基于离心模型试验的海南胶济客运专线地基沉降特性研究

基于离心模型试验的海南胶济客运专线地基沉降特性研究

0变加速度加载法离心模型试验模拟高速高产低地基层覆盖层，充分反映了原型土壤结构的沉降特征，预测土壤侵蚀，更好地指导土壤工程。这一直是市政工程专家的目标。为更好地模拟现场路基施工,研究者研究了多种实现分层填筑的离心模型试验方法,3种最具代表性的实现分层填筑的加载方法如下。停机加载法:停机,填筑路基,开机运行至设置加速度,然后再重复这个过程,其每层填筑均是在离心机停机状态下进行。谢永利等通过停机加载法研究了软基变形性状;饶锡保等通过停机加载法研究分级填筑路堤地基变形。变加速度加载法:在停机状态下完成路基模型填筑,之后开机并加速至设置加速度,运行至设定时间,然后再加速至另一设置加速度,期间不停机。章为民等通过变离心加速度加载法研究了土石坝分层填筑;丁金华等先填筑隔堤,通过离心机逐步加速模拟填筑速率,以恒定转速模拟放置期,停机再填高拦淤堤,模拟软基和吹填土加筋堤沉降特性;陈胜立等通过变加速度加载法研究了土工织物加筋垫层对防波堤和软基的变形性状影响;卢国胜等通过变加速度法研究搅拌桩处理软土地基面和路基面的沉降特性;Wang等通过变加速度加载法实现路基分层填筑,模拟不同桩间距对湿陷性黄土地基沉降的影响。恒加速度加载法:离心机加速至设置加速度后保持不变,通过离心机内设置的加料装置,实现分层填筑。Bassett等通过设定专门的加料斗且在离心机高速稳定速度下实现了分级填筑堤岸,堤岸材料使用的是莱顿-布扎尔德砂;Davies等使用同样的方法对分层填筑路堤稳定性进行了研究;Sharma等成功实现在离心机运行下填筑路基,研究在软基上加固路基的稳定性;Allersma等通过电脑控制填筑装置,在离心机旋转时进行填筑土堤,并研究不同的填筑速率对变形的影响。既有的地基沉降研究多是采用其中一种试验方法,且很少与现场填筑试验的结果进行对比。由于恒加速度加载法受到国内现有离心试验系统的限制,本文仅使用停机加载法和变加速度加载法研究海南东环客运专线(以下简称“海东线”)花岗岩全风化土地基和胶济客运专线(以下简称“胶济线”)非饱和粉质粘土与粉土地基的沉降特性,并与现场填筑试验的结果进行对比,分析采用其预测中等压缩性土地基沉降的精度。1地基土物理参数试验对象为海东线DK67+620/630断面花岗岩全风化土(属饱和中等压缩性土)未处理地基和胶济线DK218+950断面非饱和粉质粘土与粉土(属非饱和中等压缩性土)未处理地基。DK67+620/630断面路基填高为5.0m,顶宽为13.4m,坡度为1∶1.5;DK218+950断面路基填高为7.5m,顶宽为13.7m,坡度为1∶1.5。地基土物理参数见表1。文中含量均为质量分数。考虑到离心机模型箱尺寸限制,模拟路基为填高相同的单线标准路堤。海东线模型比尺n为60,胶济线模型比尺n为80。模型尺寸及仪器埋设见图1,尺寸单位为cm。1.1直流电机功率、水质采用西南交通大学TLJ-2型土工离心试验机,最大容量为100gt,最大加速度为200g,有效半径为2.7m,直流电机功率为185kW,模型箱尺寸为80.00cm×60.00cm×60.00cm。1.2路基固结和加速度取现场土晒干,碾碎,过筛,按原型土层密度和含水量配置地基重塑土,分层压实制作地基模型,使其在设计加速度(海东线60g,胶济线80g)下运行20min,以模拟原型地基在地基自重应力下实现固结。按实际路基密度2.0g·cm-3分层压实路基。在停机加载法中分4级完成路基模型填筑,在每级填筑完成后,离心机启动并运行至设计加速度(海东线60g,胶济线80g)。在变加速度加载法中一次性完成路基模型填筑,海东线加速度分别为15g、30g、45g、60g,胶济线加速度分别为20g、40g、60g、80g。变加速度加载法模型制作见图2。2加载及加载过程对总沉降的影响图3为海东线与胶济线试验断面离心模型试验模拟路基填筑过程所得的荷载、地基沉降与时间关系。由图3可知,采用停机加载法和变加速度加载法产生的地基沉降具有相似的沉降特性:路基填筑初期,加载期沉降大,恒载期沉降小,随路基填筑高度的增加,加载期产生的沉降呈减小趋势;另一方面,停机加载法产生的地基沉降比变加速度加载法大1倍左右。为进一步比较2种离心模型试验方法,单独分析每级路基荷载下产生的地基面总沉降及发生在加载期的沉降,可得每级荷载下加载期沉降占总沉降的比例随路基加载过程的变化关系(图4)及每级荷载下产生的地基面总沉降随路基加载过程的变化关系(图5)。由图4可知,每级荷载下加载期沉降占对应总沉降比例随路基加载过程减小,至第4级加载后其所占比例均小于50%,从而可得随路基填筑过程的进行,沉降由以加载期产生的瞬时沉降为主逐渐变成以恒载期产生的固结沉降为主。由图5可知,在同级荷载下,停机加载法的地基面沉降比变加速度加载法的大,且在路基填筑初期,二者沉降差值最大,随着路基填筑高度的增大,二者差值逐渐减小。每级恒载期地基应力见表2。由表2可知:每级加载下,停机加载法的地基同一深度的地基总应力比变加速度加载法大,且路基填筑初期总应力差值最大;随着路基填筑高度的增加,二者之间的地基总应力差值逐渐缩小,并最终趋于0;自重应力表现出同样的性质,而附加应力差值则是先增大后减小,且二者差值较小。由此可知地基自重应力差异是停机加载法和变加速度加载法沉降相差较大的主要原因。在表2中,总应力为恒载期的实测值,自重应力为计算值,计算式为σ=ρω2rhσ=ρω2rh式中:ρ为地基土密度;ω为角速度;r为离转轴中心的距离;h为离地基面深度。3沉降拟合结果及现场填筑试验结果根据分析结果,可将影响离心模型试验方法预测原型地基沉降特性的主要因素归纳为:地基自重应力、路基填筑方式与速率等。只有当离心加速度达到ng时,模型中地基自重应力才与原型地基自重应力状态相同,而在停机加载法加速阶段、变加速度加载法加速阶段和到达ng前的恒速阶段均与原型地基自重应力状态不同。对于停机加载法,由于卸载、再加载过程而存在路基反复填筑问题,对于变加速度加载法,由于一次性完成路基模型填筑而存在路基宽高比为常数的问题。在离心机加速过程中模型地基自重应力不断变化,而在路基填筑过程中原型地基自重应力不变,虽然可通过增大加载速率来减小这种差异所引起的误差,但加载速率过快会导致地基产生过大的剪切变形。为减小离心模型试验加载方式上存在的部分缺陷对预测地基沉降的影响,本文采用以下数据整理方法:在停机加载法中删除每级卸载与重复加载过程,并扣除其对应的地基回弹量与沉降量,之后所得的地基沉降再乘模型比尺n,在变加速度加载法中路基填筑各阶段地基沉降均乘模型比尺n。图6为进行数据处理后的荷载、沉降与时间关系。由图6可知:应用停机加载法和变加速度加载法产生的地基沉降特性相似,且与数据处理前沉降特性相同。在图6的基础上扣除发生在加载期的沉降,得图7。用双曲线拟合图6、7的沉降数据,拟合式为St=S0+(Sf-S0)(t-t0)/[b+(t-t0)]式中:S0为初始沉降;t0为初始时间;St为t时刻的沉降;Sf为最终沉降;b为拟合参数。拟合曲线与沉降数据相关性好,判定系数R2大于0.98,拟合结果及现场填筑试验结果见表3。由表3可知,填筑期完成的沉降占总沉降比例为:在未扣除加载期沉降时,海东线DK67+620/630(停机加载法/变加速度加载法)地基各深度处沉降几乎相等,其平均比值为88%;胶济线DK218+950(停机加载法和变加速度加载法)沉降几乎相等,其平均比值也为88%;现场填筑试验地基各深度处沉降几乎相等,海东线DK67+620与630断面平均比值为94%,胶济线DK218+950平均比值为93%。由此可知,采用停机加载法和变加速度加载法路基填筑期完成的沉降占总沉降比例相同,均为88%,且与现场填筑试验的92%~95%接近。而扣除加载期沉降后,填筑期完成的沉降占总沉降比例明显减小,且各深度沉降有差异。采用变加速度加载法所得的地基各深度处沉降均比停机加载法小,而比现场填筑试验大;采用停机加载法地基各深度处沉降修正系数比采用变加速度加载法的小,且沉降修正系数随地基深度增大而减小。由表4可知,海东线DK67+620断面(停机加载法)地基表层0~6.0、0~10.5m处压缩量占总沉降的比例与DK67+630断面(变加速度加载法)地基表层0~6.0、0~13.0m处接近,但均小于50%;胶济线DK218+950断面(变加速度加载法)地基表层0~6.4、0~11.0m处压缩量占总沉降的比例小于50%,而现场填筑试验相应深度压缩量占总沉降的比例却接近或大于50%,由此可知现场填筑试验主要沉降是由地基表层0~13.0m产生的,而离心模型试验却不是。未扣除加载期沉降的地基单位厚度压缩量具有以下特征:海东线采用变加速度加载法比停机加载法小,但比现场填筑试验大,胶济线采用变加速度加载法地基表层0~6.4m处比现场填筑试验小,而6.4~11.0m处与现场填筑试验接近;随着地基深度的进一步增大,离心模型试验值增大,而现场填筑试验值减小。扣除加载期沉降的地基单位厚度压缩量表现为:海东线地基表层0~6.0m处的值比现场填筑试验的值小,而6.0~10.5、6.0~13.0m处的值与现场填筑试验的值接近;胶济线0~6.4、6.4~11.0m处均比现场填筑试验小;但随地基深度的增大,离心模型试验的值增大,而现场填筑试验的值减小。由以上分析可知,采用停机加载法和变加速度加载法所产生的沉降与现场填筑试验既有相似之处,也存在较大的差异。其主要差异表现在以下两方面:一是沉降值上的差异,即2种离心模型试验方法产生的地基各深度处沉降均比现场填筑试验的大;二是沉降特性差异,现场填筑试验的地基表层0~6.0、0~6.4、0~10.5、0~11.0、0~13.0m处产生的沉降较大,而离心模型试验相应深度沉降却较小。现场填筑试验地基单位厚度压缩量随地基深度增大而减小,而离心模型试验0~13.0m处地基深度范围内地基单位厚度压缩量随地基深度增大而增大。然而,停机加载法和变加速度加载法产生的地基沉降具有相同的特性,只是停机加载法产生的沉降更大些,且主要发生在加载期。综合以上的分析可知,一方面,停机加载法和变加速度加载法产生的地基沉降特性与现场填筑试验存在较大差异,很难精确预测花岗岩全风化土地基及非饱和粉质粘土、粉土地基那样的中等压缩性土地基沉降,所以对于具有高沉降控制标准的高速铁路及无砟轨道铁路,使用离心模型试验的沉降结果来预测实际地基的沉降是不可行的;另一方面,这2种离心模型试验方法本身产生的地基沉降特性是相似的,其作为一种定性分析方法有一定的应用价值。4采用多种方法对土地沉降特性的影响(1)采用停机加载法和变加速度加载法与现场填筑试验得到的沉降特性存在较大差异,地基各深度处沉降均比现场填筑试验的大,且随着地基深度增大,沉降修正系数减小,沉降差异增大;现场填筑试验地基6.0m范围内产生的沉降量占地基