基于離心模型試驗(yàn)的海南膠濟(jì)客運(yùn)專線地基沉降特性研究

基于離心模型試驗(yàn)的海南膠濟(jì)客運(yùn)專線地基沉降特性研究

0變加速度加載法離心模型試驗(yàn)?zāi)M高速高產(chǎn)低地基層覆蓋層，充分反映了原型土壤結(jié)構(gòu)的沉降特征，預(yù)測(cè)土壤侵蝕，更好地指導(dǎo)土壤工程。這一直是市政工程專家的目標(biāo)。為更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)路基施工,研究者研究了多種實(shí)現(xiàn)分層填筑的離心模型試驗(yàn)方法,3種最具代表性的實(shí)現(xiàn)分層填筑的加載方法如下。停機(jī)加載法:停機(jī),填筑路基,開機(jī)運(yùn)行至設(shè)置加速度,然后再重復(fù)這個(gè)過(guò)程,其每層填筑均是在離心機(jī)停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行。謝永利等通過(guò)停機(jī)加載法研究了軟基變形性狀;饒錫保等通過(guò)停機(jī)加載法研究分級(jí)填筑路堤地基變形。變加速度加載法:在停機(jī)狀態(tài)下完成路基模型填筑,之后開機(jī)并加速至設(shè)置加速度,運(yùn)行至設(shè)定時(shí)間,然后再加速至另一設(shè)置加速度,期間不停機(jī)。章為民等通過(guò)變離心加速度加載法研究了土石壩分層填筑;丁金華等先填筑隔堤,通過(guò)離心機(jī)逐步加速模擬填筑速率,以恒定轉(zhuǎn)速模擬放置期,停機(jī)再填高攔淤堤,模擬軟基和吹填土加筋堤沉降特性;陳勝立等通過(guò)變加速度加載法研究了土工織物加筋墊層對(duì)防波堤和軟基的變形性狀影響;盧國(guó)勝等通過(guò)變加速度法研究攪拌樁處理軟土地基面和路基面的沉降特性;Wang等通過(guò)變加速度加載法實(shí)現(xiàn)路基分層填筑,模擬不同樁間距對(duì)濕陷性黃土地基沉降的影響。恒加速度加載法:離心機(jī)加速至設(shè)置加速度后保持不變,通過(guò)離心機(jī)內(nèi)設(shè)置的加料裝置,實(shí)現(xiàn)分層填筑。Bassett等通過(guò)設(shè)定專門的加料斗且在離心機(jī)高速穩(wěn)定速度下實(shí)現(xiàn)了分級(jí)填筑堤岸,堤岸材料使用的是萊頓-布扎爾德砂;Davies等使用同樣的方法對(duì)分層填筑路堤穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;Sharma等成功實(shí)現(xiàn)在離心機(jī)運(yùn)行下填筑路基,研究在軟基上加固路基的穩(wěn)定性;Allersma等通過(guò)電腦控制填筑裝置,在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行填筑土堤,并研究不同的填筑速率對(duì)變形的影響。既有的地基沉降研究多是采用其中一種試驗(yàn)方法,且很少與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由于恒加速度加載法受到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有離心試驗(yàn)系統(tǒng)的限制,本文僅使用停機(jī)加載法和變加速度加載法研究海南東環(huán)客運(yùn)專線(以下簡(jiǎn)稱“海東線”)花崗巖全風(fēng)化土地基和膠濟(jì)客運(yùn)專線(以下簡(jiǎn)稱“膠濟(jì)線”)非飽和粉質(zhì)粘土與粉土地基的沉降特性,并與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析采用其預(yù)測(cè)中等壓縮性土地基沉降的精度。1地基土物理參數(shù)試驗(yàn)對(duì)象為海東線DK67+620/630斷面花崗巖全風(fēng)化土(屬飽和中等壓縮性土)未處理地基和膠濟(jì)線DK218+950斷面非飽和粉質(zhì)粘土與粉土(屬非飽和中等壓縮性土)未處理地基。DK67+620/630斷面路基填高為5.0m,頂寬為13.4m,坡度為1∶1.5;DK218+950斷面路基填高為7.5m,頂寬為13.7m,坡度為1∶1.5。地基土物理參數(shù)見表1。文中含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。考慮到離心機(jī)模型箱尺寸限制,模擬路基為填高相同的單線標(biāo)準(zhǔn)路堤。海東線模型比尺n為60,膠濟(jì)線模型比尺n為80。模型尺寸及儀器埋設(shè)見圖1,尺寸單位為cm。1.1直流電機(jī)功率、水質(zhì)采用西南交通大學(xué)TLJ-2型土工離心試驗(yàn)機(jī),最大容量為100gt,最大加速度為200g,有效半徑為2.7m,直流電機(jī)功率為185kW,模型箱尺寸為80.00cm×60.00cm×60.00cm。1.2路基固結(jié)和加速度取現(xiàn)場(chǎng)土?xí)窀?碾碎,過(guò)篩,按原型土層密度和含水量配置地基重塑土,分層壓實(shí)制作地基模型,使其在設(shè)計(jì)加速度(海東線60g,膠濟(jì)線80g)下運(yùn)行20min,以模擬原型地基在地基自重應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)固結(jié)。按實(shí)際路基密度2.0g·cm-3分層壓實(shí)路基。在停機(jī)加載法中分4級(jí)完成路基模型填筑,在每級(jí)填筑完成后,離心機(jī)啟動(dòng)并運(yùn)行至設(shè)計(jì)加速度(海東線60g,膠濟(jì)線80g)。在變加速度加載法中一次性完成路基模型填筑,海東線加速度分別為15g、30g、45g、60g,膠濟(jì)線加速度分別為20g、40g、60g、80g。變加速度加載法模型制作見圖2。2加載及加載過(guò)程對(duì)總沉降的影響圖3為海東線與膠濟(jì)線試驗(yàn)斷面離心模型試驗(yàn)?zāi)M路基填筑過(guò)程所得的荷載、地基沉降與時(shí)間關(guān)系。由圖3可知,采用停機(jī)加載法和變加速度加載法產(chǎn)生的地基沉降具有相似的沉降特性:路基填筑初期,加載期沉降大,恒載期沉降小,隨路基填筑高度的增加,加載期產(chǎn)生的沉降呈減小趨勢(shì);另一方面,停機(jī)加載法產(chǎn)生的地基沉降比變加速度加載法大1倍左右。為進(jìn)一步比較2種離心模型試驗(yàn)方法,單獨(dú)分析每級(jí)路基荷載下產(chǎn)生的地基面總沉降及發(fā)生在加載期的沉降,可得每級(jí)荷載下加載期沉降占總沉降的比例隨路基加載過(guò)程的變化關(guān)系(圖4)及每級(jí)荷載下產(chǎn)生的地基面總沉降隨路基加載過(guò)程的變化關(guān)系(圖5)。由圖4可知,每級(jí)荷載下加載期沉降占對(duì)應(yīng)總沉降比例隨路基加載過(guò)程減小,至第4級(jí)加載后其所占比例均小于50%,從而可得隨路基填筑過(guò)程的進(jìn)行,沉降由以加載期產(chǎn)生的瞬時(shí)沉降為主逐漸變成以恒載期產(chǎn)生的固結(jié)沉降為主。由圖5可知,在同級(jí)荷載下,停機(jī)加載法的地基面沉降比變加速度加載法的大,且在路基填筑初期,二者沉降差值最大,隨著路基填筑高度的增大,二者差值逐漸減小。每級(jí)恒載期地基應(yīng)力見表2。由表2可知:每級(jí)加載下,停機(jī)加載法的地基同一深度的地基總應(yīng)力比變加速度加載法大,且路基填筑初期總應(yīng)力差值最大;隨著路基填筑高度的增加,二者之間的地基總應(yīng)力差值逐漸縮小,并最終趨于0;自重應(yīng)力表現(xiàn)出同樣的性質(zhì),而附加應(yīng)力差值則是先增大后減小,且二者差值較小。由此可知地基自重應(yīng)力差異是停機(jī)加載法和變加速度加載法沉降相差較大的主要原因。在表2中,總應(yīng)力為恒載期的實(shí)測(cè)值,自重應(yīng)力為計(jì)算值,計(jì)算式為σ=ρω2rhσ=ρω2rh式中:ρ為地基土密度;ω為角速度;r為離轉(zhuǎn)軸中心的距離;h為離地基面深度。3沉降擬合結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)分析結(jié)果,可將影響離心模型試驗(yàn)方法預(yù)測(cè)原型地基沉降特性的主要因素歸納為:地基自重應(yīng)力、路基填筑方式與速率等。只有當(dāng)離心加速度達(dá)到ng時(shí),模型中地基自重應(yīng)力才與原型地基自重應(yīng)力狀態(tài)相同,而在停機(jī)加載法加速階段、變加速度加載法加速階段和到達(dá)ng前的恒速階段均與原型地基自重應(yīng)力狀態(tài)不同。對(duì)于停機(jī)加載法,由于卸載、再加載過(guò)程而存在路基反復(fù)填筑問(wèn)題,對(duì)于變加速度加載法,由于一次性完成路基模型填筑而存在路基寬高比為常數(shù)的問(wèn)題。在離心機(jī)加速過(guò)程中模型地基自重應(yīng)力不斷變化,而在路基填筑過(guò)程中原型地基自重應(yīng)力不變,雖然可通過(guò)增大加載速率來(lái)減小這種差異所引起的誤差,但加載速率過(guò)快會(huì)導(dǎo)致地基產(chǎn)生過(guò)大的剪切變形。為減小離心模型試驗(yàn)加載方式上存在的部分缺陷對(duì)預(yù)測(cè)地基沉降的影響,本文采用以下數(shù)據(jù)整理方法:在停機(jī)加載法中刪除每級(jí)卸載與重復(fù)加載過(guò)程,并扣除其對(duì)應(yīng)的地基回彈量與沉降量,之后所得的地基沉降再乘模型比尺n,在變加速度加載法中路基填筑各階段地基沉降均乘模型比尺n。圖6為進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的荷載、沉降與時(shí)間關(guān)系。由圖6可知:應(yīng)用停機(jī)加載法和變加速度加載法產(chǎn)生的地基沉降特性相似,且與數(shù)據(jù)處理前沉降特性相同。在圖6的基礎(chǔ)上扣除發(fā)生在加載期的沉降,得圖7。用雙曲線擬合圖6、7的沉降數(shù)據(jù),擬合式為St=S0+(Sf-S0)(t-t0)/[b+(t-t0)]式中:S0為初始沉降;t0為初始時(shí)間;St為t時(shí)刻的沉降;Sf為最終沉降;b為擬合參數(shù)。擬合曲線與沉降數(shù)據(jù)相關(guān)性好,判定系數(shù)R2大于0.98,擬合結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知,填筑期完成的沉降占總沉降比例為:在未扣除加載期沉降時(shí),海東線DK67+620/630(停機(jī)加載法/變加速度加載法)地基各深度處沉降幾乎相等,其平均比值為88%;膠濟(jì)線DK218+950(停機(jī)加載法和變加速度加載法)沉降幾乎相等,其平均比值也為88%;現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)地基各深度處沉降幾乎相等,海東線DK67+620與630斷面平均比值為94%,膠濟(jì)線DK218+950平均比值為93%。由此可知,采用停機(jī)加載法和變加速度加載法路基填筑期完成的沉降占總沉降比例相同,均為88%,且與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的92%~95%接近。而扣除加載期沉降后,填筑期完成的沉降占總沉降比例明顯減小,且各深度沉降有差異。采用變加速度加載法所得的地基各深度處沉降均比停機(jī)加載法小,而比現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)大;采用停機(jī)加載法地基各深度處沉降修正系數(shù)比采用變加速度加載法的小,且沉降修正系數(shù)隨地基深度增大而減小。由表4可知,海東線DK67+620斷面(停機(jī)加載法)地基表層0~6.0、0~10.5m處壓縮量占總沉降的比例與DK67+630斷面(變加速度加載法)地基表層0~6.0、0~13.0m處接近,但均小于50%;膠濟(jì)線DK218+950斷面(變加速度加載法)地基表層0~6.4、0~11.0m處壓縮量占總沉降的比例小于50%,而現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)相應(yīng)深度壓縮量占總沉降的比例卻接近或大于50%,由此可知現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)主要沉降是由地基表層0~13.0m產(chǎn)生的,而離心模型試驗(yàn)卻不是。未扣除加載期沉降的地基單位厚度壓縮量具有以下特征:海東線采用變加速度加載法比停機(jī)加載法小,但比現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)大,膠濟(jì)線采用變加速度加載法地基表層0~6.4m處比現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)小,而6.4~11.0m處與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)接近;隨著地基深度的進(jìn)一步增大,離心模型試驗(yàn)值增大,而現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)值減小?？鄢虞d期沉降的地基單位厚度壓縮量表現(xiàn)為:海東線地基表層0~6.0m處的值比現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的值小,而6.0~10.5、6.0~13.0m處的值與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的值接近;膠濟(jì)線0~6.4、6.4~11.0m處均比現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)小;但隨地基深度的增大,離心模型試驗(yàn)的值增大,而現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的值減小。由以上分析可知,采用停機(jī)加載法和變加速度加載法所產(chǎn)生的沉降與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)既有相似之處,也存在較大的差異。其主要差異表現(xiàn)在以下兩方面:一是沉降值上的差異,即2種離心模型試驗(yàn)方法產(chǎn)生的地基各深度處沉降均比現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的大;二是沉降特性差異,現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的地基表層0~6.0、0~6.4、0~10.5、0~11.0、0~13.0m處產(chǎn)生的沉降較大,而離心模型試驗(yàn)相應(yīng)深度沉降卻較小?，F(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)地基單位厚度壓縮量隨地基深度增大而減小,而離心模型試驗(yàn)0~13.0m處地基深度范圍內(nèi)地基單位厚度壓縮量隨地基深度增大而增大。然而,停機(jī)加載法和變加速度加載法產(chǎn)生的地基沉降具有相同的特性,只是停機(jī)加載法產(chǎn)生的沉降更大些,且主要發(fā)生在加載期。綜合以上的分析可知,一方面,停機(jī)加載法和變加速度加載法產(chǎn)生的地基沉降特性與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)存在較大差異,很難精確預(yù)測(cè)花崗巖全風(fēng)化土地基及非飽和粉質(zhì)粘土、粉土地基那樣的中等壓縮性土地基沉降,所以對(duì)于具有高沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路及無(wú)砟軌道鐵路,使用離心模型試驗(yàn)的沉降結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際地基的沉降是不可行的;另一方面,這2種離心模型試驗(yàn)方法本身產(chǎn)生的地基沉降特性是相似的,其作為一種定性分析方法有一定的應(yīng)用價(jià)值。4采用多種方法對(duì)土地沉降特性的影響(1)采用停機(jī)加載法和變加速度加載法與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)得到的沉降特性存在較大差異,地基各深度處沉降均比現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)的大,且隨著地基深度增大,沉降修正系數(shù)減小,沉降差異增大;現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)地基6.0m范圍內(nèi)產(chǎn)生的沉降量占地基