高速铁路深厚软土地基物理力学特性分析及沉降控制

2021-04-22李鑫

铁道勘察 2021年2期

李鑫

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

深厚软土普遍存在于我国东北地区，表现为明显的“三高两低”特性(高含水率、高孔隙比、高压缩性、低渗透性、低强度)[1]。随着高速铁路大规模建造，如何正确分析地基深厚软土力学特性以及有效控制路基地基沉降，已经成为高速铁路设计和施工的关键性技术之一[2]。

为解决软土“三高两低”工程问题，雷华阳等针对天津滨海地区吹填土的工程力学特性进行广泛的研究，利用室内载荷试验和数值模拟开展对双层软黏土地基的承载特性及破坏模式研究[3-4]；豆红强借助有限元软件，研究超高填方路堤荷载下传统复合地基桩体的受荷模式及路基稳定性[5]；邵国霞依托于路基工程，开展多种复合地基处理深厚软土路基的现场试验，并研究不同垫层条件下管桩复合地基受力和变形规律[6]。为进一步研究软土地基路基物理力学特性，依托东北地区某新建350 km/h的高速铁路路基工程，通过一系列宏观试验，并结合工后沉降检算，提出适用于该片区的地基加固手段。

1 工程地质概况

代表性工点位于开峰林场1号大桥与开峰林场2号大桥之间，线路以填挖相间通过，地形略有起伏，大部分为林区，植被茂密；线路中心最大填高为5.56 m，路堤边坡最大高度为8.0 m，线路中心最大挖深为3.25 m，路堑边坡最大高度为3.50 m，工点线位平面位置如图1所示。

图1 工点平面位置

1.1 地层岩性

上覆第四系全新统冲洪积层黏土，层厚8 m，硬塑，σ0=120～160 kPa；粉质黏土，层厚2 m，硬塑，σ0=160 kPa。第四系下更新统坡洪积层黏土，层厚4 m，硬塑，σ0=180 kPa；粉质黏土，层厚4 m，硬塑，σ0=180 kPa。下伏第四系下更新统玄武岩，强风化σ0=500 kPa，弱风化σ0=1 000 kPa。现场工点钻探取样如图2所示。

图2 钻探取样

1.2 水文地质条件

路基区域内地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，勘测期间地下水埋深为1.40～9.10 m(高程785.04～798.94 m)，主要由大气降水补给，水位季节变化幅度2.0～3.0 m，地下水对铁路混凝土结构不具侵蚀性。

1.3 其他条件

土壤最大冻结深度1.98 m；

地震动峰值加速度：0.05g(Ⅵ度)；

特殊岩土：表层黏性土具中等膨胀性。

2 地基土物理特性

为对工点范围内地基土的物理特性进行研究，选取DK387+140处钻探土样进行天然含水率、天然密度、初始孔隙比、饱和度、液塑限等物理指标测试[7-8]。

表1揭示了松软土各项试验数据随地基深度变化的规律，土样的天然密度随着深度变化不大，天然密度在1.89～1.92 g/cm3范围内波动，土样饱和度均在85%以上，表明高饱和度是软土的共同特点[9]；天然含水率随深度逐渐提高，在深度8 m处达到最高值，8 m以下土样含水率呈下降的趋势，14 m深度的土样含水率降至最低；初始孔隙比随深度的变化规律与含水率变化规律相似，土样在2～8 m区间范围内，指标逐渐上升，在8 m处到达峰值，8 m深度以下，初始孔隙比与饱和度逐渐降低，在14 m位置处降至最低。这可能是由于各深度软土处于不同的固结状态[10]，从而导致数值的差异。

表1 试验土样基本物理参数

液性指数是判断土软硬状态的指数，用于确定黏性土的状态和极限承载能力[11]。图3为各深度土样液性指数随深度的变化情况，可以看出，在表层0～4 m范围内，液性指数≤0.25，土体处于硬塑状态；4～12 m范围内液性指数大多在0.25～0.32之间，处于可塑状态；14 m以下，液性指数达到最低值0.18，这时土体处于硬塑状态。由此可见，表层土体(0～4 m)相较于中层土体(4～12 m)为一硬壳层[12]。底层土体(>14 m)的液性指数最低，这与上述含水率、孔隙比的变化规律相吻合，同一种土含水量越大则液性指数越大，土质越软。进一步说明同一种软土，由于所处固结状态不同，在不同深度范围各项物理特性指标在一定范围浮动。

图3 液性指数随土层深度变化曲线

3 地基土力学特性

3.1 试样准备及试验方案

为进一步探究地基土力学特性随土层深度的变化规律，选取DK387+140、DK387+150两处土样进行无侧限抗压强度试验、直接剪切试验、压缩试验，试样制备如表2所示，试样及试验仪器如图4所示。

表2 试验土样制备

图4 试样及试验仪器

3.2 地基土力学特性分析

在无侧限抗压强度试验中，不对试块侧边加以限制，而实际上，地基土具有侧限抗压强度，故无侧限抗压强度只是一种理论试验值[13]。图5描述了钻探土样无侧限抗压强度随深度的变化规律，可以看出，两处土样无侧限抗压强度随深度变化的趋势相似，在0～8 m深度范围内，无侧限抗压强度随深度不断下降，在8 m位置处最低(约50 kPa)；在8～14 m的深度范围内，无侧限抗压强度不断上升，在14 m深度处的强度与表层强度接近(接近70 kPa)，其原因可能是深度4～8 m位置处存在软弱夹层，致使土体无侧限抗压强度在8 m附近最低。

图5 无侧限抗压强度随土层深度变化曲线

黏聚力的大小直接反应出土体颗粒之间的相互吸引力[14]，图6为土样黏聚力随土层深度变化的曲线，两处土样在0～8 m深度范围内，黏聚力不断下降，在8 m位置处黏聚力为最低点，强度下降约20%。8 m以下，黏聚力逐渐回升，14 m处黏聚力恢复到表层硬壳层的强度。这可能是由于表层土(0～4 m)与底层土体(>14 m)固结程度较高，孔隙水压力消散程度较高，土颗粒之间的间距较小，因此土体颗粒之间的相互吸引力较高。土的内摩擦角是评价土体抗剪强度的重要指标，图7揭示了内摩擦角随土层深度的变化曲线，与黏聚力随土层深度的变化规律相似，在0～8 m深度范围内，内摩擦角随土层深度不断降低，下降约1/4；自8 m深度以下，内摩擦角数值不断回升，在深度14 m处，达到最高值，其数值约为8 m处的2倍。

图6 黏聚力随土层深度变化曲线

图7 内摩擦角随土层深度变化曲线

压缩模量是衡量土体压缩性高低的一个重要指标，也是用来计算地基沉降的一个重要参数[15]。图8描述了土样压缩模量随取样深度的变化规律，可以看出，整体上地基土的压缩模量在4～15 MPa范围内，属于中压缩性土，取样深度在0～8 m范围变化时，压缩模量随深度增加不断下降，在8 m位置处，仅为6 MPa，接近高压缩性土与中压缩性土的界限值；8 m深度以下，土样压缩模量逐渐上升，在14 m位置处压缩模量约为11 MPa，相较于8 m位置的土样，压缩模量提高近一倍；这与无侧限抗压强度、黏聚力随深度的变化规律一致，证实4～8 m位置处存在软弱夹层的可能性。

图8 压缩模量随土层深度变化曲线

4 沉降检算及地基处理

对于350 km/h高速铁路无砟轨道路基，规范要求一般地段工后沉降≤15 mm，桥台台尾过渡段工后沉降≤5 mm。选取DK387+140处作为代表性断面进行沉降验算，因DK387+140断面不在过渡段范围内，沉降按15 mm控制，沉降检算采用《规范》推荐法。

(1)

工后沉降与桩长的关系曲线如图9所示，结果显示，桩长为8～16 m时，工后沉降随着桩长变化线性降低，采用8 m桩长时，工后沉降高达50 mm，这是由于地基土在8 m深度附近存在软土夹层，致使沉降不能满足规范要求，当CFG桩长增加至16 m时，工后沉降降至15 mm，工后沉降降低约70%，这说明CFG桩穿透软弱土层至持力层后，工后沉降满足规范要求，当桩长继续增加时，工后沉降变化不大，考虑到工程造价的因素，该区域的最优桩长为16 m。