公路隧道下穿鐵路路基的沉降行為研究

肖 矜，劉漢紅, 王 鑫

(1.昌九城際鐵路股份有限公司, 江西 南昌 330008； 2.中鐵隧道集團一處有限公司, 重慶 2401123； 3.南昌大學, 江西 南昌 330008)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和近年來人們對公路、鐵路建設(shè)需求的提高，傳統(tǒng)公路和鐵路鋪設(shè)已經(jīng)無法滿足人們對現(xiàn)實生活出行的要求，對原有老式公路和鐵路進行改擴建是當前社會急需解決的關(guān)鍵問題[1]。然而，在實際路基鋪設(shè)或擴建過程中，新老路基由于土體物性差異以及由于施工方式不同帶來的路基沉降行為，會造成完工的擴建路基工程使用壽命較短、返修和保養(yǎng)頻繁等問題[2]。尤其是對于公路隧道下穿鐵路路基，由于鐵路路基是承受并傳遞軌道重力及列車動態(tài)作用的結(jié)構(gòu)，是軌道的基礎(chǔ)，是保證列車運行的重要建筑物，其路基擴寬是一項專業(yè)性較強、難度很高的工程，目前這方面的研究工作較少，可借鑒的技術(shù)治療較為匱乏[3]。在此基礎(chǔ)上，本文從實際公路隧道下穿鐵路路基擴寬工程案例角度出發(fā)，考察了新老路基在未加土工格柵和添加土工格柵條件下的路基沉降行為及其路面結(jié)構(gòu)變形機制，有助于解決新老路基的路面沉降以及連接處異常沉降等問題。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

公路隧道下穿鐵路路基填料為施工現(xiàn)場附近的黃土，基本物性指標如表1所示。

表1 路基填料黃土的物性指標Table1 Physicalpropertyindexofsubgradefillingloess最大干容量/(g·cm-3)最佳含水量/%液限/%塑限/%不同粒級(mm)的通過量/%0.25^0.100.1^0.0740.074^0.010.01^0.005<0.0051.8311.2231.7521.212.09%5.30%66.47%5.89%19.33%

灰土與黃土按照不同比例攪拌混合均勻后作為石灰土進行路基填充料，不同配比的石灰土的抗壓強度測試結(jié)果見表2，其中，石灰為I級白灰，分別測試了不同齡期下石灰土的無側(cè)限抗壓強度，齡期包括7、28、90 d[4]。

選用岳塘TGSG40-40 kN雙向拉伸聚丙烯土工格柵，路基用土工格柵的物性參數(shù)見表3。

表2 不同配比的石灰土的抗壓強度Table2 CompressivestrengthoflimesoilwithdifferentproportionMPa石灰含量/%齡期/d7289040.570.981.5860.611.121.7580.631.141.80100.671.181.87120.731.272.66

表3 路基用土工格柵的物性參數(shù)Table3 Physicalparametersofgeogridforsubgrade密度/(g·cm-2)伸長率/%屈服強度/(kN·m-1)伸長率為2%時的拉伸力/(kN·m-1)伸長率為5%時的拉伸力/(kN·m-1)橫向縱向橫向縱向橫向縱向橫向縱向380≤16.0≤12.5≥11.5≥50.0≥12.5≥10.5≥15.0≥14.5

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)計采用單側(cè)加寬路基模式，路基縱向長度和基底寬度分別為10、15.5 m，其中，路基5 m全部加筋(鋪設(shè)土工格柵)，另外5 m則不加筋。路基沉降試驗過程中需要在路基基底、頂面、中間和土工格柵處布置傳感器和位移計(YT-DG-0500型，量程5～40 cm)，用來監(jiān)測沉降位移和壓力變化，路基尺寸、傳感器和柔性位移計布置圖見圖1。路基施工主要流程為：備料和備機械、施工放樣、攤鋪、石灰消化、攪拌、攤鋪、碾壓、安裝柔性位移計、鋪設(shè)土工格柵、挖臺階和擴建路基施工等步驟[5]。

圖2為公路隧道下穿鐵路路基路面觀測點的布置圖，共選取了10個位置進行設(shè)置，其中加土工格柵和未加土工格柵處的觀測點各5個，編號分別為D1～D5和D6～D10；沉降控制系統(tǒng)采用西門子PLC控制系統(tǒng)控制千斤頂?shù)某两担^察結(jié)果為待沉降穩(wěn)定后再測量得到的值。

2 結(jié)果及討論

圖3為路基土體上層柔性位移計的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果，分別列出了距路基中線6.25、7.75、9.25、10.75、12.25 m處的地基沉降量與土工格柵位移伸縮量之間的關(guān)系曲線，其中，縱坐標正值和負值分別表示土工格柵受壓縮和拉伸[6]。對比分析可見，在距路基中線6.25、7.75 m處，土工格柵先受到壓縮而后受到拉伸，而路距路基中線9.25 m處則表現(xiàn)為先拉伸后壓縮特征；在距路基中線10.75 m處，土工格柵一直受到壓縮作用，而距路基中線12.25 m處，土工格柵的壓縮和拉伸呈交替變化特征。此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的路基沉降在位移達到16～20 cm時基本趨于穩(wěn)定，柔性位移計監(jiān)測得到的土工格柵位移伸縮量(約2 mm)遠小于破壞極限值，表明本文設(shè)計的公路隧道下穿鐵路路基安全儲備能力較高[7]。

(a)傳感器總體布置

圖2 公路隧道下穿鐵路路基路面觀測點的布置

圖4為公路隧道下穿鐵路路面橫向沉降曲線，分別列出了加土工格柵和未加土工格柵位置處橫向沉降曲線監(jiān)測結(jié)果。對比分析可知，加土工格柵和未加土工格柵位置處路面沉降量都隨著距路基中心線距離增加而增大，且路基土體整體呈現(xiàn)協(xié)調(diào)變形特征，未見路面突然沉降現(xiàn)象。對于加土工格柵路基，最大路面沉降量約為15.8 mm，而未加土工格柵的路基最大路面沉降量約為15.9 mm，可見土工格柵對路基路面沉降效果影響較小。

圖5為距路基中心線不同位置處的路面沉降曲線，分別列出了距路基1.6、3.2、4.8、6.4、8.0 m處的路面沉降曲線。距路基中心線1.6 m處的D1和D6點的最大沉降量約2.5 mm，距路基中心線3.2 m處的D2和D7點的最大沉降量約4.9 mm，距路基中心線4.8 m處的D3和D8點的最大沉降量約7.6 mm，距路基中心線6.4 m處的D4和D9點的最大沉降量約10.4 mm，距路基中心線8.0 m處的D5和D10點的最大沉降量約15.8 mm?？梢姡S著距路基中心線距離的增加，路面最大沉降量呈現(xiàn)逐漸增大的特征，且當?shù)鼗两盗扛哂?4 cm時，路基路面的沉降開始呈現(xiàn)收斂并趨于穩(wěn)定的特征。

圖3 路基上層柔性位移計的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

圖4 公路隧道下穿鐵路路面橫向沉降曲線

圖5 距路基中心線不同位置處的路面沉降曲線

圖6為碎石基層隨地基差異沉降應(yīng)變變化曲線，分別列出了底基層(加土工格柵和未加土工格柵)、下基層和上基層的應(yīng)變隨地基沉降值的變化曲線。對比分析可知，底基層(加土工格柵)、底基層(未加土工格柵)和下基層的應(yīng)變分別在YB-4、YB-7和YB-10型應(yīng)變儀上取得最大值，應(yīng)變極值沒有出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)層的連接處，而是偏離連接處約1 m左右。在靠近老路基中心處的應(yīng)變值會相對較小，整體呈現(xiàn)出由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾臓顟B(tài)，說明路面基層的協(xié)調(diào)變形能力較強[8-9]。此外，加土工格柵的底基層的應(yīng)變要明顯小于未加土工格柵的底基層，這也就說明在路基中添加土工格柵可以對基層的附加應(yīng)變起到抑制作用[10]，從而緩解差異沉降。

圖6 碎石基層隨地基差異沉降應(yīng)變變化趨勢

當路基沉降達到22 cm時施加車載，圖7為車載對路面附加應(yīng)變的影響曲線，分別列出了上面層、中面層和下面層在無荷載、靜荷載、動荷載和卸載后的應(yīng)變隨著距離舊路基中心線距離的變化。對比分析可見，無論是上面層、中面層還是下面層，無荷載、靜荷載、動荷載和卸載后的應(yīng)變都隨著距離舊路基中心線距離的增加而先增加至峰值而后逐漸減小，且應(yīng)變峰值都未出現(xiàn)在新舊路基連接處，而是在距離路基連接處約1 m處。由于路基路面的差異沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力與路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力作用方向相反[11]，因此，車載產(chǎn)生的應(yīng)力會在一定程度上抵消二者的疊加作用[12]，且由于車載主要集中在上面層，而中面層和下面層的荷載作用較小，因此在受劇烈車載作用時，上路面和中路面的結(jié)構(gòu)層應(yīng)變值還可能出現(xiàn)反向增加的特征[13-14]，即出現(xiàn)如圖7所示的導致拋物線形態(tài)。

圖7 車載對附加應(yīng)力的影響

3 結(jié)論

a.不同區(qū)域的路基沉降在位移達到16～20 cm時基本趨于穩(wěn)定，柔性位移計監(jiān)測得到的土工格柵位移伸縮量(約2 mm)遠小于破壞極限值。

b.加土工格柵的路基的最大路面沉降量約為15.8 mm，而未加土工格柵的路基的最大路面沉降量約為15.9 mm，土工格柵對路基路面沉降效果影響較小。

c.加土工格柵的底基層的應(yīng)變要明顯小于未加土工格柵的底基層，表明在路基中添加土工格柵可以對基層的附加應(yīng)變起到抑制作用，從而緩解差異沉降。

d.無論是上面層、中面層還是下面層，無荷載、靜荷載、動荷載和卸載后的應(yīng)變都隨著距離舊路基中心線距離的增加而先增加至峰值而后逐漸減小，且應(yīng)變峰值都未出現(xiàn)在新舊路基連接處，而是在距離路基連接處約1 m位置。