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软弱地基沉降控制措施与研究技术

摘要:　要保证客运专线和高速铁路正常运行,路基沉降必须得到有效控制。本文结合秦沈客运专线软弱地基段土质特性,提出了地基沉降控制的加固措施、计算方法和试验研究方案,对进一步开展这项工作有一定指导意义。
关键词:　土质特性;复合地基;加固方案;离心模型试验

1　前言
为了保证高速铁路的正常运营,达到高速标准,在软弱地基上填筑路堤,地基的沉降变形必须得到严格控制。否则,地基过大的施工后沉降,特别是不均匀沉降,将导致轨道表面的不平顺,降低乘客的舒适度,严重时甚至引起行车事故。如日本东海道新干线,由于路基的严重下沉,1965～1975年间中断行车200多次,列车平均运行速度降到100～110km/h,大大低于设计时速220km/h。我国第一条时速200km以上的秦沈客运专线已进入试验段施工阶段,全面施工指日可待,京沪高速铁路也酝酿日久。本文结合秦沈客运专线,研究了软弱地基段的工程地质特征,指出必须对地基进行加固处理,提出了加固方案、加固后地基沉降计算模式和试验研究方案,对进一步研究有一定指导意义。
2　秦沈客运专线松软地层地质特征及稳稳定性评价
自1998年11月铁道部科教司召开天津会议,研究秦沈客运专线软弱地基沉降控制方案和施工技术后,我们及时收集了专运线的勘察试验资料。其土质测试资料见表1。
表1　秦沈客运线松软地层物理力学性质指标

根据勘察结果,秦沈客运专线软弱地基分两个段落,下面分别加以说明:
(1)松软土质:CK254+500到CK261+150,长6650m,地表有一硬壳层,厚度1.3～2.7m,土质为粘土或粘砂土,呈软塑状态,γ=18.7kN/m3,C=24.8kPa,φ=6.9°,强度130kPa左右。硬壳之下为松软土层,厚度为1.6～11.4m,土质为砂粘土、粘砂土或粉细砂层。粘性土呈流动状态,γ=18.3kN/m3,C=5.5kPa,φ=6.2°,强度95kPa。砂土呈饱和状态,强度100kPa,松软土层孔隙比0.81～1.13。压缩系数为0.12～0.85kPa-1,平均为0.47kPa-1,接近高压缩性土,该段地下水埋深1.0～2.4m。该类土可定为高压缩性,低强度土体,底部硬层埋深,浅者4m,深者19m,土质为砂粘土和粘砂土,γ=19.3kN/m3,C=16.3kPa,φ=9.5°,强度160kPa,软弱层作为持力层,土体必须经过改良加固才能保证路基沉降和地基强度要求。
(2)软土段:CK261+150到CK263+430,长度2280m。该软土是以夹层存在。表层3～5m厚为硬壳层,土层为砂粘土和粘砂土,强度120～130kPa。硬壳层之下为软土,软土厚度1.5～4.0m,呈流塑状态,容重γ=18.3kN/m3,C=5.5kPa,φ=4°,强度90kPa。软土之下为软弱砂粘土、粘砂土夹粉细砂层。软弱砂粘土、粘砂土层成层厚度一般4～5m,薄者2～3m,呈可塑状或流塑状,砂层呈饱水状态,强度100～140kPa。该处软弱地层揭示的最大深度为
20m左右。地层的显著特点是可塑层与流塑层相间出现,强度较低,改良加固深度可按双层地基持力层计算确定,该段地下水埋深2.3～4.1m。
3　复合地基沉降计算模式
软弱地基加固后,按复合地基理论计算沉降变形,复合地基沉降计算目前还不成熟,不少学者专家都是结合自己的研究成果提出了计算方法。通常情况下,把复合地基的沉降量分为两部分,一是加固土层的沉降量S1;二是加固层之下下卧层的沉降量S2。复合地基总沉降量为S=S1+S2。根据勘测结果,结合秦沈客运专线软弱土地区土质特性,可采用粉体搅拌桩和振动碎石桩进行加固,其沉降计算方法说明如下。
3.1　粉体搅拌桩
粉体搅拌桩加固地基可按柔性桩复合地基计算沉降量。其加固土层的沉降量,可采用复合模量法(EC法)或应力修正法(ES法)进行计算。下卧层沉降量可用分层总和法进行计算。
3.1.1　复合模量法
复合模量法是将复合地基加固层中增强体和土体两部分视为一个复合土体,采用复合压缩模量ECS来评价其压缩性。采用分层总和法计算加固层的沉降量S1。其计算式为

式中,ΔPi为第i层复合土体上附加应力;Hi为第i层复合土的厚度;Ecsi为第i层复合土体压缩模量。土体压缩模量Ecs通常采用面积加权平均法计算,
即
式中,Eps,Ess分别为桩体和桩间土体压缩模量;m为复合地基桩土置换率。复合模量Ecs也可以通过复合土体室内试验确定。采用复合模量法计算复合地基加固层沉降量时
,为简化计算,工程应用上常将加固层视为一层,其表达式为

式中,P、Pb分别为加固层顶面作用荷载和底面附加应力;h为加固层厚度;Ecs为复合地基压缩模量。为了准确计算沉降量,应进行部分补充勘探取样工作,当查出土层性质差,桩下端能发生较大的刺入沉降,或桩土置换率较低时可采用应力修正法计算沉降。这样会取得较好效果。
3.1.2　应力修正法(Es法)
在采用应力修正法计算压缩模量时,根据桩间土分担的荷载,按照桩间土的压缩模量,忽略增强体的存在,采用分层总和法计算加固土层的沉降量。地基中桩间土分担的荷载Ps为
式中,P为复合地基顶面平均附加荷载应力;m、n分别为桩土置换率和桩土应力比;μs为应力减小系数或称应力修正系数。复合地基加固层沉降量S1表达式为

式中,S1s为未加固地基在荷载P作用下相应厚度内的沉降量;ΔPi、ΔPsi分别为复合地基中第i层顶面平均附加荷载和桩间土层分担荷载。

3.1.3　下卧层沉降计算
在计算下卧层沉降量时,作用在下卧层土的荷载是比较难精确计算的,这里可采用两种方法进行计算。
(1)应力扩散法:　将复合地基视为双层地基,复合地基顶面作用的荷载P,通过加固层按应力扩散角β,作用在下卧层上,用Pb表示其作用力大小,用下式计算。

式中,B、D分别为荷载作用宽度和长度;h为加固层厚度;β为应力传递扩散角。当路基为无限长时,属平面应变情况,计算改为下面形式:

　(2)等效实体法:　将复合地基加固层视为一等效实体,作用在下卧层上的荷载作用面与作用在复合地基上的相同。在等效实体四周作用有摩擦阻力,其单位面积上的摩阻力为f,则作用在下卧层上的荷载可用下式计算:

式中,B、D分别为荷载作用面宽度和长度;h为加固层厚度。当路基无限长时,可视为平面应变情况,上式可改为

3.2振动碎石桩
振动碎石桩复合地基可按散体材料桩复合地基沉降计算方法复合模量法(Ec法)计算加固层沉降量,下卧层上的荷载采用应力扩散法进行计算。在计算散体材料复合沉降时,可把整个压缩层(Z)分成三部分,即把加固层h分成二部分,一部分厚度为二倍桩体直径(2D),另一部分厚度为(h-2D),第三部分为下卧层厚度(Z-h),第一部分土层厚度0-2D范围内土层沉降量S11计算方法如下:在地表荷载作用下,桩体上竖向应力为σp,桩间土竖向应力为σs,从而桩土分界面上产生一径向应力差Δσ,其值为

式中,Ks为桩间土侧压力系数,取值在静止土压力与被动土压力系数之间;Kp为桩体侧压力系数,取值在静止土压力与主动土压力系数之间。由此引起桩体侧向膨胀,桩的侧向膨胀量也就是桩周围土的径向压缩量。考虑到桩的体积不变,径向压缩量又相当于桩的沉降量,经过公式推导,并略去二阶段微量,即得到0-2D厚度内地基沉降量,其表达式为

式中,Δσ为为r=r0处径向应力;r0为桩体半径;
Es为桩间土变形模量;a为桩间距。
第二部分沉降量S12用复合模量法(Ec法)计算。第三部分下卧层沉降量S2用分层总合法计算。复合地基总沉降量表达式为

3.3　天然地基沉降计算
试验工点按土质断面分为松软地基和软土地基,地表作用的路基荷载和活荷载按144kPa考虑,根据上述理论计算结果如下:
(1)松软地基为砂粘土和粘砂土,中间夹粉细砂层。粘性土容重18.3kN/m3,孔隙比1.04,压缩系数0.66MPa-1,压缩模量Es=3.09MPa。粉细砂层,容重γ=19.0kN/m3,孔隙比e=0.7～0.8,压缩模量10MPa。根据分层综合法,按附加应力为自重应力的0.105时,附加应力作用计算厚度为11.5m,计算出的沉降量为42.28cm。
(2)软土地基,表层和下部为粘性土,中部夹软土。软土γ=18.3kN/m3,孔隙比e=1.43,压缩系数a=1.2～1.49MPa-1,Es=1.81MPa。粘性土指标和松弱土相同,按总和分层法计算。附加应力为自重应力0.13倍,计算厚度11.2m,沉降量S=50.9cm。
通过初步计算,天然地基沉降量远远大于10cm的规定沉降量,必须通过加固措施来减少地基沉降量才能满足设计要求。
4　地基加固方案设想
根据秦沈客运专线取到的土样分析结果看,松弱土层是以粘性土为主,软土以夹层存在,整个土层孔隙比较大为0.6～1.13,压缩性大,强度低。必须采取改良加固措施,才能使强度和沉降满足设计要求。但从整体上看,比纯属软土地基好。地基加固可排
除袋装砂井和塑料插板方案,而采用粉喷桩和振动碎石桩方案。采用何种粉料,加固深度和桩土置换率为多少才能满足设计要求,必须经过室内研究和土工离心模型试验才能确定。
4.1　加固材料的研究
加固材料的使用必须与土的化学性质结合考虑,特别是土中胡敏酸和富里酸量,制约了水泥土强度提高,要结合酸碱度对土质进行改良。根据我们对南昆线七甸软土改良试验取得的经验证明,采用三灰土加少量磷石膏或石膏添加剂这种方案为好,磷石膏是为了防止酸性对三灰土的腐蚀,石膏是为了提高早期强度,经过多组试验,七甸软土采用表2指标,收到良好效果。
表2　石膏对泥炭土改良试验的影响T

至于秦沈客运专线土质改良加固采用什么指标,应取土样试验后再决定。关于碎石桩方案,采用石灰岩、硬砂岩或岩浆岩碎石碴都可满足强度要求。
4.2　改性桩加固深度研究
目前地基加固应用最多的是粉体搅拌桩,它属于半刚半柔性桩,在单桩的承载力计算中,把它视为摩擦支撑桩,有人从桩的长度和桩身刚度与土体刚度比对水泥搅拌桩作了理论分析,提出了当桩尖阻力为零时桩的长度为临界加固深度,此时单桩承载力只靠桩周边摩擦力提供。分析认为临界桩长与桩径呈正比,桩径越大临界长度愈大。另外临界桩长与桩土间刚度比的平方根呈正比,刚度比越大,临界长度也越大。对于直径D=50cm的水泥搅拌桩在常见的刚度比情况下,纯摩擦桩的临界长度为8m左右。从现场载荷试验看到,对于D=50cm的桩,达到极限荷载时,埋深8.5m的桩尖几乎无位移,说明桩尖阻力已不发挥作用。所以如果设计成10m的桩可以看成纯摩擦型桩,这样在桩径不变情况下提高复合地基承载力的途径是提高桩身强度和提高桩土置换率,盲目增加桩的长度是不经济的。仅从地基强度要求考虑,加固10m深是完全满足设计要求的。但要考虑加固层以下土层沉降,还要作进一步深入研究,这里可以按双层地基理论,进行加固层下的地基沉降计算,如果沉降量超过规定标准,桩长还应适当加深,这一结论应通过室内离心模型试验来进行研究。
碎石桩要在土体强度大于100kPa情况下使用较好,这样不会使大量碎石侧向挤出而加大碎石用量。这里土体强度大都在100～140kPa,有足够的围压力,防止碎石侧向挤出。加固效果可通过离心模型试验进行观察。
5　软弱地基加固措施离心模型试验研究
5.1　研究现状
离心模型试验是用离心机产生的离心力场来提高模型土体体积力,形成人工重力,使模型重力与现场原型重力保持一致,这是目前土工研究中的高科技设备,是土工研究中最有效的方法。该试验有两个显著特点,其一是一个模型可模拟任意大小的实体,假设制作一个10cm高的路堤模型,在不同的离心加速度下,可以模拟出不同尺寸的路基实体,若在100g重力加速度下运转,就可模拟10m高路堤产生的重力,在200g下运行,就模拟出20m高路堤产生的重力,对地基也同样如此。第二个特点是时间效应特别显著,10cm高的模型在100g下运行52min,相当10m高路堤变形沉降一年,大大节约了观测时间,所以这是模拟工后沉降最有效的方法。在试验中,计算机自动采集数据,能测出路基和地基各处的应力、应变状态。我们用该设备研究膨胀土路堤沉降变形,取得了良好效果,所以采用离心模型试验对各种加固措施进行理论研究会取得圆满结果。
根据南昆线七甸软土离心模型试验研究得到满意的结果,南昆线七甸软土,厚度28m,表层砂粘土硬壳1～2.5m,按15m加固厚度设计,根据离心模型试验,得到表3结果。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
表3　南昆线七甸软土离心模拟不同措施沉降量T

5.2　地基附加应力模拟研究
地基土的沉降受附加应力的控制,附加应力包括路堤自重压力、道床压力和列车动荷载作用力。根据时速200km新建铁路线桥隧站设计暂行规定条文说明,各种应力的大小与模拟按下列规定进行。
(1)道床应力:道床按容重γ=18kN/m3考虑,换算土桩高度为3.0m,作用宽度L0=3.3m。道床附加力可采用预制好的土条试块加在路基顶面进行模拟。
(2)基床动应力:基床动应力作用大小可根据暂规规定按下式计算

如果采用韶8机车,轴重力220kN,速度按200km/h,基床面动应力92kPa。该应力可用模拟块,以静应力形式加在路基表面。
(3)路堤自重应力:路堤自重应力,可考虑用当地填土,按最佳密度,以模型实体加在地基上,并把基床动应力和道床应力通过路堤传递给地基土。
5.3　模型制作
路堤实体模型按1∶100或1∶50制作,根据路堤实际设计尺寸决定模型大小。地基模型采用现场原状土样,根据不同层厚度,按比例制成非均质土模型,特别是软土层,对它的厚度、状态作到精心模拟,然后进行加固措施处理后,模型结果形式见图1。
模型可制作成三种类型,一种是天然地基,观察在附加荷载加上后,地基应力应变特征和路基填筑过程中地基沉降过程曲线。二是模拟粉喷桩,三是模拟碎石桩,分别研究出加固深度和桩土合理置率,使沉降量控制在10cm左右。
5.4　模拟研究方案设计
(1)天然地基模拟:按野外成层厚度制作地基模型,并在一定深度埋设压力盒,孔隙水压力传感器,在地面安装沉降传感器,然后在100g情况下运行30min,恢复地基天然固结状态。地基达到充分固结后再施加路堤荷载和动静附加应力,最后使模型运行三年观测沉降变形。
图1　模型结构形式图

2)粉喷桩方案模拟:粉体材料利用我们研究出的三灰土方案,即水泥∶石灰∶粉煤灰=5∶2∶3,再加2%石膏添加剂。粉体初步按土重30%加入,施工配比等取土后研究确定。
粉喷桩设计参数为:桩径0.5m,深度10m,间距1.2m。试验过程是先让天然地基充分固结,然后进行搅拌桩施工,随后模拟路堤加载6个月。火车运行3年,测量出各阶段应力、应变曲线及沉降变化曲线。试验中可模拟两种桩土置换率和不同加固深度来研究沉降量。
(3)碎石桩方案模拟:碎石桩桩长模拟15m,桩径1.0m,间距2.0m。正方形布置,现场碎石粒径3～5cm,室内用平均粒径d50=1.5mm来模拟碎石,保持原型/模型粒径比在20～40之间,使模型材料不失真实性,模拟过程和粉喷桩方案相同。
5.5　建立地基沉降计算模型
结合离心模型试验测定的地基土的应力应变特征,地基沉降量,应用弹塑性力学、土力学、土动力学及岩土体水力学等多学科理论,建立软弱地基的地质与力学特性偶合数学模型,把加固后的软弱地基的沉降计算提高到一个新水平。
6　结束语
由于软土地基的复杂性,用现有公式的计算值不一定与实际沉降量相符,本文建议的加固方案、复合地基沉降计算模式,应结合土质采用离心模型试验进一步研究证实,使计算值与工后沉降量符合,实现高速铁路路基沉降控制。

参考文献
[1]　王其昌.高速铁路土木工程[M].成都:西南交通大学出版社,1999.
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