高速鐵路較薄軟土地基現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)研究

高速鐵路較薄軟土地基現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)研究

1較薄軟土地基處理的必要性由于軟土具有高含量、高壓縮性和中等強(qiáng)度的特點(diǎn)，因此需要對(duì)軟土壤條件進(jìn)行處理。通過置換、排水固結(jié)、貫入固化物、振密及擠密、加筋及冷熱處理等方法處理后，地基穩(wěn)定性得到了很好的解決，且能控制軟土地基一定變形。我國東部地區(qū)軟土地基分布廣泛，隨著客運(yùn)專線的即將興建，控制軟土地基穩(wěn)定性和變形量是非常突出的工程問題。大部分軟土地基采用以橋代路處理后，仍有大量的較薄軟土地基。以往這些地基不處理或經(jīng)過一定的處理后能夠滿足普通鐵路對(duì)穩(wěn)定的要求，但在高速鐵路對(duì)沉降變形的高標(biāo)準(zhǔn)要求下很難滿足變形要求，因此，需要通過試驗(yàn)研究采用不同處理方法處理較薄軟土地基的變形特性及處理效果，確定合理、經(jīng)濟(jì)的處理方法。筆者等對(duì)某鐵路全線作了系統(tǒng)分析，選擇某鐵路Dkl71+900～Dkl72+300為試驗(yàn)段，進(jìn)行了加固方案的對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果為今后該地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)鐵路的修建提供參考。2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)試驗(yàn)段地基地層自上而下巖性依次為：(1)表層al+lQ4為黏砂土，厚1.5～3.0m；(2)淤泥質(zhì)砂黏土，流塑，厚3.0～5.0m，含水量W=38.6%，孔隙比e=1.25，重度γ=18kN/m3，壓縮模量Es=2.54MPa，壓縮系數(shù)a1-2=0.75MPa-1，比貫入阻力ps=460kPa，徑向固結(jié)系Cr=1.09×10-3cm2/s，豎向固結(jié)系數(shù)Cv=1.59×10-3cm2/s。(3)砂黏土、粉砂，厚度大于5.0m。為了探索較薄軟土地基是否滿足高標(biāo)準(zhǔn)的工后沉降要求，根據(jù)軟土地基處理方法的適用性，選擇排水固結(jié)法和復(fù)合地基方法，采用的工程措施見表1。根據(jù)試驗(yàn)不同處理方法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，共設(shè)置了10個(gè)觀測(cè)斷面，并在每個(gè)斷面進(jìn)行了各種觀測(cè)元件的埋設(shè)。其他方法較為常見，如袋裝砂井+爆炸固結(jié)方法是地基處理的新方法，即在軟基中鉆鑿深孔，將炸藥置于需加固處理的深度進(jìn)行爆炸，利用爆炸產(chǎn)生的巨大能量形成較高孔壓，并在上覆壓力和較好的排水條件(袋裝砂井)下，使孔壓盡快消散，地基水排出，承載力提高。具體的施工順序是：先鋪設(shè)50cm砂墊層再打設(shè)袋裝砂井，間距為3m，正方形間隔布置，原地面以下深度9m，再按圖1堆載不同高度虛土，進(jìn)行5次成孔爆炸，爆炸孔采用袋裝砂井機(jī)成孔，間距為3m，深度為原地面下9m，爆炸完卸土繼續(xù)路基填筑。5次爆炸試驗(yàn)的爆炸參數(shù)見表2。3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1土體地表沉降和側(cè)向位移爆炸區(qū)段觀測(cè)斷面典型的地表沉降曲線見圖2，有明顯的共同特征：經(jīng)過瞬間爆炸后地表急劇沉降；其后為緩慢沉降持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，沉降量并不大；繼續(xù)大量填土再次出現(xiàn)較大的地表沉降，整個(gè)曲線呈現(xiàn)明顯的樓梯踏步形狀。以Dk172+080斷面為例，見圖3。2002年9月22日和23～24日的兩次爆炸第二天均使土體地表發(fā)生明顯的瞬時(shí)豎向沉降。第二次爆炸產(chǎn)生瞬時(shí)沉降后約一周時(shí)間內(nèi)，土體地表沉降明顯減少且有所波動(dòng)，而后地表沉降隨著路基填筑再次開始緩慢的增大，但9月27日至10月13日的半個(gè)月時(shí)間里沉降量在與爆炸后一周的沉降量已經(jīng)很小。側(cè)向位移也有兩種現(xiàn)象（以Dk172+080為例，見圖4）：其一，爆炸瞬時(shí)均使土體發(fā)生很大側(cè)向移動(dòng)，如22日的爆炸使深為9m的軟土層在1～7m的位置發(fā)生最大為25mm的側(cè)向位移，24日的爆炸繼續(xù)使土體發(fā)生較大側(cè)向移動(dòng)；其二，爆炸后的一周內(nèi)土體側(cè)向移動(dòng)雖增加但較緩慢，約一周后，土體側(cè)向位移逐漸回縮，約20d后回縮基本穩(wěn)定。隨著路基填筑進(jìn)行，側(cè)移繼續(xù)增大。3.2在排水板等載預(yù)壓處理區(qū)添加(1)地面沉降(2)所有段落均沉沒(3)轉(zhuǎn)向位移(4)多層下降3.3粉噴樁處理區(qū)域(1)地面沉降(2)所有段落均沉沒(3)轉(zhuǎn)向位移(4)多層下降(5)土壤壓力3.4砂墊層處理區(qū)該區(qū)段地基在原地面下2.2m左右夾有40cm的泥炭層，在5.5m深度夾有一層約1.5m左右的淤泥質(zhì)黏土，軟土層厚度最薄。(1)地面沉降(2)其他變形4不同處理方法的比較分析本次試驗(yàn)中加固方法可分為不處理、排水固結(jié)法和復(fù)合地基法，排水固結(jié)可作為中間方法與其他兩種進(jìn)行對(duì)比。4.1理區(qū)dk171+71的斷面確定塑料排水板處理區(qū)段的淤泥質(zhì)黏土厚度約為5m，砂墊層處理區(qū)段的淤泥質(zhì)軟土較薄，為進(jìn)行有效對(duì)比，對(duì)砂墊層處理區(qū)Dk171+980斷面采用在其他條件不變的前提下假設(shè)在原地面下3.5～8.5m深度為軟土層時(shí)的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，地基只進(jìn)行砂墊層處理的工后沉降是較大的，比通過塑料排水板加等載預(yù)壓處理的要大22～27cm。表3為不同方法處理后剩余沉降達(dá)到10,5cm需要的時(shí)間對(duì)比，結(jié)果表明排水板處理非常合理而必要。4.2與工裝砂井加爆炸法區(qū)同為排水固結(jié)方法的塑料排水板加等載預(yù)壓法區(qū)（Dk172+100～200）和袋裝砂井加爆炸法區(qū)（Dk172+000～100）的地質(zhì)條件較相似，路基填筑時(shí)間基本一致，地表沉降特性、工后沉降等具有較好的可比性。4.2.1結(jié)合正壓監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的地表沉降變化各觀測(cè)斷面的路基填筑和地表沉降曲線如圖8所示。由于地基硬殼層的存在，塑料排水板處理的地基地表沉降在路基填筑前期沉降較小，路基填筑高度超過2～2.5m，填筑加荷比較集中，沉降增長(zhǎng)較快，地表沉降曲線呈現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階型式。爆炸處理斷面形成了兩個(gè)臺(tái)階型式，即爆炸使地表一周之內(nèi)產(chǎn)生較大沉降，由于爆炸使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞并重新固結(jié)，振動(dòng)使地基產(chǎn)生側(cè)向變形顯著，地表沉降較大，推算最終沉降比塑料排水板處理的大4～5cm。圖5和圖7分別為路基填筑過程中爆炸處理區(qū)和排水板處理區(qū)典型的坡腳側(cè)向位移變化情況。兩個(gè)分區(qū)側(cè)移都形成“勺子”形，在9m深度范圍內(nèi)側(cè)移較大，對(duì)坡腳最終側(cè)移沿深度方向進(jìn)行積分可知，兩種處理方法產(chǎn)生的側(cè)移總量極為接近，但是側(cè)移的發(fā)展過程區(qū)別明顯。排水板處理區(qū)側(cè)移隨著路基填筑荷載的增長(zhǎng)，側(cè)移不斷增長(zhǎng)，路基填筑完后側(cè)移趨于穩(wěn)定。爆炸處理區(qū)經(jīng)過爆炸后短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大側(cè)移，先回縮趨于穩(wěn)定，隨著路基填筑的正式進(jìn)行，繼續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度比排水板處理的幅度小。4.2.2工后沉降比較兩種方法處理下的工后沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，可見6個(gè)觀測(cè)斷面的工后沉降比較接近，均在5cm范圍之內(nèi)，表明這兩種方法工后沉降的控制是比較有效的。4.3塑料屋頂層析成像處理和粉噴樁復(fù)合基質(zhì)處理兩種方法處理區(qū)段的地基淤泥質(zhì)黏土厚度較為接近，路基高度接近4m，填筑荷載時(shí)間較為一致。結(jié)果表明兩種方法處理較薄軟土地基效果明顯。4.3.1沉降速率對(duì)比圖9為排水板加等載預(yù)壓處理和粉噴樁復(fù)合地基處理區(qū)段的填筑速率和沉降速率對(duì)比結(jié)果，兩區(qū)段的填筑速率基本一致，在兩個(gè)階段的填筑過程中，沉降速率相差較大，第一階段沉降速率較為接近，排水板區(qū)段偏大，第二階段粉噴樁區(qū)段的速率保持在2mm/d以內(nèi)，而較為緩和，而排水板處理區(qū)段的沉降速率增加較大，最大值達(dá)到5mm/d。4.3.2塑料排水板段沉降表5為兩種處理方法的工后沉降統(tǒng)計(jì)，粉噴樁處理區(qū)段工后沉降不超過2.2cm，塑料排水板區(qū)段經(jīng)過51d的預(yù)壓，工后沉降已經(jīng)不足5cm。2003年5月底，路基填筑完成時(shí)，粉噴樁區(qū)段的剩余沉降不足4cm，排水板區(qū)段的剩余沉降超過10cm，因此進(jìn)行預(yù)壓是必要的。5基地質(zhì)質(zhì)量與地基處理的確定通過對(duì)較薄軟土地基處理、填筑試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)分析，得到了如下結(jié)論：(1)袋裝砂井加爆炸固結(jié)法處理軟土地基加快了排水固結(jié)速度，產(chǎn)生了相對(duì)較快的初期沉降。(2)試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算表明，對(duì)于該5m厚度的淤泥質(zhì)黏土地基，必須進(jìn)行地基處理才滿足高速鐵路路基工后沉降不大于5cm的要求。(3)從處理效果、工期、工藝、造價(jià)綜合對(duì)比可知，對(duì)地基條件為淤泥質(zhì)黏土厚度為5m的情況，路橋過渡段及有沉降差要求嚴(yán)或工期要求緊的情況下可采用粉噴樁處理，而大量軟土路堤處理，在工期允許情況下可采用排水固結(jié)法結(jié)合填土預(yù)壓。(4)較薄軟土地基下臥層的后期沉降應(yīng)進(jìn)一步深入研究。(1)地面沉降(2)所有段落均沉沒(3)地下水位監(jiān)測(cè)鋪軌后利用在路肩上設(shè)置的鐵板繼續(xù)觀測(cè)，典型的沉降與路堤荷載曲線見圖5。路基填筑時(shí)間比較集中在2003年4～6月期間，故從2003年4月開始產(chǎn)生明顯的地表沉降，在5～6月間就發(fā)生了10cm的沉降。地基沿整個(gè)斷面呈鍋底型變化，中間沉降較大，兩邊較小，至2003年10月Dk172+134路基中心沉降量為20.2cm,Dk172+172路基中心沉降為22.8cm。側(cè)向位移變化分為路基填筑堆載期和堆載卸載后兩個(gè)階段：在第一階段土體側(cè)向水平位移隨荷載增加而增加呈現(xiàn)很好的規(guī)律，第二階段是7月15日堆載卸載后，測(cè)斜管開始有所回縮，并于8月基本穩(wěn)定。典型側(cè)移如圖6所示，土體側(cè)向位移主要發(fā)生在8m以內(nèi)，最大側(cè)移速率為3.2mm/d。2003年4月以前應(yīng)變較小，5～6月發(fā)生較大壓縮，應(yīng)變隨填筑荷載增加較快；主要壓縮發(fā)生在9m深度范圍之內(nèi)，占測(cè)試厚度壓縮量的60%～80%。不同間距粉噴樁處理后地基的地表沉降(圖7)均在10cm之內(nèi)；2003年3～6月，4個(gè)月內(nèi)填筑了60～62kPa，地表沉降約占總沉降的70%以上。路基全斷面沉降呈鍋底型。至2003年10月Dk172+215,Dk172+280觀測(cè)斷面路基中心最大沉降分別為4.8,6.4cm。土體的側(cè)向位移較小，最大值在40mm以內(nèi)，最大側(cè)移速率為1.1mm/d。分層應(yīng)變?cè)?‰以內(nèi)，主要沉降壓縮發(fā)生在8m范圍之內(nèi)，粉噴樁以下土層仍有一定壓縮。對(duì)格柵上下的壓力測(cè)試表明，在格柵上部樁頂和樁間土應(yīng)力差異較小，格柵下部差異較大，地基上部荷載經(jīng)過土工格柵后，促使樁體和樁間土承擔(dān)壓力重新合理分布，至路基填筑完樁頂土壓力為350～360kPa。填筑前期沉降量較小，2003年