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第 24 卷 第 5 期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.5 2005 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2005 收稿日期：收稿日期：20030804；修回日期：修回日期：20031222 作者简介：作者简介：王 祥(1970)，男，1995 年毕业于上海铁道大学铁道工程专业，现为博士研究生、工程师，主要从事岩土工程设计、施工与科研方面的工作。E-mail：。铁路软土地基沉降测试分析铁路软土地基沉降测试分析 王 祥1，2，周顺华1，顾湘生2，陈大鹏2(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点试验室上海 200331；2.铁道第四勘察设计院，湖北 武汉 430063)摘要：摘要：以广珠准高速铁路软土路堤试验沉降测试结果为例，对软土地基处理中的坡脚外边桩沉降、地表横纵向差异沉降、侧向位移引起的沉降等问题进行了分析，并提出了沉降计算中地基压缩土层厚度的确定方法。对大变形的深厚软土地基，在沉降和稳定计算中应考虑沉降引起的路堤填筑荷载的增加值；对铁路路堤，可不考虑不同地基处理方法引起的竣工后差异沉降；在进行沉降计算时，宜针对地基的不同位置，分别采用应力法和应变法确定地基土体压缩层的厚度。关键词：关键词：地基基础；软土地基；沉降；压缩层厚度；准高速铁路 中图分类号：中图分类号：TU 472；U 213.1+5 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2005)05090506 TESTING STUDY ON SETTLEMENT OF TREATED SOFT SOIL GROUND OF RAILWAY WANG Xiang1，2，ZHOU Shun-hua1，GU Xiang-sheng2，CHEN Da-peng2(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200331，China；2The Fourth Survey and Design Institute of China Railway，Wuhan 430063，China)Abstract：Taking the results of the test on the treated soft ground of the GuangzhouZhuhai Quasi-High-Speed Railway for example，the settlement of the border piles beside the embankment toe，transverse and lengthways differential settlement of the surface，and the settlement caused by horizontal displacement are discussed.The method to determine the thickness of the compressed layer in calculating the settlement of soft ground is proposed.In the computation of settlement and stability of embankment，the additional load caused by settlement of embankment on the large-deformation soft soil ground which is deep and thick should be considered.For the railway embankment，the differential post-construction settlement induced by different ground treatment method need not to be considered.The results show that in the calculation of foundation settlement，the method of controlling strains and the method of controlling stresses should be used respectively，according to the specific positions of the foundation，to determine the thickness of the compressed layer.Key words：ground and foundation；soft soil ground；settlement；thickness of compressed layer；quasi-high-speed railway 1 引引 言言 随着沿海快速铁路通道的建设，准高速铁路较高的工后沉降标准和沿海地区广泛分布的深厚软土使广大工程技术人员面临新的挑战。为了探讨处理深厚软土地基的方法及各处理方法的性状，铁道第四勘察设计院在珠海斗门开展了高应力水平的软土路堤填筑试验研究，试验取得了预期的结果，得到了许多有益的结论，指导了广珠准高速铁路软土路 906 岩石力学与工程学报 2005 年 堤的修改设计。广珠准高速铁路软土路堤试验测试内容丰富，本文仅以各断面的变形观测结果为基础，对铁路软土地基沉降测试结果进行分析。2 工程概况及沉降观测实施方案工程概况及沉降观测实施方案 2.1 工程概况工程概况1 广珠(广州珠海)准高速铁路及珠海港支线穿越第四系松软地层广泛分布的珠江三角洲平原地带，全线软土路堤长达 50.3 km。软土试验路堤位于珠海斗门县白蕉镇，北距斗门干道 700 m 左右，南邻通往新白蕉镇的公路约 200 m。试验路堤选择在 DK122+366.02+690 的直线地段，路堤长323.98 m，路基面宽 12 m，设计路堤高约 6.4 m(含预压土高 1.4 m)。试验工作于 1995 年 11 月开始，1996 年 10 月完成预压土填筑，在预压荷载作用下观测至 1997 年 12 月，历时 26 个月。试验路堤地处三角州平原地区，地势平坦，场地及周围遍布渔塘、稻田。地质纵断面资料表明，地层土质分布较均匀，层位稳定。其地层上部为第四系近代滨海陆相特征显著的海相混合沉积的松软层，下部为寒武系八村群砂页岩。第四系海陆相沉积层自上而下为：(1)粘土：褐黄色，软塑，厚 2 m，表层 0.4 m 为种植土；(2)软粘土：浅灰深灰色，流塑，厚 12 m，层中交互沉积有许多薄层粉砂，属中等灵敏性粘土，其中 29 m 深的土层为正常固结土，914 m 深的土层为欠固结土，OCR 约为 0.6；(3)淤泥：深灰色，流塑，厚约 12 m，底部普遍为一层厚 12 m 的粉砂层，为欠固结土，OCR 约为0.6；(4)淤泥：深灰色，流塑，厚 5.517 m，中间厚，两端薄；(5)细砂、中砂夹粘土：棕黄色，松散中密，厚 27 m，中部薄，两端厚。试验断面土层物理力学指标统计见表 1，试验断面位置及处理方式见表 2。2.2 沉降观测实施方案沉降观测实施方案 沉降观测主要是通过埋设在路堤基底不同位置的沉降板、路堤断面中心的深层沉降环、路堤坡脚外 28 m 处的边桩来完成。一般在路堤左、右和中心位置的地表面埋设沉降板，观测路堤在填筑期间的沉降，以控制路堤的填筑；观测预压期间的沉降，并根据实测沉降资料对最终沉降进行推算。各断面埋设 59 个深层沉降磁环，一般沿地基中心土体每隔 23 m 埋设一个磁环，测定处理区与下卧层的压缩情况及各分层压缩情况。边桩埋设在距离路堤坡脚 2，8 m 处，用以控制路堤的填筑速率，确保路堤在施工过程中的稳定。表表 1 试验断面土层物理力学指标统计试验断面土层物理力学指标统计 Table 1 Physical and mechanical properties 固结快剪 快剪 深度 h/m 含水量 W/%重度 /kNm3 孔隙比e 塑性指数 IP 液性指数IL 压缩模量Es/MPa竖向固结系数 Cv/103cm2s1径向固结系数 Ch/103cm2s1 ccu/kPa cu/()cu/kPau/()014 54.50 16.7 1.50122.6 1.34 1.79 1.385 1.930 15.1 17.7 8.863.561426 64.53 16.1 1.82325.0 1.20 1.29 1.183 1.234 11.0 14.4 7.921.232643 51.10 16.6 1.60025.3 1.12 1.92 4.545 32.0 11.9 11.002.71 表表 2 试验断面位置及处理方式试验断面位置及处理方式 Table 2 Experimental position and methods of ground treatment 断面号 断面位置 中心实际填高 p/m 埋沉降板处软土厚度 H/m处理方式 2#DK122+410450 7.00 33.0 粉喷桩，桩长 16 m，桩径 0.5 m，间距 1.2 m 3#DK122+450510 8.54 33.5 2 层土工布，塑料排水板深 20 m，间距 1.2 m 4#DK122+510555 8.26 35.9 2 层土工布，塑料排水板深 20 m，间距 1.0 m 5#DK122+555600 8.38 40.2 3 层土工布，塑料排水板深 22 m，间距 1.0 m 6#DK122+600645 8.05 38.0 1 层土工布及 5 m(宽)2 m(高)反压护道，排水板深 20 m，反压护道下排水板深 16 m，间距 1.0 m 7#DK122+645667.5 7.81 32.0 2 层土工格栅，塑料排水板深 20 m，间距 1.0 m 7#DK122+667.5690 8.23 31.4 2 层土工网，塑料排水板深 20 m，间距 1.0 m 注：中心实际填高含施工期沉降，塑料排水板及粉喷桩均采用正三角形布置。第 24 卷 第 5 期 王 祥等.铁路软土地基沉降测试分析 907 3 沉降测试分析沉降测试分析 3.1 边桩沉降边桩沉降(5#断面观测结果断面观测结果)从图 1 边桩沉降随时间、荷载(也即填筑高度)变化曲线中可知，在路堤填筑过程中，随着荷载的增加，无论是坡脚外 2 m 处还是坡脚外 8 m 处的边桩沉降均近似随时间呈线性增加，边桩的沉降无突变，这说明路堤在填筑过程中是稳定的。其线性公式分别为 S1=0.34t+0.9，S2=1.627t+0.7 和 S3=2.3305t+0.4(S 单位为 mm，t 单位为 d)，相关系数均很高，几乎为 100%。边桩最大沉降为 53.7 cm，沉降板内插坡脚处的沉降达 73.4 cm，如此大的沉降对理论的沉降及稳定计算已产生较大的影响，因此设计时，在计算沉降稳定安全系数时应计及沉降引起的路堤填筑荷载的增加值，否则得出的沉降值将偏小、得出的稳定安全系数将偏大，都偏不安全。图 1 边桩沉降随时间、荷载变化曲线 Fig.1 Curves of settlement with time and loading 3.2 地表横断面差异沉降地表横断面差异沉降 路基地表各阶段横断面差异沉降坡度变化见表 3。从表 3 中可以看出，对于同为塑料排水板处理的断面，有 3 层土工布的 5#断面横向差异沉降坡度最小，平均只有 2.01%。就试验中所用的土工合成材料而言，土工布对差异沉降有较好的调整作用，土工网调整差异沉降的能力比土工格栅强，3 层土工布对差异沉降的调整能力比 2 层土工布强，虽然6#断面只有 1 层土工布，但由于有反压护道，差异沉降比 3#，4#断面小。对于同设 2 层土工布的 3#，4#断面，由于地基中打设的塑料排水板间距不同，间距小的差异沉降小。无论何种土工合成材料，对基底应力的调整均在进入预压期后已经完成，表现在差异沉降上为进入预压期后变化很小。因此可以认为，铺设有土工合成材料的软土路堤进入运营期后，不会产生新的较大的差异沉降，因此也不会对运营产生危害。总的说来，各种土工合成材料均能较好地调整路堤基底的差异沉降，且由于广珠准高速铁路大部分的软土较深厚，地基变形大，此种条件下延伸率较大的土工布也能达到较好的变形协调，可考虑以土工布作为主要的补强材料1。经粉喷桩处理的 2#断面，其差异沉降的值最大，且有进一步增大的趋势，这说明粉喷桩调整差异沉降的能力较小。为减少差异沉降，可在粉喷桩上铺设土工合成材料来调整路堤基底的应力分布，达到均化基底应力的目的。3.3 地表纵断面差异沉降地表纵断面差异沉降 表 4 为纵断面差异沉降。由表 4 可知，由于地质情况的差异与处理方法的不同，纵向的沉降差是比较大的。粉喷桩处理的 2#断面与塑料排水板处理的 3#断面之间的沉降差值达 1 298 mm，造成这两个断面交界处产生横向裂缝；同为塑料排水板处理的3#和 6#断面的差异沉降也达 494 mm。虽然纵向的差异沉降较大，但大部分沉降发生在填筑期。进入预压期后，各断面的剩余沉降相差并不大，纵向坡度为 0.3%2.0%，只要在铺轨时对道碴稍作调整，就可满足使用要求。表表 3 路基地表各阶段横断面差异沉降坡度变化表路基地表各阶段横断面差异沉降坡度变化表 Table 3 The change of transverse differential settlement grade in different time on the surface of roadbed%2#3#4#5#6#7#7#时间 i21 i23 i21 i23 i21 i23 i21 i23 i21 i23 i21 i23 i21 i23 填筑到位时 2.30 4.88 4.31 3.202.254.291.921.853.092.893.06 3.18 1.292.49预压约 3 个月 2.50 5.59 4.32 3.602.254.661.912.603.043.323.21 2.91 1.472.86预压约 6 个月 2.62 6.17 4.33 3.642.254.781.702.073.373.003.27 2.76 1.452.90平均值 4.01 3.90 3.41 2.01 3.12 3.07 2.08 注：i21为中、右沉降板差异沉降坡度值，i23为中、左沉降板差异沉降坡度值；除 4#，7#断面板左、右距板中距离为 9，5.5 m 外，其余断面沉降板左、右距沉降板中分别为 5.5，9 m；平均值指每个断层的差异沉降坡度值不同时期的平均。05101996.3.2 1996.5.31 1996.8.29 1996.11.27填筑高度/m 600400200沉降(右 9#桩，距坡脚 2 m)沉降左 111#桩，距坡脚 2 m)沉降(左 112#桩，距坡脚 8 m)S1 S2 S3 沉降/mm 时间/年.月.日 908 岩石力学与工程学报 2005 年 表表 4 纵断面差异沉降纵断面差异沉降 Table 4 The lengthways differential settlement of the surface 断面号 填筑到位时沉降/mm 最终沉降/mm 纵向坡度/%2#804 1 714 3#2 211 3 012 4#2 009 2 768 5#1 897 2 684 6#1 715 2 518 7#1 794 2 580 注：纵向坡度由最终沉降减填筑到位后的沉降除两断面长度而得。3.4 侧向位移引起的沉降估算侧向位移引起的沉降估算 侧向位移引起的沉降估算一般采用等效面积法进行，即取一横截面，侧向位移与坡脚垂线所围成的面积等于沉降盘的面积2。如图 2 所示，F=A1+A2。简化为侧向位移引起的沉降估算：侧S=1.5F/B，B=b+b1，b 为路面宽，b1为一边边坡的宽度。计算结果见表 5。图 2 侧向位移引起的沉降估算示意图 Fig.2 Estimation schematic of the settlement induced by horizontal displacement 表表 5 侧向位移引起的沉降侧向位移引起的沉降 Table 5 The settlement induced by horizontal displacement 断面号 A1+A2/cm2 B/cm S侧/cm S侧占总沉降的比例/%2#6 458 2 010 4.8 2.80 4#25 866 1 990 19.5 7.04 5#21 214 1 970 16.1 6.00 6#19 491 2 440 12.0 4.77 7#14 065 2 010 10.5 4.05 由表 5 可以看出，粉喷桩处理的侧向位移引起的沉降最小，仅为塑料排水板处理断面的 30%左右，这说明粉喷桩对侧向位移有一定的约束作用，即粉喷桩具有一定程度的抗剪性。土工网由于调整不均匀沉降的能力较强，对地基产生侧向位移的约束亦强，因此 7#断面的侧向位移较小。而 4#断面的土工布只有 2 层，对地基产生侧向位移的约束弱，不均匀沉降较大，侧向位移引起的沉降也较大。总的来说，侧向位移引起的沉降是较小的，仅占总沉降的2.80%7.04%。3.5 地基沉降计算中压缩层厚度标准的探讨地基沉降计算中压缩层厚度标准的探讨 在软土地基上修建各种工程结构物，合理的确定压缩层厚度对投资有着十分重要的影响。如果确定得过深，将会造成不必要的浪费；而过浅，轻则延误工期，重则对后期的运营造成危害，也将造成经济损失。许多研究者均对沉降计算中地基压缩层厚度进行了探讨，但看法并不一致25。现以试验段 5#断面的工程地质条件该断面软土最厚)和实测沉降结果及其他断面的沉降测试结果，对此进行探讨。3.5.1 沉降计算中两类确定压缩层厚度的方法 对于地基压缩层厚度的确定方法，主要有两类，一类为应变控制法(以下简称应变法)，如国家标准文6；另一类为应力控制法(以下简称应力法)，如交通部行业标准文7及铁道部行业标准文8等。考虑本文中特定的工程地质情况(软土厚度)，对于应力控制法中的附加应力p 与有效应力 p0之比取p/p00.2。3.5.2 5#断面沉降分析 5#断面的各点位置示意见图 3。以应变控制法和应力控制法两种不同确定压缩层的方法，对 5#断面的各点沉降及压缩层厚度进行计算，结果见表 6，其中，实测沉降采用双曲线法外推得到，双曲线法推算较合理9；应变控制法与应力控制法计算沉降值均由单向分层总和法，再乘以由沉降速率法10推算的 ms而得。图 3 5#断面的各点位置示意图 Fig.3 Arrangement of measuring points of section 5 中心线 ACD EB b B A1 b1/2 b1 A2 b1 b1/2FH 2.00.80.70.40.3第 24 卷 第 5 期 王 祥等.铁路软土地基沉降测试分析 909 表表 6 5#断面沉降及压缩层厚度计算表断面沉降及压缩层厚度计算表 Table 6 Settlement and thickness of the compressed layer of section 5 沉降值/mm 压缩层厚度/m 点号 相对中 心点距 离/m 应变控制法 应力控制法 实测值 应变控制法 应力控制法A 0.0 2 430 3 143 2 695 23.0 38.0 B 5.5 2 492 2 878 2 661 27.3 37.2 C 9.0 2 136 2 373 2 567 30.1 36.1 D 15.7 1 430 1 109 749 40.2 31.5 E 21.7 818 324 204 40.2 21.6 根据表 6 的计算压缩层厚度，可得相对中心点距离与压缩层厚度关系图，见图 4。图 4 相对中心点距离与压缩层厚度关系图 Fig.4 Relationships of the thickness of the compressed layer and distance to the center 由图 4(因为该断面钻孔深度最大为 40.2 m，大于该值的地层为推测，图中用虚线表示)可知，应变控制法与应力控制法得到的压缩层厚度有一交叉点，交点向右(即偏离中心点)压缩层厚度相对变化较快，应变法得到的压缩层厚度增大较快，而应力法得到的压缩层厚度减少较快。由表 6 也可看出，两者沉降值的变化规律也与压缩层厚度的变化规律相同，在中心点附近区域，应变控制法得出的沉降值较接近实测值；而在远离中心点地区，应力控制法得出的沉降值更为合理。图5为5#断面中心A点压缩层厚度的推算图(实测不同深度的最终沉降由实测深层沉降值按双曲线法推算而得)。从图中可知，虽然压缩层厚度由附加应力、土层特性决定，但各深度由实测沉降推算的最终沉降沿深度变化的规律性很好。因此，可确保推算压缩层厚度的合理性。3.5.3 各断面中心实测压缩层厚度与计算厚度对比 根据图 5 的原理，得到各断面中心实测压缩层厚度。表 7 为各断面中心实测压缩层厚度与计算厚度对比表。图 5 5#断面 A 点压缩层厚度的推算 Fig.5 The computative thickness of the compressed layer 表表 7 各断面中心实测压缩层厚度与计算厚度对比各断面中心实测压缩层厚度与计算厚度对比 Table 7 The theoretic thickness of the compressed layer and test data 压缩层厚度/m 断面号 应变控制法 应力控制法 实测值 3#22.9 33.5 23.6 4#24.0 35.9 25.6 5#23.0 38.0 27.0 6#23.0 36.0 26.4 7#24.0 31.4 25.4 由表 7 可知，采用应力控制法计算压缩层时，即使选用p/p00.2 为控制条件，其得出的值也远比实测值大，若采用比 0.2 更小的值，得出的压缩层厚度将更大；而采用应变控制法为控制条件得出的值与实测值较接近。因此，对于中心点的压缩层厚度采用应变控制法为控制条件较合理。但是正如文3指出，应变控制法求出的压缩层厚度，越偏离中心其值越大，这与外荷所产生的附加应力分布规律是不相符合，此时得出的压缩层厚度与实际发生的情况并不相符。基于上述的分析，笔者认为在沉降计算中，地基压缩层厚度的确定宜综合采用应变控制法与应力控制法，如图 4，在交点左边即靠近中心点地区的压缩层厚度采用应变控制法确定；交点右边即远离中心点地区的压缩层厚度采用应力控制法确定。当然，工程实用中更关心的是地基的最大沉降，而地基的最大沉降一般为中心点的沉降，因此，许多研究者的研究结果(如文2，4，5)表明应变控制法得到的压缩层厚度更合理。由于其所采用的实测010203040505 10 15 20 25应力控制法 应变控制法 相对中心点距离/m 压缩层厚度/m 6070S=0.100 7H2.723 6 R=0.999 3210302010 深度 H/m 沉降 S/m 910 岩石力学与工程学报 2005 年 值也是中心点的，因此正如前述，对于该点，应变控制法得出的压缩层厚度较为合理，当然其得出的沉降值亦较为合理。这也是特定条件下得到的结论。4 结结 语语 (1)对于大变形的深厚软土地基，在地基沉降量和路堤的稳定安全系数计算中，均应考虑填筑过程中，由于地基沉降而增加的路堤荷载对计算产生的影响，以免造成较大的误差。(2)铺设有土工合成材料的塑料排水板处理断面，其路堤基底的差异沉降较小，且进入预压期后，其值是收敛的；而粉喷桩处理路堤的差异沉降发展应引起注意。各种土工合成材料均能较好地调整路堤基底的差异沉降，且由于广珠铁路大部分的软土较深厚，地基变形大，这时延伸率较大的土工布也能达到较好的变形协调，可考虑以土工布作为主要的补强材料。(3)不同处理方式的断面纵向差异沉降较大，但不会对运营造成危害。侧向水平位移引起的沉降较小，仅为总沉降的 2.8%7.04%，而粉喷桩对地基产生侧向水平位移的约束能力较强。(4)基于应变法和应力法在确定沉降计算中压缩层厚度时的优缺点，笔者认为宜综合两者的合理之处，分别采用不同的计算方法，应更具合理性。当然文中所提出的方法，仅出于工程实际应用的考虑，并没有太多的理论依据，也需要得到更进一步实测值的证明。致谢致谢 参加广珠准高速软土路堤填筑试验研究工作的还有杜文山、李小和、陈明德、陈 占、吴 东、李燕君、肖汉英、杨正发等，对他们的辛勤工作一并表示衷心的感谢！参考文献参考文献(References)：1 杜文山，李小和，陈明德等.深厚层软土路堤控制后期沉降加固方法的研究A.见：铁道第四勘察设计院.软土地基试验研究文集C.武汉：中国地质大学出版社，2001.313359.(Du Wenshan，Li Xiaohe，Chen Mingde，et al.Research on the method of controlling post construction settlement of embankment on the deep and thick soft soil groundA.In：The Fourth Survey and Design Institute of China Railway ed.Corpus of Experimental Research on Soft Soil GroundC.Wuhan：China University of Geosciences Press，2001，313359.(in Chinese)2 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