張建文,劉 剛,李安洪,蔣關(guān)魯

(1.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展,為了提高線路的穩(wěn)定性和平順性,保證列車高速、安全的運(yùn)營(yíng),對(duì)鐵路路基的沉降量控制提出了更加嚴(yán)格的要求。鑒于非飽和土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在非飽和土地基上修筑高速鐵路,在沉降量控制和施工工期規(guī)劃上存在很大不確定性。如果完全采用經(jīng)典飽和理論對(duì)非飽和土地基進(jìn)行加固處理,不僅無法滿足高速鐵路設(shè)計(jì)和施工要求,甚至可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。通過非飽和土固結(jié)壓縮試驗(yàn),深入研究其固結(jié)壓縮特性及變形機(jī)理。通過對(duì)非飽和土地基采用不同的加固工法進(jìn)行加固處理,監(jiān)測(cè)路基填筑期和放置期的沉降變形,對(duì)其加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià),建立非飽和土地基處理新技術(shù),以更好地滿足我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展的需要。

2 非飽和土水土特性

非飽和土的吸力由滲透吸力和基質(zhì)吸力兩部分組成[1],其中基質(zhì)吸力為土中水自由能的毛細(xì)部分,是由非飽和土中收縮膜分子間的作用力引起的,通常采用孔隙水壓力(uw)和孔隙氣壓力(ua)的差值來定義,如式(1)所示：

(1)

式中，Ts為水的表面張力；Rs為彎液面的半徑。

為了研究非飽和土的水土特性，通常采用水土特征曲線(SWCC)進(jìn)行表征。影響水土特征曲線的因素非常復(fù)雜,但礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是影響水土特征曲線的主要因素。這主要是由于孔隙結(jié)構(gòu)影響了收縮膜的大小和形狀,造成土體基質(zhì)吸力的差異。而對(duì)于黏粒含量高的非飽和土,持水能力強(qiáng),收縮膜的接觸角大,土體的基質(zhì)吸力相應(yīng)較高。圖1為非飽和原狀粉質(zhì)黏土的水土特征曲線,從圖中可以看出土體的基質(zhì)吸力隨著含水量的減小而增加。曲線按照含水量由低到高的順序,大致可分為3個(gè)階段：BC段，土體的含水量較低,土中孔隙氣連通,水量的微小變化會(huì)引起含水量的劇烈變化；AB段，基質(zhì)吸力隨著含水量的減小變化幅度不大,該階段是土體由氣封閉向水封閉轉(zhuǎn)化的過程,轉(zhuǎn)化初期含水量變化幅度較小,土體處于雙封閉狀態(tài),孔隙水和孔隙氣都不連續(xù)；隨著轉(zhuǎn)化幅度增大,土顆粒接觸點(diǎn)的水膜開始搭結(jié)并最終轉(zhuǎn)化為水封閉結(jié)構(gòu)；OA段，土體含水量較高,土中孔隙充滿水,土體顆粒接觸點(diǎn)的水膜是連續(xù)的,基質(zhì)吸力隨含水量變化顯著。

圖1中A、B兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)土體的進(jìn)氣值和殘余含水量,非飽和粉質(zhì)黏土的進(jìn)氣值大約在35 kPa,含水量w=23.6%；殘余含水量大約為11.87%。

圖1 非飽和粉質(zhì)黏土水土特征曲線[2]

3 非飽和土固結(jié)壓縮特性

3.1 瞬時(shí)沉降

非飽和土受外荷載作用產(chǎn)生的沉降主要是由瞬時(shí)沉降和固結(jié)沉降兩部分組成,后者往往比前者要小的多。瞬時(shí)沉降是由土體的剪應(yīng)力引起的,加荷初期孔隙水和孔隙氣來不及排出,土體的體積沒有變化。此時(shí),瞬間沉降可按照以下彈性力學(xué)公式近似計(jì)算

(2)

式中，p為路堤底面垂直荷載；B為路堤寬度；w為考慮荷載面積形狀和沉降計(jì)算點(diǎn)位置的系數(shù)；μ為泊松比；E為地基土的變形模量。

從上式可以看出,土體的泊松比越小,瞬時(shí)沉降越大。通過K0固結(jié)試驗(yàn)可得到不同含水量的非飽和土泊松比。表1列舉了不同含水量的非飽和土樣測(cè)試結(jié)果,含水量22.12%和含水量18.06%的土體側(cè)壓力系數(shù)分別為0.61和0.52,泊松比分別為0.37和0.34。顯然,含水量高的土體比含水量低的土體側(cè)壓力系數(shù)要大,也就是說低飽和土體的瞬時(shí)沉降量要大于高飽和土體的瞬時(shí)沉降量,飽和土的瞬時(shí)沉降量則要小于非飽和土的瞬時(shí)沉降量。這是由非飽和土內(nèi)部孔隙流體的壓縮性引起的。用Ef、Ew、Ea分別表示流體的體變模量、水的體變模量和氣體的體變模量,它們?nèi)咧g的關(guān)系為

(3)

假定水是不可壓縮的,結(jié)合前述對(duì)水土特征曲線的分析結(jié)果,當(dāng)土體的飽和度(Sr)低于82.8%時(shí),土體中氣體已經(jīng)完全連通或處于內(nèi)部連通。由于飽和度較低,孔隙流體模量較小,土體的壓縮性較大。當(dāng)飽和度(Sr)高于82.8%時(shí),孔隙氣處于完全封閉狀態(tài),此時(shí)飽和度的變化將影響孔隙流體的體變模量和土骨架模量的可比性,飽和度越接近于1,孔隙流體的體積模量變化越劇烈。當(dāng)飽和度(Sr)等于1時(shí),土體孔隙中全部充滿水,此時(shí)孔隙流體的體變模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土骨架的壓縮模量,通常視為不可壓縮流體。

表1 K0固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]

3.2 飽和度與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系

將土體按照飽和程度的高低分為4個(gè)階段：低飽和度(Sr<52.9%)、中等飽和度(52.9%≤Sr<82.8%)、高飽和度(82.8%≤Sr<90%)和飽和土(Sr≥90%)。從圖2可以看出,在低飽和土體的范圍內(nèi),固結(jié)時(shí)間隨著飽和度(Sr)的不斷增加逐漸延長(zhǎng)。這是因?yàn)橥馏w初始飽和度越大,孔隙中的氣體越少,而土體的透水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于透氣性,造成土體的固結(jié)過程緩慢。當(dāng)土體的飽和度達(dá)到高飽和土體的范圍時(shí),孔隙水已經(jīng)完全連通并且可以傳遞水壓力,土體的固結(jié)時(shí)間開始減小,并逐漸趨近于飽和土的固結(jié)時(shí)間[6],也就是說,飽和土的固結(jié)時(shí)間比高飽和度非飽和土的固結(jié)時(shí)間短。

圖2 非飽和粉質(zhì)黏土固結(jié)時(shí)間與初始飽和度關(guān)系曲線

4 非飽和土地基加固工法

4.1 試驗(yàn)斷面

考慮現(xiàn)場(chǎng)地基屬于低飽和度非飽和土及上述研究結(jié)果,試驗(yàn)段內(nèi)分別采用3種不同的工法進(jìn)行加固處理,試驗(yàn)斷面如下。

DkK219+100(短攪拌樁處理)：路基高度7.75 m,樁長(zhǎng)6.5 m,嵌入下臥層0.5 m以上,樁徑0.5 m,樁間距1.1 m,樁頂設(shè)置40 cm厚砂礫石墊層。

DkK225+700(換填)：路基高度8.43 m,上覆0～0.5 m松軟土,通過清除換填予以改良,換填深度2 m。

DkK226+925(強(qiáng)夯處理)：路基高度7.3 m,斷面地基表面1～5 m黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土,具有Ⅰ級(jí)輕微非自重濕陷性,采用強(qiáng)夯改良處理,地基面設(shè)置60 cm厚二八灰土墊層。夯錘重力150～300 kN,點(diǎn)夯8～15次,夯擊能1 000～2 000 kN·m,夯點(diǎn)間距3.5 m；滿夯分3次夯實(shí),夯擊能1 000 kN·m。

4.2 非飽和土地基沉降分析

地基土的沉降量受基底應(yīng)力、附加應(yīng)力衰減以及地基土工程力學(xué)性質(zhì)的影響并存在顯著差異。沉降計(jì)算中通常采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)測(cè)得的壓縮模量(Es)和原位變形模量(E0)作為計(jì)算參數(shù)。從理論上講,通過彈性力學(xué)的方法可推求出兩者之間的函數(shù)關(guān)系,如下式

E0=βEs

(4)

從上式可以看出,土體的壓縮模量要大于變形模量,但是工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)通過現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)得到的變形模量大于壓縮模量。產(chǎn)生上述不一致的原因在于,室內(nèi)試驗(yàn)所得到的壓縮模量由于土樣擾動(dòng)和應(yīng)力歷史等因素的影響無法反映真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于結(jié)構(gòu)性強(qiáng),靈敏度高的正常固結(jié)和超固結(jié)土來說,室內(nèi)試驗(yàn)中所采用的荷載遠(yuǎn)小于實(shí)際的應(yīng)力范圍,造成理論計(jì)算值(β)比實(shí)際情況小的多,此時(shí)變形模量可能出現(xiàn)大于1的情況,甚至達(dá)到2以上,如表2所示。相關(guān)研究表明,土體越堅(jiān)硬,E0和βEs的差距越大[3]。此外,不同的測(cè)試手段采用的取值標(biāo)準(zhǔn)、誤差程度存在較大差異,都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差。

表2 變形模量與壓縮模量間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[4]

為了消除上述因素造成的計(jì)算誤差,通過修正的均布應(yīng)力法計(jì)算基底應(yīng)力[7],并采用原位變形模量計(jì)算地基沉降量,對(duì)于水泥攪拌樁這類復(fù)合地基考慮到樁的刺入作用采用L/3法進(jìn)行計(jì)算,表3列出了不同斷面的地基沉降量計(jì)算值。

表3 不同斷面沉降計(jì)算

注：變形模量由平板荷載試驗(yàn)測(cè)得。

5 現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)

本次觀測(cè)主要研究路基填筑和放置期間非飽和土地基和路基的沉降變形規(guī)律,同時(shí)通過分析大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)各種加固工法下非飽和土地基的加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.1 儀器布設(shè)

為了觀測(cè)深厚非飽和土地基的沉降規(guī)律,分別埋設(shè)沉降板和沉降磁環(huán)量測(cè)路基填筑過程中地表的沉降量和地基土的整體沉降,同時(shí)采用單點(diǎn)沉降儀測(cè)定地面以下土層的分層壓縮量。考慮到路基和地基的整體穩(wěn)定性,通過布設(shè)位移觀測(cè)樁和測(cè)斜管監(jiān)測(cè)路基和地基整體穩(wěn)定性,并研究路基穩(wěn)定性與沉降變形的關(guān)系。對(duì)于非飽和土而言,施工過程中飽和度的變化對(duì)其工程力學(xué)性質(zhì)有很大影響,故在地基土中布設(shè)孔隙水壓力計(jì),以監(jiān)測(cè)孔隙水的變化,儀器布置如圖3所示。

圖3 膠濟(jì)線地基及路基沉降觀測(cè)儀器布設(shè)

5.2 沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)

5.2.1 側(cè)向位移

圖4～圖6為3個(gè)斷面不同深度的水平位移,從圖中可以看出,填筑過程中水平位移整體向外偏移,水平位移隨著時(shí)間和荷載的增加,偏移量加大,累計(jì)最大位移分別為：2.2、8.9、8 mm。總體上累計(jì)水平位移量較小,地基的水平位移對(duì)地基的沉降影響較小。

由文獻(xiàn)[5]的數(shù)據(jù)可知,換填和強(qiáng)夯加固的非飽和土地基側(cè)向位移曲線總體呈弓形,位移量大,最大位移一般發(fā)生在相對(duì)軟弱的土層。由圖4～圖6可知,與另外兩種工法相比,經(jīng)水泥攪拌樁加固的地基土側(cè)向位移有明顯不同,位移量要小的多,最大側(cè)向位移發(fā)生在加固區(qū)以下,曲線的最大曲率也相對(duì)較小。

圖4 水泥攪拌樁處理斷面不同深度水平位移

圖5 換填處理斷面不同深度水平位移

圖6 強(qiáng)夯處理斷面不同深度水平位移

將3種工法的最大側(cè)向位移進(jìn)行歸一化處理后可以看出(如圖7～圖9所示)：(1)換填處理后的地基在路基填筑前期側(cè)向位移增長(zhǎng)速度最快,位移量較大,并且保持相對(duì)穩(wěn)定的增長(zhǎng)速率，路基開始填筑約3個(gè)月后側(cè)向位移開始呈現(xiàn)出逐步變緩的趨勢(shì)；(2)水泥攪拌樁處理地基在路基填筑前期的變形規(guī)律與強(qiáng)夯加固類似,但是隨著路基填筑高度的增加,側(cè)向位移迅速收斂；(3)強(qiáng)夯處理后的地基在路基填筑前期側(cè)向變形較小,荷載和位移呈線性增長(zhǎng),但在路基填筑后期,側(cè)向位移突然增大,并隨著路基填筑完成后迅速穩(wěn)定下來。在路基填筑完成的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),采用水泥攪拌樁加固處理地基的側(cè)向位移最穩(wěn)定。

圖7 水泥攪拌樁處理斷面最大側(cè)向位移變化曲線

圖8 換填處理斷面最大側(cè)向位移變化曲線

圖9 強(qiáng)夯處理斷面最大側(cè)向位移變化曲線

通過上述對(duì)側(cè)向位移的分析,3種不同工法加固處理地基的變形形態(tài)存在顯著差異。對(duì)于水泥攪拌樁加固處理地基而言,樁體承擔(dān)了大部分路堤荷載,并通過樁體傳遞至地基下臥層,樁間土所承擔(dān)的附加應(yīng)力很小,此時(shí)水泥攪拌樁復(fù)合地基限制了地基土的變形,因而水泥攪拌樁的側(cè)向位移很小,并且主要集中在復(fù)合地基下臥層。強(qiáng)夯加固地基側(cè)向變形明顯滯后于路基填土高度,主要是因?yàn)閺?qiáng)夯加固的影響范圍通常在4～5 m,路基填土高度較低時(shí),附加應(yīng)力的影響集中在強(qiáng)夯加固區(qū),對(duì)地基土的側(cè)向變形影響較小,隨著路基填筑高度的增加,附加應(yīng)力對(duì)加固區(qū)以下土層的影響逐漸顯現(xiàn),此時(shí)最大側(cè)向位移發(fā)生在地表以下4.5～5.5 m的位置。

5.2.2 豎向位移

限于篇幅,本文僅討論該工點(diǎn)的非飽和土地基處理方法及地基沉降。圖10～圖12分別為水泥攪拌樁加固地基、換填加固地基和強(qiáng)夯加固地基的沉降觀測(cè)結(jié)果,測(cè)試時(shí)間從路基開始填筑至鋪軌完成后約3個(gè)月。從圖中可以看出,3種地基土地表沉降實(shí)測(cè)值分別為84、142.6 mm和129.5 mm,其中路基填筑期間的沉降分別為80、124.4 mm和106.1 mm。采用雙曲線法預(yù)測(cè)地基的最終沉降量[6],不同工況下非飽和土地基的沉降見表4。

圖10 水泥攪拌樁處理斷面沉降-時(shí)間曲線

圖11 換填處理斷面沉降-時(shí)間曲線

圖12 強(qiáng)夯處理斷面沉降-時(shí)間曲線

由圖10～圖12和表4可知,地基沉降可分為3個(gè)階段：(1)填筑期地基沉降主要由路基本體的自重引起,沉降量較大。路基填筑速度決定其沉降速率的大小,通常填筑速度越快,沉降速率越大。不同斷面填筑期的地基沉降分別完成最終沉降量的95.2%、87.2%和81.9%。(2)填筑完成以后的沉降速率較填筑期明顯放緩,沉降量也大幅度減小,由于受前期路基填筑速度的影響,填筑速度越快的斷面,后期沉降越大；反之,沉降越小。不同斷面地基土放置期+工后沉降分別占最終沉降量的4.8%、12.8%和18.1%。

表4 不同斷面地基沉降量 mm

圖13～圖14分別是水泥攪拌樁和強(qiáng)夯加固非飽和土地基加固區(qū)和下臥層的沉降量,從表5可以看出,加固區(qū)沉降量分別占總沉降量的35.1%和16.1%,下臥層沉降量分別占總沉降量的64.9%和83.9%。結(jié)合表3還可以看出,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合。從沉降量上看,經(jīng)水泥攪拌樁加固后的地基沉降量最小。這說明非飽和土地基經(jīng)過水泥攪拌樁加固后,傳遞至下臥層的附加應(yīng)力有所減小。

圖13 水泥攪拌樁處理斷面加固區(qū)和下臥層沉降量

圖14 強(qiáng)夯處理斷面加固區(qū)和下臥層沉降量

表5 不同斷面實(shí)測(cè)沉降量 mm

將各種斷面沉降-時(shí)間關(guān)系歸一化(沉降與最終沉降的比值)處理,如圖15所示。從圖中可以看出,換填加固的非飽和土地基與強(qiáng)夯處理后的非飽和土地基沉降變形規(guī)律比較接近,路基填筑完成后,沉降速度開始放緩但未完全收斂；經(jīng)水泥攪拌樁處理后的地基沉降穩(wěn)定時(shí)間最短,隨著路基填筑的完成,路基沉降迅速收斂。

圖15 各種斷面沉降-時(shí)間歸一化曲線

通過上述分析,非飽和土地基經(jīng)過水泥攪拌樁或強(qiáng)夯加固處理后,填筑期間完成的沉降占最終沉降量的80%以上,工后沉降得到有效控制,沉降穩(wěn)定時(shí)間也相應(yīng)縮短。

6 結(jié)論

通過對(duì)非飽和土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè),可以得到以下結(jié)論。

(1)非飽和土的固結(jié)時(shí)間與飽和度有密切關(guān)系。低飽和度下,固結(jié)時(shí)間隨著飽和度的增加而延長(zhǎng)。當(dāng)飽和度超過82.8%時(shí),固結(jié)時(shí)間隨著飽和度的增加而減小并最終趨近于飽和土的固結(jié)時(shí)間。

(2)由于非飽和土內(nèi)部水氣混合物的壓縮作用,導(dǎo)致非飽和土比飽和土的瞬時(shí)沉降大,但是飽和土和非飽和土的最終沉降量是基本相同的。

(3)采用修正的均布荷載和原位變形模量計(jì)算地基沉降與現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)結(jié)果基本吻合。

(4)通過強(qiáng)夯、換填和短水泥攪拌樁加固處理的非飽和土地基,沉降量得到有效控制,沉降時(shí)間大大縮短。

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