中等压缩性土短桩网复合地基变形现场测试特性

2017-11-15 19:43:17 土木建筑与环境工程2017年5期

王敏+徐林荣

摘 要:为优化高速铁路中等压缩性土地基处理方案,依托赣龙高速铁路试验段,采用现场试验及理论分析方法,研究了短桩网复合地基的变形特性,并与天然地基进行对比。结果表明:复合地基加固区沉降占总沉降的62%~75%;地基侧向位移主要发生在预压土堆载期,20 m深度范围是主要的侧向位移层,在相似条件下,复合地基与天然地基沉降主要发生的时间、主要的沉降土层厚度及路基横断面沉降差异较大。结果显示了短桩网复合地基可有效控制中等压缩性土地基变形。

关键词:高速铁路;中等压缩性土;复合地基;天然地基;变形特性

中图分类号:TU441.6

文献标志码:A 文章编号:1674-4764(2017)05-0063-08

Abstract:In order to optimize the processing scheme of medium compression soil foundation, the short pile-net composite foundation deformation characteristics is explored using the method of field test and theoretical analysis on a test section of Ganlong high-speed railway, and its compared with the natural foundation. It is shown that the settlement of composite foundation reinforced area is 62%~75% of total settlement, the lateral displacement mainly occurred in preloading soil loading period and 20m depth is the main layer. Under similar conditions, the main stage of settlement, the main settlement layer thickness and settlement of cross section are quite different between composite foundation and natural foundation. The results show that the short pile-net composite foundation can effectively control the deformation of the medium compression soil foundation, which can provide reference for similar projects.

Keywords: high-speed railway;medium compression soil;composite foundation;natural foundation;deformation characteristics

路基變形控制是确保列车安全、平顺运行的前提条件[1-2],主要由两部分组成:路基本体变形、地基变形,而地基变形是路基变形控制研究的重点[3]。同时,随着列车运营的提速,地基变形控制的要求愈加严格,而对变形特性的深入了解是解决变形控制问题的重要前提,故变形特性的研究就成为工程设计中的主要问题之一[4]。

地基变形特性主要可归纳为空间特性和时间特性两个方面。空间特性主要包括路基横断面沉降差异[5]、加固区及下卧层差异[6-7]、桩土沉降差[8-9]等;在时间特性上,主要有各建设阶段沉降值比较及沉降预测[10-11]等。在高速铁路路基的勘察设计中,大量承载力在150 kPa以上的黏性土、粉土、砂类土、卵砾石类土大多属于非饱和土范畴[12],压缩性和渗透性比较复杂,其变形的时间及空间特性与饱和土有很大的不同[13]。已建及在建的一些高标准无砟轨道工程,对该类地基大都采用CFG桩、旋喷桩等进行加固[14],而现场试验和长期监测表明:经处理后的路基实测沉降量很小,远低于理论计算结果[15]。因此,地基处理方案、设计的加固间距、加固深度均存在着一定的优化空间。随着中国高速铁路网的大规模建设,对中等压缩性土地基的沉降变形特性开展试验研究,对于指导无砟轨道路基地基处理设计、施工,促进高速铁路路基工程地基处理技术发展等具有重要意义。

1 试验段概况及现场试验方案

2.1 试验段概况

试验工点位于赣州市于都县小密镇附近,里程:DK86+998.0~DK87+191.2,长193.2 m。

试验段土层由上至下依次为:

1)Q4al+pl含砾黏土,褐黄~棕黄色,硬塑,黏性土为主,土质较均匀,刀切面较光滑,局部含砾,含量2%~5%,粒径2~10 mm,多为砂粒、细圆砾,层厚0.5~>20 m。

2)Qel+dl含砾黏土,棕黄色,硬塑,以黏性土为主,土质较均匀,部分夹铁锰结核,切面粗糙,局部含砾,砾石含量5%~30%,粒径2~20 mm,个别达60 mm,多为砂岩风化碎块,棱角状、碎块状,层厚5.9~20 m。

3)C2h灰岩,青灰色,弱风化。岩溶较发育。通过对已钻钻孔分析,灰岩埋深18.7~31.8 m,钻孔揭示溶洞埋深22.4~57 m不等,大小为0.4~5.1 m,均无充填,溶洞见洞率71%,单孔线性岩溶率0~43.4%,平均线性岩溶率22%。

试验区内地表水以大气降水为主,地下水主要为碳酸盐岩类岩溶水,其次为第四系孔隙潜水,埋深1.5~12.7 m,受季节变化的影响较大,水动态不稳定。由于区内第四系地层直接覆盖在石炭系之上,因此,地表水与地下水的含水层有密切的水力联系,第四系孔隙潜水与石炭系岩溶裂隙水两者为互补型。endprint

根据机动钻探取样分析结果,结合平板载荷试验和静力触探试验成果,根据《铁路工程地质勘察规范》的统计方法,对地层的成因、时代、物理力学特征等进行分析、统计,取得主要土工参数指标,如表1所示。

2.2 现场试验方案

为分析含砾黏土地基不同加固方案中地基沉降随时间、荷载的变化规律,在DK87+070.0~+168.0采用堆载预压(预压土柱高2.0 m)处理,DK87+168.0~+191.2采用CFG桩(6 m)+堆载预压(预压土柱高2.0 m)处理。CFG桩复合地基中桩正方形布置,间距1.6 m,桩径0.5 m,桩长6 m。桩顶垫层(0.4 m厚碎石垫层+0.2 m中粗砂)内铺设单层单向聚丙烯土工格栅(TGDG100 kN/m),其延伸率≤10%。路基顶面宽13.2 m,边坡斜率1∶1.5。

根据工点地层情况,布置了4个测试横断面(参考图1)。主要布设的观测测试元件及测试内容:地面沉降、路基面沉降、分层沉降、地基侧向(水平)位移测试断面一览表见表2。

主要测试内容如下:

1)分层沉降:采用采用单点沉降计进行监测,分别布置于路基中心线附近及两侧路肩,埋置深度在24~29 m之间,与中心沉降板对应设置;观测地表以下各点(层)的沉降,以了解加荷过程中、工后地基土的沉降量。分层量测系统由多个单点沉降单元(YH-2620A单点位移计)与PVC管串接而成,适用于测试多层土壤与相对不动点之间的垂直位移变化。多单位移计量程200 mm,分辨率0.01 mm,采用YH6406手持便携读数仪采集数据。

2)地基深层侧向(水平)位移观测:采用测斜仪进行地基深层水平变形观测,估算侧向位移所产生的沉降,设置在路堤坡脚处,共4个断面埋设,每个观测断面设置2个孔。侧向位移量测系统有PVC测斜管和XB338-2型滑动式测斜仪组成,测斜管直径70 mm,测斜仪量程范围0~53°,分辨率0.000 4°。

各断面测点编号及埋设位置如表3所示。

2 地基变形特性测试数据分析

2.1 路堤基底横向差异沉降

为保证运营的安全及平稳,不但要求工后沉降满足标准,对轨面的平整状态也有严格规定,横向不均匀沉降会引起轨面在水平面上高低偏差,从而影响高速列车的正常运行。基于此,以DK87+100~DK87+185试验段沉降监测数据为基础,对建设期路堤基底横向差异沉降特性展开分析。

从图2可见,总体上,路堤基底横向沉降大致呈盆状,中心沉降大,两侧较小;表3显示了近路基中心线处地基沉降稳定的速度较远路基中心线处快。路基填筑期中心距2.2 m处路堤基底已完成沉降的91%,预压土填筑期沉降完成93%;中心距4.4 m处路堤基底在路基填筑期沉降完成86.7%,预压土填筑期沉降完成90%;中心距8.8 m处路堤基底在路基填筑期沉降完成84%,预压期填土堆载完成后沉降完成88.7%。表4所显示的DK87+155路堤基底横断面沉降特性与DK87+185断面相似,均显示出了在路基填筑期间,路堤基底便已完成总沉降的84%以上,预压土堆载完成后沉降已完成总沉降的90%,且近路基中心线处地基沉降稳定的速度较远路基中心线处快。

对照上述两个试验段的分析,DK87+185断面的地基处理方式为“堆载预压+桩网复合结构”,其路堤基底横断面“沉降盆”的矢跨比为1.48,而DK87+155断面的地基处理方式为堆载预压,其横断面“沉降盆”的矢跨比为5.30,是DK87+185断面的3倍左右,其橫断面沉降的“盆”状较DK87+185断面更为明显,表明了桩网复合结构能极大地提高天然地基的整体性。

2.2 地基分层沉降

2.2.1 沉降随时间及荷载变化特性 分层沉降监测的目的在于分析不同深度地基沉降特性。本项目中,分层沉降利用单点沉降计进行监测,埋设于地基中路基中心线附近,沉降填土高度时间曲线见图3。

从图3及表6可知:

1)DK87+100在路基填筑期沉降29.54 mm,沉降速率为0.15 mm/d,完成总沉降的83.5%;DK87+155沉降23.13 mm,沉降速率为0.12 mm/d,完成总沉降的79.9%;DK87+175沉降39.56 mm,沉降速率为0.20 mm/d,完成总沉降的81.1%;DK87+185沉降23.10 mm,沉降速率为0.12 mm/d,完成总沉降的91.7%;路基填筑速率为0.013 m/d。总体上看,天然地基在路基填筑完成后已完成沉降的79%~84%,其沉降速率基本与路基填筑速率一致,而复合地基则完成了总沉降的81%~92%,其沉降速率是路基填筑速率的1~1.7倍,说明桩网复合地基沉降主要发生在路基填筑期,而天然地基在堆载预压期仍有较大沉降。

2)堆载预压时间超过1个月时,4个试验段的沉降占总沉降的比值均超过94%,沉降速率为0.015~0.028 mm/d;预压时间超过5个月时的沉降均超过总沉降的98%,沉降速率为0.001~0.015 mm/d;而高速铁路无砟轨道铺设轨道的沉降速率要求是“≤0.088 mm/d”,表明中等压缩性土地基的堆载预压时间要求相对较低。

3)对于桩网复合地基,断面DK87+175加固区的沉降量36.29 mm,占总沉降的74.4%,下卧层的沉降量12.46 mm,占总沉降的25.6%;断面DK87+185,加固区的沉降量15.56 mm,占总沉降的61.7%,下卧层的沉降量9.64 mm,占总沉降的38.3%。对比天然土地基断面DK87+100和断面DK87+155,在深度为6 m的沉降量分别约占总沉降的28.3%和51.8%。表明复合地基加固区的沉降占总沉降的比例是天然地基在与复合地基加固区同等深度范围的1~3倍。

2.2.2 地基沉降随深度变化特性endprint

地基沉降随深度变化情况见图4。由图可知:不同地基处理方式下,地基的主要沉降土层厚度差异较大。对地基处理方式为堆载预压的DK87+100及DK87+155进行分析可知,DK87+100断面24 m厚土层沉降占总沉降的90%,DK87+155断面占总沉降90%的土层厚度大概在18 m左右;对比桩网复合地基DK87+175及DK87+185断面,其占总沉降的90%的土层厚度为14~15 m。天然地基主要沉降土层厚度是复合地基的1.3~1.7倍。

3.3地基侧向位移

地基侧向位移采用测斜仪进行观测,每个观测断面共两个测点,对称分布在左右路堤坡脚处。

由图5可知:

1)预压土堆载期地基土层侧向位移的增大速率是路基填筑期的5倍左右,是静置期侧向位移的增大速率的10倍左右。例如,图5(b)中,路基填筑期间(2013-11-11—2014-05-27)最大侧向位移出现在0.5 m深度处,平均侧向位移速率为0.021 mm/d;从2014-05-27—2014-06-18预压土堆载期间,平均侧向位移速率为0.109 mm/d;2014-06-18堆载完成后的4个月静置期间,平均侧向位移速率为0.007 mm/d。2)路基填筑期地基侧向位移速率是路基填筑速率的1.5倍左右。例如,图5(b)中,路基填筑期间平均侧向位移速率为0.021 mm/d,路基填筑速率为0.013 m/d。3)深度20 m范围内地基侧向位移占总侧向位移的75%以上,是主要的侧向位移层。例如,图5(a)中测斜管在监测结束时,深度 0~10 m 范围内的侧向位移超过 15 mm;深度15~20 m 范围的侧向位移基本保持在5 mm之内;埋深20 m处侧向位移在 0 mm 左右小幅波动。4)CFG桩对土体侧向位移有较好的束缚作用。对比仅用堆载预压处理的试验段DK87+100~155及采用堆载预压+CFG桩处理的DK87+175~185段可见,CFG桩端附近处土体的侧向位移出现明显的拐点(见图5(c)、图5(d)),可知CFG桩对土体的侧向位移有一定的约束作用,CFG桩的应用有效增强地基土的整体性。

3 结论

以赣龙高铁试验段为工程背景,通过现场测试及理论分析的方法,对中等压缩性土地基沉降特性研究得到以下结论:

1)复合地基沉降主要发生在路基填筑期,而天然地基在堆载预压期仍有较大沉降。复合地基在路基填筑完成后已完成了总沉降的81%~92%,其沉降速率是路基填筑速率的1~1.7倍,而天然地基在路基填筑完成后已完成沉降的79%~84%,其沉降速率与路基填筑速率基本一致。

2)路基中心沉降稳定速率快于两侧路肩;天然地基横断面“盆”状沉降较复合地基更为明显。预压土填筑完成后路基中心处沉降已完成总沉降的93%,而中心距4.4、8.8 m处分别完成总沉降的90%、88.7%;天然地基“沉降盆”的矢跨比为5.30,而复合地基仅为1.48,前者是后者的3倍左右。

3)桩网复合地基加固区沉降占总沉降的62%~75%,下卧层沉降占总沉降的25%~38%,其加固区的沉降占总沉降的比例是天然地基在与复合地基加固区同等深度范围的1~3倍。

4)不同地基处理方式下,地基的主要沉降土层厚度差异较大。天然地基主要沉降层厚度为18~24 m,而复合地基主要沉降层厚度为14~15 m,天然地基主要沉降土层厚度是复合地基的1.3~1.7倍。

5)深度20 m范围内地基侧向位移占总侧向位移的75%以上,是主要的侧向位移层;CFG桩对地基土侧向位移有一定的约束作用。

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(編辑 王秀玲)endprint