范圍。

1 離心模型試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)工點(diǎn)地質(zhì)概況

試驗(yàn)工點(diǎn)選取海東線DK67+620和膠濟(jì)線DK226+875兩處強(qiáng)夯工點(diǎn)，夯錘重力、點(diǎn)夯次數(shù)、夯點(diǎn)間距分別選用150～300 kN、8～15次、3.5 m，滿夯分3次夯實(shí)，夯擊能量為1 000 kN·m。工點(diǎn)斷面土層和路基設(shè)計(jì)見圖1。表1給出了模型地基的物理參數(shù)。海東線DK67+620工點(diǎn)路基填高5.0 m，頂寬13.4 m，坡度1∶1.5，強(qiáng)夯深度6.0 m。測(cè)段上覆硬塑狀黏土，一般厚度0～2 m屬Ⅱ級(jí)普通土；下臥花崗巖全風(fēng)化層(W4)呈硬塑～堅(jiān)硬土狀、砂石狀，厚5～30 m不等，屬Ⅲ級(jí)普通土?；◢弾r全風(fēng)化層平均天然密度1.99 g/cm3，大多為飽和狀態(tài)，呈硬塑～堅(jiān)硬狀，塑限17.7%～31.4%，液限26.0%～49.3%；地基壓縮系數(shù)為0.14～0.28MPa-1，屬中等壓縮性土地基。

膠濟(jì)線DK226+875工點(diǎn)路基填高7.43 m，頂寬12.5 m，坡度1∶1.5，強(qiáng)夯深度5.9 m，墊層采用“二八”灰土夾土工格柵。地表為1 m軟土，下部分別為4.46 m粉質(zhì)黏土、7.91 m粉土以及18.3 m深厚粉質(zhì)黏土。地基主要為非飽和粉質(zhì)黏土和粉土，飽和度一般在67%～80%；地基壓縮系數(shù)為0.12～0.22 MPa-1，呈硬塑狀，屬于中等壓縮性土地基；孔隙比粉質(zhì)黏土為0.56～0.88，粉土為0.65～0.86。離心機(jī)模型箱尺寸為80 cm×60 cm×60 cm，鑒于模型箱尺寸限制，選用與現(xiàn)場(chǎng)路堤填高一致的單線標(biāo)準(zhǔn)路堤。海東線、膠濟(jì)線模型比尺n分別選用60、80。

圖1 海東線、膠濟(jì)線現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯加固斷面(單位：m)

試驗(yàn)斷面海東線膠濟(jì)線土體類型層厚/cm容重/(kN·m-3)含水量/%花崗巖風(fēng)化土(1)10.018.932.0花崗巖風(fēng)化土(2)20.019.127.8花崗巖風(fēng)化土(3)10.019.432.1黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土5.618.79.32粉土9.918.813.1粉質(zhì)黏土18.319.218.7

土壓力盒埋設(shè)于路基中心下不同深度地基中。路基中心處布置9組，用于監(jiān)測(cè)地基附加應(yīng)力的分布，路肩下布置1組，用于對(duì)比基底橫向應(yīng)力分布的差異。土壓力盒為電阻應(yīng)變式傳感器，靈敏度滿量程時(shí)為1 mV·V-1。沉降板埋設(shè)于路基中心下地基中，分3個(gè)深度布置，外接LVDT位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)地基分層沉降。模型尺寸和傳感器布置見圖2。

圖2 模型尺寸與儀器布置(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)過程

選用TLJ-2型土工離心試驗(yàn)機(jī)，最大容量、最大加速度以及有效運(yùn)行半徑分別為1gt、100g和2.7 m，電機(jī)運(yùn)行功率為185 kW。強(qiáng)夯區(qū)采用容重和含水量控制，容重20.3 kN/cm3，含水量8%。海東線現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯深度6.0 m，換算模型加固區(qū)深度10 cm。膠濟(jì)線現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯深度5.9 m，換算模型加固區(qū)7.4 cm。取現(xiàn)場(chǎng)原狀黏土碾碎過篩，按原型地基土體密度和含水量配置模型重塑土，分層填筑、壓實(shí)強(qiáng)夯區(qū)以下地基。地基填筑完成后，為模擬原型地基固結(jié)過程，消除地基重塑土影響，獲得地基自重應(yīng)力，海東線、膠濟(jì)線分別在設(shè)計(jì)加速度60g、80g下運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，控制地基填筑厚度。之后，按現(xiàn)場(chǎng)路基實(shí)測(cè)密度2.0 g/cm3分層填筑和壓實(shí)路基，如圖3所示。

圖3 模型制作過程

采用變加速度加載，路基模型一次填筑完成，離心模型填筑過程見表2。

表2 路基填筑加載歷程

模擬過程包括施工階段和路基長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段，施工階段分為路基填筑、放置期間。路堤實(shí)際靜置90 d，海東線、膠濟(jì)線離心模型運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間分別為36，25 min。路基長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段則通過路基面放置鋼板模擬。工后階段設(shè)計(jì)為3年，海東線、膠濟(jì)線換算離心場(chǎng)時(shí)間分別為438，250 min，全程監(jiān)測(cè)地基沉降與應(yīng)力時(shí)程。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地基附加應(yīng)力

圖4為海東線、膠濟(jì)線離心模型試驗(yàn)基底應(yīng)力分布。由圖4可知，填筑至鋪軌階段基底中心處豎向應(yīng)力比路肩下結(jié)果偏大，與柔性基礎(chǔ)基底應(yīng)力分布形式接近，鋪軌后路肩下基底應(yīng)力增長(zhǎng)速率慢于路基中心。圖5為路基填筑完成及鋪軌后海東線、膠濟(jì)線試驗(yàn)斷面離心模型試驗(yàn)地基附加應(yīng)力分布。由圖5可知，海東線、膠濟(jì)線強(qiáng)夯地基附加應(yīng)力的衰減規(guī)律基本相似，隨地基深度的增大附加應(yīng)力逐漸減小，強(qiáng)夯影響深度范圍內(nèi)其衰減顯著，而強(qiáng)夯影響深度下附加應(yīng)力衰減逐漸減緩。

圖4 路基基底應(yīng)力分布

圖5 地基附加應(yīng)力分布

2.2 地基分層沉降

(1)路基填筑期與放置期沉降

圖6為路基施工階段填筑、放置期沉降與時(shí)間關(guān)系曲線。

圖6 路基填筑、放置期豎向沉降與時(shí)間關(guān)系

由圖6可知，施工階段填筑期沉降較大，放置期沉降較小，隨路基填高增加，填筑期沉降呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。填筑期內(nèi)，海東線、膠濟(jì)線強(qiáng)夯區(qū)沉降占施工階段總沉降分別為15.5%、22.8%，路基荷載下強(qiáng)夯影響深度范圍沉降顯著降低。這是由于強(qiáng)夯加固后淺層地基含水量降低，干密度和壓縮模量增大，從而顯著降低填筑期和放置期地基總沉降。

圖7為路基分級(jí)填筑沉降占填筑期總沉降比例關(guān)系。由圖7可知，分級(jí)填筑沉降占總沉降比例隨填筑級(jí)數(shù)的增加而減小。第一級(jí)加載后，沉降發(fā)展最為顯著，至第四級(jí)加載后，分級(jí)填筑沉降所占比例已小于21%。由此說明，隨路基分級(jí)填筑進(jìn)行，地基沉降已由填筑期產(chǎn)生的瞬時(shí)沉降為主，逐漸演變?yōu)橐苑胖闷诠探Y(jié)沉降為主。

圖7 路基分級(jí)填筑沉降占填筑期總沉降比例

(2)路基長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段沉降

圖8為路基長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段工后沉降與時(shí)間關(guān)系。由圖8可知，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)，工后沉降速率逐漸減小，路基面和地基沉降時(shí)程發(fā)展規(guī)律基本相近。

圖8 長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段工后沉降與時(shí)間關(guān)系

路基鋪軌200 d后，不同深度處地基工后沉降量占據(jù)3年總工后沉降的比例仍然較大，即地基固結(jié)過程仍在發(fā)展；然而，鋪軌550 d后，工后沉降發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。此外，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段的工后沉降遠(yuǎn)小于施工階段地基總沉降，運(yùn)營(yíng)3年后，海東線路基工后沉降為41 mm，膠濟(jì)線為29 mm，工后沉降已滿足相關(guān)高鐵規(guī)范的沉降要求。

2.3 地基沉降修正系數(shù)

表3是填筑期、放置期地基分層沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降對(duì)比結(jié)果。由表3可知，離心模型試驗(yàn)得到的不同深度地基填筑期沉降占施工總沉降的比例基本接近，海東線均值為90%，膠濟(jì)線均值為92.5%；現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)得到的地基不同深度處填筑期沉降占施工總沉降的比例較模型試驗(yàn)結(jié)果偏小，海東線均值為83.3%，膠濟(jì)線為85.1%。海東線沉降修正系數(shù)均值為0.8，而膠濟(jì)線均值為1.5，說明海東線離心模型試驗(yàn)地基沉降結(jié)果均要高于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，而膠濟(jì)線卻低于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。這是由于海東線地基為近飽和態(tài)，而膠濟(jì)線地基為非飽和態(tài)，飽和狀態(tài)的差異造成二者沉降修正系數(shù)差距明顯，說明中等壓縮性土地基的飽和度對(duì)施工沉降預(yù)測(cè)精度影響較大。

表3 填筑期和放置期地基沉降修正系數(shù)

表4為長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段地基工后沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降對(duì)比。由表4可知，離心模型試驗(yàn)得到的海東線各深度處工后沉降占施工階段總沉降比例約為29.6%，膠濟(jì)線約為28.0%，隨地基深度增大，工后沉降比例逐漸減小?，F(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)得到海東線各深度處工后沉降占施工階段總沉降比例約為4%，膠濟(jì)線約為8.1%。此外，海東線各深度處工后沉降小于4.0 mm，膠濟(jì)線地表工后沉降為9.8 mm，由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器損壞，4.6 m和12.13 m處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失。可見，中等壓縮性土地基工后沉降較小，滿足高鐵規(guī)范工后沉降要求[18]。地基工后沉降的離心模型試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，運(yùn)營(yíng)階段沉降修正偏小，即海東線工后沉降修正系數(shù)為0.13，膠濟(jì)線沉降修正系數(shù)為0.31。從施工至運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)于全風(fēng)化花崗巖強(qiáng)夯地基，用離心機(jī)模型預(yù)測(cè)施工與運(yùn)營(yíng)階段地基總沉降的沉降修正系數(shù)為0.63，而對(duì)于粉土及粉質(zhì)黏土強(qiáng)夯地基，用離心機(jī)模型預(yù)測(cè)地表總沉降的沉降修正系數(shù)為1.1。

表4 長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段地基沉降修正系數(shù)

表5是填筑期和放置期單位深度地基分層壓縮量。由表5可知，離心模型試驗(yàn)得到的海東線、膠濟(jì)線填筑期不同深度地基的單位壓縮量分別為5.1 mm/m、3.7 mm/m，現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)得到的海東線、膠濟(jì)線不同深度地基的單位壓縮量分別為6.0 mm/m、3.6 mm/m，即兩類試驗(yàn)的單位壓縮量基本接近。此外，地基單位壓縮量隨著地基深度的增大而增大，淺層地基強(qiáng)夯加固效果顯著。

表5 填筑期和放置期地基單位深度壓縮量

綜上所述，離心模型試驗(yàn)?zāi)M強(qiáng)夯地基的沉降特性與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)存在差異。對(duì)于中等壓縮性土地基離心模型試驗(yàn)得到的單位分層壓縮量的預(yù)測(cè)精度較高，而對(duì)于不同的填筑、放置期離心模型試驗(yàn)得到的不同深度地基的預(yù)測(cè)精度差異明顯，經(jīng)過沉降修正系數(shù)定量評(píng)價(jià)后能夠較為真實(shí)地反映地基沉降特性，這主要與離心模型試驗(yàn)?zāi)M歷程與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)填筑過程存在一定差異有關(guān)。采用離心模型試驗(yàn)方法定量預(yù)測(cè)強(qiáng)夯地基沉降具有一定實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本文針對(duì)海東線全風(fēng)化花崗巖地基以及膠濟(jì)線粉土、粉質(zhì)黏土強(qiáng)夯加固地基，開展了強(qiáng)夯地基的基底應(yīng)力、附加應(yīng)力、分層沉降的離心模型試驗(yàn)測(cè)試，研究了離心模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)強(qiáng)夯地基沉降的精度，并提出了沉降修正系數(shù)的取值范圍，得到以下結(jié)論。

(1)基底中心豎向應(yīng)力比路肩下大，符合柔性基礎(chǔ)下應(yīng)力分布形式，鋪軌后路肩下基底應(yīng)力增速慢于基底中心。

(2)地基附加應(yīng)力隨深度增加而逐漸減小，強(qiáng)夯區(qū)深度范圍內(nèi)衰減速率較快，而強(qiáng)夯區(qū)以下附加應(yīng)力衰減速率減緩。

(3)分級(jí)填筑沉降占填筑期總沉降比例隨加載級(jí)數(shù)的增加而減小，說明隨路基分級(jí)填筑，地基沉降已由填筑初期的瞬時(shí)沉降為主，演變?yōu)榉胖闷诠探Y(jié)沉降占主導(dǎo)。

(4)與3年總工后沉降相比，鋪軌200 d工后沉降較大，即強(qiáng)夯地基固結(jié)沉降仍在發(fā)展；然而，鋪軌550 d后工后沉降漸趨于穩(wěn)定。此外，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段的工后沉降遠(yuǎn)小于施工階段地基總沉降，運(yùn)營(yíng)3年后海東線、膠濟(jì)線路基工后沉降分別為41 mm，29 mm，已滿足相關(guān)高鐵規(guī)范沉降標(biāo)準(zhǔn)要求。

(5)由于地基飽和度的差異，填筑階段海東線離心模型試驗(yàn)地基沉降結(jié)果均要高于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，而膠濟(jì)線卻低于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在鋪軌運(yùn)營(yíng)階段，離心模型試驗(yàn)工后沉降結(jié)果遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，其沉降修正系數(shù)偏小。

(6)中等壓縮性土地基離心模型試驗(yàn)得到的地基單位分層壓縮量的預(yù)測(cè)精度較高，而對(duì)于不同填筑、放置期離心模型試驗(yàn)得到的地基沉降預(yù)測(cè)精度則差異明顯，沉降修正系數(shù)能夠較為真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯地基的沉降特性。