高速鐵路較薄軟土地基現場填筑試驗研究

1較薄軟土地基處理的必要性由于軟土具有高含量、高壓縮性和中等強度的特點，因此需要對軟土壤條件進行處理。通過置換、排水固結、貫入固化物、振密及擠密、加筋及冷熱處理等方法處理后，地基穩定性得到了很好的解決，且能控制軟土地基一定變形。我國東部地區軟土地基分布廣泛，隨著客運專線的即將興建，控制軟土地基穩定性和變形量是非常突出的工程問題。大部分軟土地基采用以橋代路處理后，仍有大量的較薄軟土地基。以往這些地基不處理或經過一定的處理后能夠滿足普通鐵路對穩定的要求，但在高速鐵路對沉降變形的高標準要求下很難滿足變形要求，因此，需要通過試驗研究采用不同處理方法處理較薄軟土地基的變形特性及處理效果，確定合理、經濟的處理方法。筆者等對某鐵路全線作了系統分析，選擇某鐵路Dkl71+900～Dkl72+300為試驗段，進行了加固方案的對比試驗，其結果為今后該地區高標準鐵路的修建提供參考。2現場試驗觀測試驗段地基地層自上而下巖性依次為：(1)表層al+lQ4為黏砂土，厚1.5～3.0m；(2)淤泥質砂黏土，流塑，厚3.0～5.0m，含水量W=38.6%，孔隙比e=1.25，重度γ=18kN/m3，壓縮模量Es=2.54MPa，壓縮系數a1-2=0.75MPa-1，比貫入阻力ps=460kPa，徑向固結系Cr=1.09×10-3cm2/s，豎向固結系數Cv=1.59×10-3cm2/s。(3)砂黏土、粉砂，厚度大于5.0m。為了探索較薄軟土地基是否滿足高標準的工后沉降要求，根據軟土地基處理方法的適用性，選擇排水固結法和復合地基方法，采用的工程措施見表1。根據試驗不同處理方法并結合現場施工條件，共設置了10個觀測斷面，并在每個斷面進行了各種觀測元件的埋設。其他方法較為常見，如袋裝砂井+爆炸固結方法是地基處理的新方法，即在軟基中鉆鑿深孔，將炸藥置于需加固處理的深度進行爆炸，利用爆炸產生的巨大能量形成較高孔壓，并在上覆壓力和較好的排水條件(袋裝砂井)下，使孔壓盡快消散，地基水排出，承載力提高。具體的施工順序是：先鋪設50cm砂墊層再打設袋裝砂井，間距為3m，正方形間隔布置，原地面以下深度9m，再按圖1堆載不同高度虛土，進行5次成孔爆炸，爆炸孔采用袋裝砂井機成孔，間距為3m，深度為原地面下9m，爆炸完卸土繼續路基填筑。5次爆炸試驗的爆炸參數見表2。3現場試驗結果及分析3.1土體地表沉降和側向位移爆炸區段觀測斷面典型的地表沉降曲線見圖2，有明顯的共同特征：經過瞬間爆炸后地表急劇沉降；其后為緩慢沉降持續較長時間，沉降量并不大；繼續大量填土再次出現較大的地表沉降，整個曲線呈現明顯的樓梯踏步形狀。以Dk172+080斷面為例，見圖3。2002年9月22日和23～24日的兩次爆炸第二天均使土體地表發生明顯的瞬時豎向沉降。第二次爆炸產生瞬時沉降后約一周時間內，土體地表沉降明顯減少且有所波動，而后地表沉降隨著路基填筑再次開始緩慢的增大，但9月27日至10月13日的半個月時間里沉降量在與爆炸后一周的沉降量已經很小。側向位移也有兩種現象（以Dk172+080為例，見圖4）：其一，爆炸瞬時均使土體發生很大側向移動，如22日的爆炸使深為9m的軟土層在1～7m的位置發生最大為25mm的側向位移，24日的爆炸繼續使土體發生較大側向移動；其二，爆炸后的一周內土體側向移動雖增加但較緩慢，約一周后，土體側向位移逐漸回縮，約20d后回縮基本穩定。隨著路基填筑進行，側移繼續增大。3.2在排水板等載預壓處理區添加(1)地面沉降(2)所有段落均沉沒(3)轉向位移(4)多層下降3.3粉噴樁處理區域(1)地面沉降(2)所有段落均沉沒(3)轉向位移(4)多層下降(5)土壤壓力3.4砂墊層處理區該區段地基在原地面下2.2m左右夾有40cm的泥炭層，在5.5m深度夾有一層約1.5m左右的淤泥質黏土，軟土層厚度最薄。(1)地面沉降(2)其他變形4不同處理方法的比較分析本次試驗中加固方法可分為不處理、排水固結法和復合地基法，排水固結可作為中間方法與其他兩種進行對比。4.1理區dk171+71的斷面確定塑料排水板處理區段的淤泥質黏土厚度約為5m，砂墊層處理區段的淤泥質軟土較薄，為進行有效對比，對砂墊層處理區Dk171+980斷面采用在其他條件不變的前提下假設在原地面下3.5～8.5m深度為軟土層時的計算結果。結果表明，地基只進行砂墊層處理的工后沉降是較大的，比通過塑料排水板加等載預壓處理的要大22～27cm。表3為不同方法處理后剩余沉降達到10,5cm需要的時間對比，結果表明排水板處理非常合理而必要。4.2與工裝砂井加爆炸法區同為排水固結方法的塑料排水板加等載預壓法區（Dk172+100～200）和袋裝砂井加爆炸法區（Dk172+000～100）的地質條件較相似，路基填筑時間基本一致，地表沉降特性、工后沉降等具有較好的可比性。4.2.1結合正壓監測結構的地表沉降變化各觀測斷面的路基填筑和地表沉降曲線如圖8所示。由于地基硬殼層的存在，塑料排水板處理的地基地表沉降在路基填筑前期沉降較小，路基填筑高度超過2～2.5m，填筑加荷比較集中，沉降增長較快，地表沉降曲線呈現一個臺階型式。爆炸處理斷面形成了兩個臺階型式，即爆炸使地表一周之內產生較大沉降，由于爆炸使土體結構發生破壞并重新固結，振動使地基產生側向變形顯著，地表沉降較大，推算最終沉降比塑料排水板處理的大4～5cm。圖5和圖7分別為路基填筑過程中爆炸處理區和排水板處理區典型的坡腳側向位移變化情況。兩個分區側移都形成“勺子”形，在9m深度范圍內側移較大，對坡腳最終側移沿深度方向進行積分可知，兩種處理方法產生的側移總量極為接近，但是側移的發展過程區別明顯。排水板處理區側移隨著路基填筑荷載的增長，側移不斷增長，路基填筑完后側移趨于穩定。爆炸處理區經過爆炸后短時間內產生較大側移，先回縮趨于穩定，隨著路基填筑的正式進行，繼續增長，增長幅度比排水板處理的幅度小。4.2.2工后沉降比較兩種方法處理下的工后沉降統計結果見表4，可見6個觀測斷面的工后沉降比較接近，均在5cm范圍之內，表明這兩種方法工后沉降的控制是比較有效的。4.3塑料屋頂層析成像處理和粉噴樁復合基質處理兩種方法處理區段的地基淤泥質黏土厚度較為接近，路基高度接近4m，填筑荷載時間較為一致。結果表明兩種方法處理較薄軟土地基效果明顯。4.3.1沉降速率對比圖9為排水板加等載預壓處理和粉噴樁復合地基處理區段的填筑速率和沉降速率對比結果，兩區段的填筑速率基本一致，在兩個階段的填筑過程中，沉降速率相差較大，第一階段沉降速率較為接近，排水板區段偏大，第二階段粉噴樁區段的速率保持在2mm/d以內，而較為緩和，而排水板處理區段的沉降速率增加較大，最大值達到5mm/d。4.3.2塑料排水板段沉降表5為兩種處理方法的工后沉降統計，粉噴樁處理區段工后沉降不超過2.2cm，塑料排水板區段經過51d的預壓，工后沉降已經不足5cm。2003年5月底，路基填筑完成時，粉噴樁區段的剩余沉降不足4cm，排水板區段的剩余沉降超過10cm，因此進行預壓是必要的。5基地質質量與地基處理的確定通過對較薄軟土地基處理、填筑試驗和現場沉降觀測分析，得到了如下結論：(1)袋裝砂井加爆炸固結法處理軟土地基加快了排水固結速度，產生了相對較快的初期沉降。(2)試驗段的現場實測和計算表明，對于該5m厚度的淤泥質黏土地基，必須進行地基處理才滿足高速鐵路路基工后沉降不大于5cm的要求。(3)從處理效果、工期、工藝、造價綜合對比可知，對地基條件為淤泥質黏土厚度為5m的情況，路橋過渡段及有沉降差要求嚴或工期要求緊的情況下可采用粉噴樁處理，而大量軟土路堤處理，在工期允許情況下可采用排水固結法結合填土預壓。(4)較薄軟土地基下臥層的后期沉降應進一步深入研究。(1)地面沉降(2)所有段落均沉沒(3)地下水位監測鋪軌后利用在路肩上設置的鐵板繼續觀測，典型的沉降與路堤荷載曲線見圖5。路基填筑時間比較集中在2003年4～6月期間，故從2003年4月開始產生明顯的地表沉降，在5～6月間就發生了10cm的沉降。地基沿整個斷面呈鍋底型變化，中間沉降較大，兩邊較小，至2003年10月Dk172+134路基中心沉降量為20.2cm,Dk172+172路基中心沉降為22.8cm。側向位移變化分為路基填筑堆載期和堆載卸載后兩個階段：在第一階段土體側向水平位移隨荷載增加而增加呈現很好的規律，第二階段是7月15日堆載卸載后，測斜管開始有所回縮，并于8月基本穩定。典型側移如圖6所示，土體側向位移主要發生在8m以內，最大側移速率為3.2mm/d。2003年4月以前應變較小，5～6月發生較大壓縮，應變隨填筑荷載增加較快；主要壓縮發生在9m深度范圍之內，占測試厚度壓縮量的60%～80%。不同間距粉噴樁處理后地基的地表沉降(圖7)均在10cm之內；2003年3～6月，4個月內填筑了60～62kPa，地表沉降約占總沉降的70%以上。路基全斷面沉降呈鍋底型。至2003年10月Dk172+215,Dk172+280觀測斷面路基中心最大沉降分別為4.8,6.4cm。土體的側向位移較小，最大值在40mm以內，最大側移速率為1.1mm/d。分層應變在5‰以內，主要沉降壓縮發生在8m范圍之內，粉噴樁以下土層仍有一定壓縮。對格柵上下的壓力測試表明，在格柵上部樁頂和樁間土應力差異較小，格柵下部差異較大，地基上部荷載經過土工格柵后，促使樁體和樁間土承擔壓力重新合理分布，至路基填筑完樁頂土壓力為350～360kPa。填筑前期沉降量較小，2003年