湿陷性黄土区高速铁路沉降控制研究

湿陷性黄土区高速铁路沉降控制研究

为了控制黄土区快速下降的湿塌陷，必须将基础处理。处理方法的选择应首先注意消除湿塌陷和控制沉降变形的双重标准，即。不仅可以消除埋深内的黄土湿塌陷，还可以提高地基承载力，减少压缩变形。另外其地基处理方法的选择还需兼顾方便快捷、经济合理的原则,以便于全线大范围推广使用。纵观湿陷性黄土区既有的地基处理方法,能满足以上要求的目前主要有换填、强夯、挤密桩、柱锤冲扩桩等。柱锤冲扩桩法,先采用钻机或重锤冲击成孔,然后分层填料(一般采用灰土或水泥土),通过重锤自由落体夯实成桩,并夯扩挤密桩周土体,从而形成由桩体与桩间土共同承担上部荷载的复合地基,以提高地基承载力、减小地基沉降。柱锤冲扩桩适用于素填土、杂填土、大厚度湿陷性黄土、粉土、黏性土等地基的处理,在湿陷性黄土区该地基处理方法于大型冷却塔、主厂房、烟囱、高层住宅以及大型储罐等工程建设领域已有较广泛的应用,其消除黄土湿陷性、降低地基压缩等方面的效果十分显著。柱锤冲扩桩法具有设备简单、施工方便、速度快、投资省、适用范围广等优点,对于高标准沉降控制要求,柱锤冲扩桩法具有独特技术优势,处理深度可达20～30m。郑西客运专线全长484.5km,设计时速350km/h,是我国也是世界上在湿陷性黄土区修建的第一条高速铁路,全线铺设无砟轨道,沉降控制标准为:工后沉降≤15mm,沉降比较均匀、长度大于20m的路基,工后沉降≤30mm。对于该铁路修筑后路基沉降变形能否满足高速列车运行的要求,无论是设计还是施工均缺乏工程实践经验。为指导后续全线的设计和施工,郑西客运专线在大规模施工前选择代表性工点建立试验段,对改良黄土路堤、柱锤冲扩桩等湿陷性黄土区典型地基进行实体工程研究,通过开展沉降变形观测、大型浸水试验、路基沉降预测等,对高速铁路技术条件下改良黄土路堤及柱锤冲扩桩等地基的沉降变形特性、湿陷性消除效果、路基地基沉降控制效果等内容进行了研究。本文依据郑西客运专线湿陷性黄土路基试验段柱锤冲扩桩区段路基的测试与观测结果,对湿陷性黄土区高速铁路柱锤冲扩桩地基的沉降控制效果进行了探讨。1郑西客运专线郑西客运专线dk实行郑西客运专线湿陷性黄土路基试验段位于陕西省华阴市卫峪乡坪塬村,也即郑西客运专线DK355+200左侧约150m处,场地东西长180m,南北宽80m,征用前为农田,地形平坦,地面标高366.15～367.17m。地貌单元属渭河Ⅱ级阶地。1.1地下水温度变化对黄土层影响分析勘察资料表明,试验场地40m深度范围内的地层有人工堆填土,第四系全新统冲积黄土、残积粉土(具有中等湿陷性、中高压缩性),上更新统、中更新统的风积、残积和冲积黄土,湿陷性从上到下逐渐减弱并消失,压缩性也逐渐降低。该场地地下水埋深为40.50m,属于潜水,地下水位年变化幅度为1.5～2.0m,因此地下水变化不会对黄土层产生影响。该场地湿陷性黄土层厚度为22m,湿陷量Δs为793～900mm,大于700mm,自重湿陷量Δzs为418～577mm,大于350mm,因此判定该场地属自重湿陷性黄土场地,地基湿陷等级为IV级(很严重)。1.2实验项目1.2.1黄土层预压处理本试验段共设3个地基处理区段,如图1所示,其中柱锤冲扩桩处理深度22m,对场地内湿陷性黄土层进行全深度处理。试验段地基处理措施及设计参数如表1所示,水泥土柱锤冲扩桩地基的质量按表2进行控制。1.2.2确定复合地基上的土体,增加试验路堤断面形式及设计参数详如图2所示。基床底层施工完成后,填筑预压土进行堆载预压,预压土的高度为3m,该高度为无砟轨道路基上的轨道和列车荷载换算土柱的高度,其中列车荷载按“ZK-活载”考虑,为了便于施工将预压土满铺于路基顶面,坡率为1∶1。因为路基为柔性基础,为了防止桩土复合地基中桩体刺入路基而引起的不均匀沉降变形,特在路基本体下、复合地基桩顶上设置了1m厚的水泥土垫层,垫层内铺设两层双向土工格栅以增强土体的抗剪强度。改良黄土路堤的压实标准如表3所示。2路堤本体压缩沉降路基填筑完成至恒载预压258d,附加荷载作用下柱锤冲扩桩区段路基中心处的沉降量统计如表4所示,路基中心总沉降以及各部位的分层沉降随时间的变化曲线如图3所示。分析图表4、图3可知:(1)填筑完成后至恒载预压258d,路堤中心总沉降量为10.8～13.3mm,平均12.1mm。路堤本体压缩沉降0.0～3.5mm,占总沉降的0～27%,地基压缩沉降9.7～10.8mm,占总沉降的73%～100%。这一方面说明填筑完成后改良黄土路堤本体的压缩沉降很小,仅占路堤填高的0.78‰,另一方面说明地基是引起路基沉降的主要部位。(2)柱锤冲扩桩地基沉降部分当中,加固区下卧层的沉降量为0.5mm,地基加固区压缩沉降9.2～10.3mm,占总沉降的69%～95%。地基沉降主要来源于加固区下卧层的压缩沉降。(3)分析图3可得,路基本体的压缩沉降在填筑完成后约一个月时间内已完成并趋于稳定,也是在这一个月时间内,路基总沉降发展最快,已经完成了大部分,约占70%～80%;之后,路基沉降速率趋缓,经过4个月的恒载预压,路基总沉降以及各部位的沉降已基本完成。3柱锤冲扩桩路基沉降特征为研究长时间、持续浸水对地基的影响范围以及地基浸水所造成的路堤沉降,对已经建好的实体路基工程开展大型浸水试验研究。在试验路基的南侧,离路基坡脚4.5m设置三个5m×40m的矩形浸水池,浸水池的水头始终保持在30～40cm,共浸水87d,停止浸水后,课题组仍然对路基进行沉降观测,持续时间达9个月。开始浸水至停止浸水后9个月,柱锤冲扩桩地基的总沉降和分层沉降量统计如表5所示,分析可得:长时间持续浸水后,柱锤冲扩桩路基的总沉降量(包含浸水期间、浸水完成后路堤总沉降量)仅有2.9～6.5mm,因此,柱锤冲扩桩区段路基在暴雨、路堤外局部积水等条件下,不会出现大的沉降而影响行车安全。浸水后柱锤冲扩桩地基加固区内的压缩沉降量基本上为零,加固区下卧层的沉降量为4.9～5.5mm,该沉降量占浸水后地基总沉降量的96%以上,这说明持续浸水后柱锤冲扩桩地基出现的少量增湿变形仍发生在加固区下卧层,另外还说明采用22m的柱锤冲扩桩处理后,地基加固区的湿陷性已完全消除。4路基沉降预测采用双曲线法、三点法、Asaoka法三种曲线拟合法,分别对路堤中心沉降量进行预测,三种方法的拟合曲线以及路基沉降实测曲线,如图4所示。沉降预测结果表明,路堤恒载预压258d,柱锤冲扩桩区段路基的剩余沉降量仅有0.2mm,已完全满足铺设无砟轨道路基工后沉降的控制标准。结合路基实测沉降量分析,从2006年12月23日完成路基和预压土填筑,两断面的剩余沉降分别为11.0mm、13.5mm,均已小于15mm。因此可知,柱锤冲扩桩区段路基无需堆载预压,静置一段时间便可满足铺设无砟轨道对工后沉降的控制要求。5无轨道控制柱锤冲扩桩路基沉降的效果分析本文以郑西客运专线湿陷性黄土区路基试验工程为依托,通过开展沉降变形观测、大型浸水试验、路基沉降预测,得出以下结论:(1)荷载作用下地基的沉降变形特性:恒载预压约4个月地基已基本稳定,恒载预压258d地基总沉降量为10.3mm。沉降预测结果表明,柱锤冲扩桩区段自路基和预压土填筑完成后,其剩余沉降已小于15mm,至恒载预压258d时路基剩余沉降量仅为0.2mm,本试验条件下柱锤冲扩桩路基无需堆载预压,静置一段时间便可满足铺设无砟轨道对工后沉降的控制要求。(2)浸水条件下地基的沉降变形特性:持续浸水87d,柱锤冲扩桩地基的总沉降量为2.9～6.5mm,本试验条件下的柱锤冲扩桩路基,暴雨、路堤外局部积水等原因不会导致其出现大的沉降而影响行车安全。(3)地基湿陷性消除效果:持续浸水后柱锤冲扩桩地基加固区的沉降量基本上为零,加固区下卧层的沉降量为4.9～5.5mm,该湿陷性黄土场地采用22m的柱锤冲扩桩处理后,地基加固区的湿陷性已完全消除。(4)地基沉降组成:柱锤冲扩桩地基的沉降主要来源于地基下卧层,加固层的沉降量很小。因此,地基沉降控制的重点是下卧层,加固层处理效果再好,若处理过浅,附加荷载作用下,地基还是会产生较大的沉降量,所以高速铁路地基处理要满足一定的深度要求。(5)高速铁路技术