高速铁路中低压缩性黏性土地基沉降控制

张强

摘要：依托吉珲铁路、张呼铁路等高速铁路，通过室内试验、现场测试、理论计算等方法研究了中低压缩性黏性土的基本工程特性和变形特性，并结合沉降实测结果进行了地基沉降变形时效性及沉降控制效果分析。

关键词：高速铁路；中低压缩性黏性土；地基变形特性；沉降控制

1概述

截至2017年底，我国高速铁路运营里程已达2.5万公里，稳居世界第一。高速铁路对轨道结构的平顺性有极其严格的要求，路基工后沉降控制标准高（无砟轨道路基过渡段不大于5mm）。已有相关研究成果表明，高速铁路路基变形主要为地基变形，对于高速铁路而言，路基沉降控制的研究重点为地基变形控制研究[1]。

在高速铁路路基勘察设计中，经常遇到地基承载力在150kPa以上的黏性土地基，其压缩系数一般介于0.1～0.3MPa-1之间，该类地基的变形随时间发展特性与饱和软黏土有很大的不同，实测沉降值远低于理论计算结果［2］。余雷、崔俊杰等人提出将地基土按照压缩系数a0.1-0.2划分为低、中低、中高、高压缩性四类［2］，将压缩系数介于0.1～0.3MPa-1之间地基土划分为中低压缩性土，以区别于松软土等。

由于无砟轨道路基工后沉降控制精度达到了毫米级，而沉降计算方法仍采用经典理论，尤其是在广泛分布的第四系地层上修建高铁，按现行设计理论几乎所有土质地基均需处理，有些硬塑土层加固桩长达30米以上，每公里地基处理费用达到了2000万元以上。本文开展中低压缩性黏性土地基变形特性及沉降控制研究，对地基处理方式的合理性、经济性进行优化。

2中低压缩性黏性土的基本工程特性

依托吉珲铁路、张呼铁路项目选取了典型硬塑黏性土地基试验工点，对黏性地基土进行了全面系统的土工试验，包括：含水率试验、密度试验、压缩试验、直剪试验、三轴试验等，测试了该类地基土的基本物理力学参数，见表1。

表1中低压缩性黏性土物理力学指标统计表

试验工点黏性地基土属中低压缩性土，具有天然含水率低、孔隙比小、饱和度高、压缩系数小、强度高等工程特性，此外，还具有超固结特性。

3中低压缩性黏性土地基变形随时间变化特性

在试验工点代表性地开展了地基沉降长期监测，其中吉珲铁路+320断面在线路中心、左路肩、右路肩处对应的基底各布置了1组物位计，并进行了分层沉降监测；张呼铁路+700断面在线路中心对应基底位置埋设了1组物位计。沉降测试结果见图1。

图1中低压缩性黏性土地基P-T-S曲线

线路中心、左路肩、右路肩处对应的基底沉降曲线规律性基本一致，线路中心基底沉降量略大于两侧路肩处基底沉降量。路基填筑开始后，地基沉降快速发展，路基填筑期间沉降完成比例达80%以上，填筑完成后1~3个月内路基沉降完成比例达90%。总体来说，经过冲击压实等浅层处理后，该类地基的总沉降量较小，吉珲铁路+320断面路基填高达6m，对应路基中心实测最大沉降量为32.3mm，张呼铁路+700断面加上预压填土最大填高达到8m，路基中心实测最大沉降量仅约18.1mm。

4中低压缩性黏性土地基沉降控制

4.1天然地基沉降计算方法

对于中低压缩性黏性土地基，总沉降建议按下式进行计算[3]：

式中，ms为沉降经验修正系数；Sc为主固结沉降。

主固结沉降采用分层总和法计算，分为压缩模量法、e-p曲线法、e-lgp曲线法。总沉降计算值需采用沉降修正系数对主固结沉降进行修正。

（1）压缩模量法

式中，ΔPi为路堤荷载对第i层土中点的附加应力，kPa；Esi为第i层土的压缩模量，kPa；n为地基分层层数；hi为第i层土的厚度，m。

（2）e-p曲线法

式中，e0i为第i层土中点自重应力所对应的孔隙比；e1i为第i层土中点自重应力与附加应力之和对应的孔隙比。

（3）e-lgp曲线法

正常固结、欠固结土层：

式中，Cci为土层的压缩指数；P0i为第i层土中点的自重应力，kPa；e0i为第i层土中点对应于Pci时的初始孔隙比；Pci为第i层土中点的前期固结压力，kPa，正常固结时Pci=P0i；ΔPi为路堤荷载对第i层土中点的附加应力，kPa。

超固结土层：

对于有效附加应力ΔP＞Pc-P0的土层，沉降量按下式计算：

对于ΔP≤Pc-P0的土层，沉降量按下式计算：

式中，Csi为土层的回弹指数。

4.2地基沉降理论计算及修正

选择吉珲铁路+320和+340断面作为计算断面，路基荷载采用比例荷载法计算，天然地基附加应力采用Boussinesq解，采用Es、e-p、e-logp三种方法计算了未考虑列车轨道荷载情况的粉质黏土层主固结沉降，并按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）［4］沉降经验修正系数进行修正，修正后的计算总沉降见表2。

表2计算总沉降修正结果

粉质黏土层为超固结土，理论计算总沉降由小到大的方法依次为e-lgp法、e-p法、Es法，其中e-lgp法考虑了地基土前期固结压力及超固结性，其计算结果最接近实测沉降量。对于具有超固结特性的中低压缩性土地基，建议按照前期固结压力情况采用e-lgp法分段计算地基沉降变形。

4.3地基沉降变形时效性分析

根据现场实测沉降数据得到路基填筑后不同摆放期沉降完成比例，如表3所示。

表3路基填筑后不同摆放期沉降完成情况

结果表明，中低压缩性黏性土地基在路堤填筑期间沉降完成的比例较高，摆放1～3个月后，大部分沉降均已完成。在路堤填筑完成时沉降完成68%～78%，摆放1个月后沉降完成84%～86%，摆放3个月后沉降完成91%～92%，摆放6个月后沉降完成93%～94%，摆放12个月后沉降完成97%～98%。

4.4地基沉降控制效果分析

吉珲铁路硬塑粉质黏土地基试验段，仅采用冲击压实对表层进行处理，实测最大沉降量约32.3mm，理论计算工后沉降约4.0mm；张呼铁路硬塑黏土地基试验段采用冲击压实结合预压处理，实测最大沉降量约29.0mm。根据铺轨前变形观测分析结果，两试验段路基预测工后沉降量满足有砟轨道高铁的工后沉降要求，甚至可以达到无砟轨道的工后沉降控制标准。

5研究结论

（1）中低压缩性黏性土具有天然含水率低、孔隙比小、饱和度高、压缩系数小、强度高等工程特性，多具有超固结性。

（2）中低压缩性土地基经过冲击压实等浅层处理后，路基总沉降量较小，考虑其超固结特性，建议按照前期固结压力情况采用e-lgp法分段计算地基沉降变形。

（3）中低压缩性黏性土地基在路基填筑开始后，沉降发展迅速，路基填筑施工期沉降完成比例可达70%左右，经过短期放置（2～3个月）沉降可完成90%左右，路基填筑完成6~12个月沉降完成比例可达到95%。

（4）在中低压缩性黏性土地基条件下，若能保证一定路基填高、总沉降量可控、堆载放置时间够长，即使不进行深层地基处理，地基的工后沉降仍然有可能满足无砟轨道的铺设要求。

参考文献:

[1]中国铁路总公司工程设计鉴定中心等.高速铁路路基工程地基沉降控制技术研究[R].北京:中铁工程设计咨询集团有限公司,2015.

[2]余雷,崔俊杰.高速铁路地基土压缩性分类及中低压缩性土变形特性研究[C].北京:高铁工务技术交流会,2016.

[3]中华人民共和国铁道部.TB10106-2010铁路工程地基处理技术规程[S],北京:中国铁道出版社,2010.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB5007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.