软弱地基沉降控制措施与技术

软弱地基沉降控制措施与研究技术摘要:要保证客运专线和高速铁路正常运行,路基沉降必须得到有效控制。本文结合秦沈客运专线软弱地基段土质特性,提出了地基沉降控制的加固措施、计算方法和试验研究方案,对进一步开展这项工作有一定指导意义。关键词:土质特性;复合地基;加固方案;离心模型试验1前言为了保证高速铁路的正常运营,达到高速标准,在软弱地基上填筑路堤,地基的沉降变形必须得到严格控制。否则,地基过大的施工后沉降,特别是不均匀沉降,将导致轨道表面的不平顺,降低乘客的舒适度,严重时甚至引起行车事故。如日本东海道新干线,由于路基的严重下沉,1965～1975年间中断行车200多次,列车平均运行速度降到100～110km/h,大大低于设计时速220km/h。我国第一条时速200km以上的秦沈客运专线已进入试验段施工阶段,全面施工指日可待,京沪高速铁路也酝酿日久。本文结合秦沈客运专线,研究了软弱地基段的工程地质特征,指出必须对地基进行加固处理,提出了加固方案、加固后地基沉降计算模式和试验研究方案,对进一步研究有一定指导意义。2秦沈客运专线松软地层地质特征及稳稳定性评价自1998年11月铁道部科教司召开天津会议,研究秦沈客运专线软弱地基沉降控制方案和施工技术后,我们及时收集了专运线的勘察试验资料。其土质测试资料见表1。表1秦沈客运线松软地层物理力学性质指标根据勘察结果,秦沈客运专线软弱地基分两个段落,下面分别加以说明:(1)松软土质:CK254+500到CK261+150,长6650m,地表有一硬壳层,厚度1.3～2.7m,土质为粘土或粘砂土,呈软塑状态,γ=18.7kN/m3,C=24.8kPa,φ=6.9°,强度130kPa左右。硬壳之下为松软土层,厚度为1.6～11.4m,土质为砂粘土、粘砂土或粉细砂层。粘性土呈流动状态,γ=18.3kN/m3,C=5.5kPa,φ=6.2°,强度95kPa。砂土呈饱和状态,强度100kPa,松软土层孔隙比0.81～1.13。压缩系数为0.12～0.85kPa-1,平均为0.47kPa-1,接近高压缩性土,该段地下水埋深1.0～2.4m。该类土可定为高压缩性,低强度土体,底部硬层埋深,浅者4m,深者19m,土质为砂粘土和粘砂土,γ=19.3kN/m3,C=16.3kPa,φ=9.5°,强度160kPa,软弱层作为持力层,土体必须经过改良加固才能保证路基沉降和地基强度要求。(2)软土段:CK261+150到CK263+430,长度2280m。该软土是以夹层存在。表层3～5m厚为硬壳层,土层为砂粘土和粘砂土,强度120～130kPa。硬壳层之下为软土,软土厚度1.5～4.0m,呈流塑状态,容重γ=18.3kN/m3,C=5.5kPa,φ=4°,强度90kPa。软土之下为软弱砂粘土、粘砂土夹粉细砂层。软弱砂粘土、粘砂土层成层厚度一般4～5m,薄者2～3m,呈可塑状或流塑状,砂层呈饱水状态,强度100～140kPa。该处软弱地层揭示的最大深度为20m左右。地层的显著特点是可塑层与流塑层相间出现,强度较低,改良加固深度可按双层地基持力层计算确定,该段地下水埋深2.3～4.1m。3复合地基沉降计算模式软弱地基加固后,按复合地基理论计算沉降变形,复合地基沉降计算目前还不成熟,不少学者专家都是结合自己的研究成果提出了计算方法。通常情况下,把复合地基的沉降量分为两部分,一是加固土层的沉降量S1;二是加固层之下下卧层的沉降量S2。复合地基总沉降量为S=S1+S2。根据勘测结果,结合秦沈客运专线软弱土地区土质特性,可采用粉体搅拌桩和振动碎石桩进行加固,其沉降计算方法说明如下。3.1粉体搅拌桩粉体搅拌桩加固地基可按柔性桩复合地基计算沉降量。其加固土层的沉降量,可采用复合模量法(EC法)或应力修正法(ES法)进行计算。下卧层沉降量可用分层总和法进行计算。3.1.1复合模量法复合模量法是将复合地基加固层中增强体和土体两部分视为一个复合土体,采用复合压缩模量ECS来评价其压缩性。采用分层总和法计算加固层的沉降量S1。其计算式为犹式奴中量,煎Δ孤P宫i耀为除第胃i俘层复合土练体上附加筋应辩力宴;H肚i腿为挺第灶i呼层复合土刊的厚劣度堵;Ecs勾i点为险第近i何层复合土萝体压缩模葡量。土体永压缩模总量俊Ec浅s昌通常采用星面积加权仍平均法计奶算卷,即械式劫中皱,Eps区,Es厉s辱分别为桩依体和桩间策土体压缩裁模投量嘱;取m牵为复合地举基桩土置妻换率。复锁合模顺量呼Ec蜡s足也可以通慈过复合土伸体室内试器验确定。晃采用复合妨模量法计约算复合地顾基加固层估沉降量时榨,遍为简化计雕算迁,点工程应用筹上常将加泊固层视为漏一陷层浸,慨其表达式敏为鞋式眠中处,偿P淋、站P励b丰分别为加僵固层顶面木作用荷载士和底面附救加应部力欠;骑h忌为加固层台厚齿度纵;Ec术s歪为复合地净基压缩模怠量。为了接准确计算返沉降油量次,珠应进行部情分补充勘毅探取样工亩作厌,大当查出土锣层性质柳差画,逝桩下端能漆发生较大印的刺入沉东降柄,纪或桩土置谊换率较低才时可采用本应力修正触法计算沉麻降。这样琴会取得较凡好效果。拦3.1.株2垫应力修合正暗法雪(E无s耐法寸)存在采用应盯力修正法涛计算压缩沟模量贼时柏,某根据桩间蝴土分担的哥荷诱载朗,恒按照桩间坡土的压缩脱模大量岗,再忽略增强努体的存还在泡,耻采用分层角总和法计循算加固土渠层的沉降替量。地基肤中桩间土淹分担的荷狂载指P贪s航为乎式胃中敬,汪P禽为复合地骨基顶面平喇均附加荷归载应宾力从;幼m城、督n挥分别为桩腿土置换率伍和桩土应替力觉比王;然μ煤s霸为应力减跪小系数或摸称应力修冻正系数。萝复合地基莫加固层沉值降丙量拢S耍1表表达式为乎式御中镰,S1润s询为未加固阴地基在荷菠载佳P欢作用下相夜应厚度内挥的沉降萍量叠;熔Δ骑P烛i读、宴Δ映Ps草i纽分别为复屑合地基中急第更i裳层顶面平熊均附加荷低载和桩间轨土层分担莲荷载。群3刻.1.石3翼下卧层碌沉降计算既在计算下冈卧层沉降始量躁时贪,部作用在下糟卧层土的勇荷载是比期较难精确往计算蜡的谢,虑这里可采婚用两种方探法进行计拣算。醉(1冠)棕应力扩散耗法悔:贝将复合娇地基视为晨双层地策基妹,卫复合地基姜顶面作用缓的荷纵载亦P平,苹通过加固婚层按应力低扩散郑角栏β指,耽作用在下菊卧层时上彻,阁用刊P指b进表示其作腰用力大申小茂,套用下式计慕算。验式贿中钢,胞B断、享D厚分别为荷末载作用宽销度和长添度唉;佳h黎为加固层犯厚辰度老;呈β炮为应力传奶递扩散角阵。当路基培为无限长描时挨,龙属平面应梅变情呈况永,尸计算改为拣下面形兽式盲:份敬(2土)薯等效实体核法池:信将复合笨地基加固眉层视为一钉等效实歉体润,斩作用在下旬卧层上的猾荷载作用残面与作用肃在复合地境基上的相奉同。在等名效实体四辅周作用有苏摩擦阻茂力谦,免其单位面两积上的摩响阻力港为坑f渠,熊则作用在悦下卧层上予的荷载可选用下式计中算嫌:衔式浅中光,献B电、坏D灯分别为荷逝载作用面迅宽度和长顽度菠;村h痒为加固层稼厚度。当尝路基无限物长躲时朽,跳可视为平种面应变情交况桂,背上式可改候为苗3.剑2农振动碎石基桩紧振动碎石烈桩复合地抓基可按散乞体材料桩店复合地基招沉降计算扔方法复合烫模量旦法忧(E盲c毁法姑)顶计算加固辽层沉降窗量奉,得下卧层上纹的荷载采企用应力扩炼散法进行众计算。在逆计算散体右材料复合泻沉降迁时枕,搬可把整个亡压缩低层萝(Z滥)抛分成三部爹分助,龄即把加固部层啊h提分成二部摆分乌,饶一部分厚疼度为二倍陆桩体直废径咳(2D)鄙,合另一部分梁厚度坑为仿(h-2壶D)肤,倦第三部分每为下卧层窗厚砍度蒙(Z-h租)伪,妄第一部分刑土层厚肌度袋0-2烈D喇范围内土季层沉降迟量看S1蓬1幻计算方法胃如尿下桶:暂在地表荷惠载作用及下覆,腐桩体上竖夫向应力坦为姿σ器p关,辩桩间土竖判向应力梯为辱σ鼻s痒,猛从而桩土野分界面上申产生一径甘向应力眉差遍Δ尿σ烟,初其值为牌式宁中摄,K偶s贴为桩间土避侧压力系去数练,绢取值在静渴止土压力定与被动土做压力系数轮之棵间汗;K弱p特为桩体侧饺压力系布数税,患取值在静秒止土压力均与主动土饿压力系数泽之间。由湾此引起桩装体侧向膨趁胀满,盐桩的侧向辣膨胀量也携就是桩周郑围土的径颈向压缩量丸。考虑到厨桩的体积昆不闭变闹,泉径向压缩茄量又相当奸于桩的沉弊降隐量喂,快经过公式今推穿导锦,擦并略去二点阶段期微量拉,龙即得做到善0-2触D形厚度内地溜基沉降舅量峡,券其表达式胳为姐式亲中卸,姐Δ恼σ会为蛾为抚r=r笛0发处径向应另力煌;r窜0览为桩体半弱径踪;务E封s推为桩间土沸变形模苍量晕;堆a捏为桩间距简。误第二部分谱沉降员量评S1串2慨用复合模夹量功法术(E样c圈法陷)唤计算。第邪三部分下寄卧层沉降通量边S棒2萍用分层总软合法计算裤。复合地戚基总沉降鸦量表达式痰为逗3盾.企3吊天然地晓基沉降计怒算谣试验工点角按土质断任面分为松洁软地基和匆软土地蓬基扰,腔地表作用命的路基荷章载和活荷寄载孟按肢144k州P献a愚考宗虑倒,丈根据上述粒理论计算屯结果如赢下神:忆(1禾)门松软地基自为砂粘土铃和粘砂鱼土暗,妻中间夹粉躁细砂层。猫粘性土容与重遮18.3悔kN/m病3恨,估孔隙呢比架1.04霞,抽压缩系吃数端0.66坡MPa-安1壤,摩压缩模跨量机Es=3年.09M疗P岗a杜。粉细砂炮层袜,筒容搅重离γ奶=19.校0kN/皂m3斥,呼孔隙精比窗e=0.吓7删～姐0.8融,厉压缩模沃量股10MP馅a向。根据分驰层综合俩法雹,楚按附加应海力为自重冻应力寻的浮0.10糊5啄时膏,捏附加应力岁作用计算寿厚度叹为造11.5秤m袄,惜计算出的泛沉降量则为叛42.2畜8c铺m字。踩(2晚)且软土地腔基蜂,鼓表层和下狼部为粘性怖土耻,奶中部夹软立土。软而土壤γ贡=18.风3kN/浪m3收,宣孔隙致比扩e=1.帐43业,文压缩系旅数规a=1.罪2还～冲1.49焰MPa-昂1,Es罚=1.8针1MP销a忘。粘性土帝指标和松花弱土相柴同口,冲按总和分杨层法计算命。附加应惊力为自重匹应况力搁0.1拒3于倍蚀,题计算厚状度威11.2匆m熊,而沉降必量蚁S=50腐.9c能m道。妖通过初步冲计赛算短,衰天然地基症沉降量远兵远大修于飘10c报m权的规定沉粮降寺量饮,葛必须通过指加固措施半来减少地乘基沉降量著才能满足择设计要求猴。版4肉地基加展固方案设沙想研根据秦沈术客运专线焰取到的土置样分析结艳果炊看刑,腹松弱土层极是以粘性支土为抵主否,浓软土以夹涨层存恼在浙,烂整个土层夹孔隙比较弓大县为赤0.侧6慕～航1.13舅,颠压缩性否大照,寨强度低。狂必须采取抚改良加固令措膊施嫌,量才能使强妹度和沉降寺满足设计欧要求。但艳从整体上适看干,贪比纯属软语土地基好视。地基加葱固可排关除袋装砂揪井和塑料萝插板方秆案夹,傻而采用粉点喷桩和振傲动碎石桩陕方案。采胃用何种粉随料全,爷加固深度盾和桩土置朱换率为多贴少才能满交足设计要终求沸,购必须经过塞室内研究猎和土工离犁心模型试悬验才能确猫定。滑4.逮1氏加固材气料的研究速加固材料宾的使用必练须与土的骡化学性质岔结合考缝虑京,拉特别是土赠中胡敏酸宾和富里酸晌量滴,夕制约了水慕泥土强度婶提羊高安,女要结合酸色碱度对土投质进行改域良。根据兵我们对南害昆线七甸忠软土改良蚁试验取得揪的经验证紧明浮,表采用三灰感土加少量袄磷石膏或熊石膏添加尸剂这种方咏案为拘好问,罗磷石膏是玉为了防止夹酸性对三箩灰土的腐岸蚀斜,刊石膏是为闻了提高早爷期强寇度昂,扭经过多组朴试汪验般,沿七甸软土迟采用津表贴2截指谣标晴,山收到良好泊效果。般表哑2额石膏对颈泥炭土改想良试验的易影阀响扬T勒至于秦沈作客运专线臂土质改良腰加固采用辞什么指枣标东,到应取土样泡试验后再届决定。关次于碎石桩睬方寺案惕,贞采用石灰仍岩、硬砂链岩或岩浆想岩碎石碴剩都可满足条强度要求根。谈4.籍2魄改性桩派加固深度泉研究名目前地基舍加固应用腰最多的是麦粉体搅拌仆桩摸,墓它属于半铁刚半柔性蕉桩恼,将在单桩的家承载力计案算夹中健,慌把它视为叼摩擦支撑搅桩坏,核有人从桩猴的长度和词桩身刚度拥与土体刚滴度比对水温泥搅拌桩辨作了理论牌分防析塔,战提出了当食桩尖阻力辉为零时桩澡的长度为葡临界加固址深按度筑,挡此时单桩泰承载力只匆靠桩周边口摩擦力提昌供。分析砖认为临界清桩长与桩番径呈正除比彻,穷桩径越大水临界长度姥愈大。另渗外临界桩京长与桩土用间刚度比积的平方根失呈正服比童,匙刚度比越烟大贼,鞋临界长度碍也越大。艘对于直泽径冶D=50构c找m貌的水泥搅练拌桩在常悟见的刚度狗比情况湿下合,忍纯摩擦桩奸的临界长摔度接为刚8竞m哪左右。从校现场载荷塔试验看击到馅,错对殖于臣D=50迅c啄m瓶的穴桩约,系达到极限麻荷载炕时巡,肝埋吗深痰8.5面m见的桩尖几瑞乎无位队移市,弟说明桩尖脂阻力已不并发挥作用报。所以如锋果设计最成日10瘦m缠的桩可以算看成纯摩枕擦型贤桩左,求这样在桩给径不变情壮况下提高喉复合地基听承载力的落途径是提看高桩身强婚度和提高桑桩土置换厘率虎,浇盲目增加山桩的长度略是不经济售的。仅从叼地基强度陡要求考泥虑锻,扛加列固熟10赵m膝深是完全膏满足设计挑要求的。钞但要考虑夺加固层以赖下土层沉锤降率,叫还要作进精一步深入批研雕究雾,磨这里可以己按双层地挖基理欺论交,还进行加固吧层下的地可基沉降计屿算休,帐如果沉降冶量超过规爷定标跌准雅,扇桩长还应弦适当加沉深汪,批这一结论线应通过室竹内离心模焦型试验来桶进行研究怒。碧碎石桩要暴在土体强哀度大执于谱100k仓P拿a漫情况下使德用较或好伏,庭这样不会糊使大量碎冻石侧向挤者出而加大孕碎石用量卡。这里土猴体强度大默都明在雅10筹0详～洁140k向Pa诞,锯有足够的袋围压汪力昨,愤防止碎石厦侧向挤出应。加固效催果可通过忌离心模型脑试验进行纱观察。质5容软弱地棍基加固措风施离心模铺型试验研毁究占5棉.动1逢研究现谱状环离心模型母试验是用酷离心机产加生的离心害力场来提职高模型土精体体积宁力期,烘形成人工返重海力惊,警使模型重杯力与现场航原型重力刊保持一脑致拜,斤这是目前栗土工研究汉中的高科猾技设桑备折,勇是土工研游究中最有责效的方法胖。该试验谁有两个显总著特冈点碑,派其一是一闹个模型可惜模拟任意录大小的实颈体炭,雄假设制作泪一滥个年10c委m悉高的路堤孩模乐型济,供在不同的座离心加速萌度愚下女,新可以模拟侵出不同尺笨寸的路基碑实画体鄙,当若蚁在矿100与g魄重力加速叉度下运鞭转纪,隔就可模炸拟啄10住m密高路堤产很生的重胆力漂,白在惩200菜g也下运仙行辆,武就模拟悔出蚀20致m诱高路堤产厅生的重左力金,膀对地基也枯同样如此授。第二个蚀特点是时赢间效应特译别显态著鞭,10c融m书高的模型清在剖100喊g骗下运巨行岂52mi沃n详,反相摩当辞10瓶m拥高路堤变扎形沉降一胀年百,散大大节约职了观测时躁间溪,叮所以这是痕模拟工后絮沉降最有畜效的方法彼。在试验族中怕,仆计算机自稳动采集数孩据谨,赠能测出路耍基和地基之各处的应仇力、应变贵状态。我滑们用该设白备研究膨轰胀土路堤狡沉降变顺形脂,绪取得了良磁好效五果纳,寻所以采用外离心模型娇试验对各慕种加固措编施进行理吩论研究会毅取得圆满封结果。拣根据南昆扰线七甸软证土离心模库型试验研修究得到满仆意的结沙果胆,己南昆线七倍甸软暂土距,隐厚头度煤28m吊,彼表层砂粘炎土硬解壳罪1堤～找2.5m椒,泪按怕15喷m梳加固厚度填设尿计帜,纷根据离心仓模型试袄验仓,枝得到恢表聋3户结果。芝夫奋激犬遵老表宜3锁南昆线肥七甸软土埋离心模拟晴不同措施脖沉降半量抢T批5.答2米地基附嫌加应力模晨拟研究准地基土的据沉降受附仪加应力的隐控锈制氧,似附加应力散包括路堤昼自重压力新、道床压盐力和列车召动荷载作页用力。根译据时流速顽200k辉m顷新建铁路勒线桥隧站每设计暂行慌规定条文沉说苏明资,除各种应力难的大小与斜模拟按下机列规定进耐行。赏(1零)皮道床应躺力掘:案道床按容愿重秩γ赏=18k捕N/m腔3骑考来虑毙,声换算土桩头高度览为彻3.0m膜,失作用宽捎度剪L0=3哭.3握m截。道床附循加力可采证用预制好她的土条试帮块加在路矮基顶面进下行模拟。阁(2添)淘基床动应促力同:针基床动应侦力作用大湿小可根据涉暂规规定穿按下式计屋算缘如果采用印韶细8冻机语车井,撤轴重痒力宽220k增N在,脏速度序按释200k代m/h经,税基床面动算应魂力仿92kP桂a叙。该应力检可用模拟狡块倍,锄以静应力露形式加在供路基表面洒。刷(3景)槐路堤自重晴应秧力碌:碍路堤自重练应判力盲,富可考虑用借当地填票土脏,沙按最佳密铃度坐,冰以模型实仇体加在地召基秩上肃,牛并把基床尾动应力和刃道床应力种通过路堤匆传递给地旧基土。目5.奔3低模型制膨作茅路堤实体流模型穴按非1稀∶加10烫0应或戚1护∶笑5士0抬制唱作画,耕根据路堤葵实际设计震尺寸决定祥模型大小匆。地基模救型采用现魂场原状土高样籍,来根据不同毒层厚声度罩,芳按比例制坏成非均质诞土模稀型切,帮特别是软鼻土抵层拔,按对它的厚凤度、状态域作到精心影模逗拟全,戒然后进行谁加固措施剂处理狡后嫁,易模型结果正形式见很图浮1鸭。领模型可制钥作成三种做类蜂型欠,殖一种是天亮然地糖基触,微观察在附般加荷载加出上志后聪,急地基应力阳应变特征导和路基填牙筑过程中礼地基沉降扮过程曲线懒。二是模密拟粉喷袍桩处,门三是模拟蓝碎石腥桩现,捆分别研究谊出加固深乓度和桩土龙合理置掉率界,慌使沉降量灾控制束在雁10c分m叠左右。撒5.谣4告模拟研厅究方案设想计略(1理)弟天然地基止模辫拟郑:纯按野外成宣层厚度制驰作地基模誓型丸,承并在一定骄深度埋设再压力说盒吩,江孔隙水压摸力传感许器扛,太在地面安刘装沉降传所感匠器短,市然后跌在套100葬g妥情况下运挪行捎30mi钉n像,葱恢复地基毛天然固结逐状态。地已基达到充蜓分固结后对再施加路屑堤荷载和齿动静附加推应银力鸟,践最后使模服型运行三爸年观测沉烧降变形。销图药1铃模型结惰构形式图折2辅)莲粉喷桩方公案模奏拟删:祝粉体材料牲利用我们电研究出的造三灰土方分案章,狱即水宅泥竖∶雪石编灰斯∶奶粉煤剂灰判=丽5书∶洋2绒∶羡3拨,烦再看加矿2羡%撞石膏添加锹剂。粉体孩初步按土势重很30范%僻加赢入沃,