張 振，劉洪偉，葉觀寶，饒烽瑞，戚得健

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院 地下建筑與工程系 / 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的高速發(fā)展，現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施已然不能滿足日益增長的交通流量需求。為了解決這一問題，最常用的辦法是對既有線路（公路、鐵路）進(jìn)行路基拓寬以增設(shè)復(fù)線[1-5]。然而，新舊路基結(jié)合部差異沉降控制一直是路基拓寬工程中關(guān)注的核心問題。

目前，主要采取兩種方式來解決新舊路基之間的不均勻沉降：采用地基處理方法加固拓寬路堤下地基，以減小新建路基的變形[6-11]；采用輕質(zhì)填料減少新建路堤自重，以減小地基的附加應(yīng)力[12-13]。氣泡輕質(zhì)土是將預(yù)制泡沫與水泥漿均勻混合，亦可摻入其他骨料（如黏土和砂），后經(jīng)澆筑養(yǎng)護(hù)形成的一種含有大量封閉氣孔的輕質(zhì)土工材料。因其自身具有輕質(zhì)性、強度可調(diào)節(jié)、自立性好等優(yōu)點，在路基拓寬工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[14-17]。然而，將氣泡輕質(zhì)土應(yīng)用于高鐵拓寬路基的研究較少，采用輕質(zhì)土拓寬能否滿足高鐵運行對軌道的平順性和路基差異沉降控制要求有待進(jìn)一步研究。

本文開展了氣泡輕質(zhì)土高鐵拓寬路基的離心模型試驗。對比分析了采用常規(guī)填料和氣泡輕質(zhì)土填料拓寬后的新老路堤沉降、地基土中孔隙水壓力和土壓力的變化規(guī)律。本文的研究成果對指導(dǎo)氣泡輕質(zhì)土在高鐵路基拓寬工程中的應(yīng)用具有指導(dǎo)價值。

1 離心機模型試驗

1.1 試驗設(shè)備與模型材料

本次離心試驗采用同濟(jì)大學(xué)TLJ-150型土工離心機，最大離心加速度為50 g。模型試驗相似比為1∶50。模型箱內(nèi)部尺寸為 900 mm×500 mm×700 mm（長×寬×高），模型箱一側(cè)為透明有機玻璃板，以便于在試驗過程中觀察路基變形情況。

試驗材料主要包括砂土、軟土和氣泡輕質(zhì)土三部分。砂土層采用細(xì)砂。軟土采用高嶺土、重晶石粉和水按1∶1∶1配置而成。常規(guī)路堤填料采用細(xì)砂和上述人工軟土按質(zhì)量比10∶1配置而成。氣泡輕質(zhì)土由水泥、空氣泡沫和水組成。表1列出了模型試驗中材料的基本物理力學(xué)參數(shù)。

表1 離心模型試驗材料參數(shù)Table 1 Material parameters of centrifugal model test

1.2 試驗方案

本次離心模型試驗共設(shè)置兩組：CMT-1為常規(guī)填料拓寬，CMT-2為氣泡輕質(zhì)土拓寬。圖1為模型試驗示意圖。在每組試驗中都布設(shè)了激光位移計、微型孔壓計和微型土壓力計（如圖1所示），用來監(jiān)測路基拓寬過程中地基土（軟土）的沉降，孔壓消散情況和土壓力的變化。

圖1 離心模型試驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of centrifugal model test

每一組離心模型試驗分3個階段：（1）地基自重固結(jié)階段：將填筑好的軟土模型箱在50 g的離心加速度下運行16 h，完成自重固結(jié)，50 g條件下，相當(dāng)于原型地基土經(jīng)過約4.6年的自重固結(jié)；（2）原線路運營階段：暫停離心機，在模型箱一側(cè)填筑原路基，在路基頂面放置荷載鐵塊，啟動離心機，在50 g條件下運行11 h，相當(dāng)于原路基成型后經(jīng)過約3.2年的固結(jié)以模擬高鐵路基實際運行工況；（3）拓寬路基運營階段：暫停離心機，在模型箱原路基坡面一側(cè)繼續(xù)填筑拓寬路基，在拓寬路基頂面放置荷載鐵塊，啟動離心機，在50 g條件下運行6.5 h，相當(dāng)于拓寬路基成型后經(jīng)過約1.9年的固結(jié)以模擬高鐵路基拓寬后的運行工況。

1.3 模型制作

模型制作前，在模型箱內(nèi)壁四周涂一層凡士林，而后鋪設(shè)一層塑料薄膜以減小側(cè)壁摩阻力。同時在模型箱的4個角插入PVC管，用來收集地基土在固結(jié)過程中排出的水。針對本次離心試驗的軟土，含水量選擇33%時，泥漿流動性較好，且自重固結(jié)過程中排出的水量也較少。模型箱底部鋪設(shè)一層50 mm厚的細(xì)砂模擬硬土層。將配置好的軟土泥漿倒入模型箱中，填筑厚度為450 mm，靜止24 h。地基土完成50 g下的自重固結(jié)后，清除積水，將地基土修平至400 mm厚。

模型地基準(zhǔn)備完成后，填筑模型原路堤。原路堤高150 mm，底部寬250 mm，坡度為1∶1。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》設(shè)計規(guī)定，無砟軌道的高鐵列車分布寬度為 3 m，包括高鐵軌道結(jié)構(gòu)和高鐵荷載產(chǎn)生的總荷載為67.5 kN/m2。因此本次試驗在路堤頂面放置高度 20 mm、寬度 30 mm、密度為7.6 g/cm3的鐵塊，以模擬路堤上方的總荷載[18]。完成原路堤階段運營模擬后，暫停離心機，在原路基坡面一側(cè)填筑拓寬路基。拓寬路堤頂部與原路堤齊平，底部寬300 mm，坡度為1∶1。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 孔隙水壓力

表2匯總了各階段結(jié)束時各點的超孔隙水壓力。在地基土自重固結(jié)階段，地基土中超孔隙水壓力已趨近于 0，地基土已基本完成自重固結(jié)。在原路堤運營階段，地基土中超孔隙水壓力亦趨近于0，說明在既有路堤及高鐵荷載作用下地基土已基本完成固結(jié)變形。

表2 各階段最終超孔壓監(jiān)測值Table 2 Final values of excess pore pressure in each stage kPa

圖2為拓寬路基運營階段地基土中超孔隙水壓力隨時間變化曲線。隨著離心機加速至50 g，地基土中超靜孔隙水壓力逐漸升高，且拓寬路堤正下方地基土中超孔壓升高較高（W2和W4），隨后逐漸消散。采用常規(guī)填料拓寬，W2和W4測點的超靜孔壓增量為110 kPa和65 kPa；而采用氣泡輕質(zhì)土拓寬，W2和 W4測點的超靜孔壓增量為 60 kPa和30 kPa，減小了約50%。試驗結(jié)束時，CMT-1中各測點的殘余超靜孔壓為 5～17 kPa，CMT-2中各測點的殘余超靜孔壓僅為1～7 kPa，可以認(rèn)為地基已基本完成固結(jié)。采用氣泡輕質(zhì)土進(jìn)行路堤拓寬，由于其輕質(zhì)性，顯著減小了由于路基拓寬在地基土中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，同時相同運營時間后，地基土中的殘余超靜孔隙水壓力也更小。

圖2 拓寬路基階段超孔壓消散Fig. 2 Dissipation of excess pore pressure during embankment widening

2.2 沉降與差異沉降

圖3為原路堤運營和拓寬路基運營階段路堤頂面沉降隨時間發(fā)展曲線。由于在既有路堤和拓寬路堤填筑時控制相對密度為70%，常規(guī)填料路堤本身的壓縮量已很小，而對于輕質(zhì)土填料路堤，其總荷載為氣泡輕質(zhì)土材料無側(cè)限抗壓強度的6%，其對應(yīng)的無側(cè)限抗壓試驗下的材料應(yīng)變約為0.1‰，因此，可以認(rèn)為在拓寬路堤運營階段，路堤產(chǎn)生的沉降和差異沉降主要是由于軟土路基變形引起的。CMT-1和CMT-2在原路堤運營階段的最終沉降基本一致，分別為27.58 mm和30.28 mm（激光位移計實測值），說明試驗操作和模型制作具有較好的可重復(fù)性。拓寬路堤運營階段不僅會造成拓寬路堤的沉降，而且會引起既有路堤的附加沉降，且采用氣泡輕質(zhì)土引起的新老路堤沉降約為采用常規(guī)填料的50%。拓寬路堤運營階段，CMT-1和CMT-2中原路堤和拓寬路堤產(chǎn)生的差異沉降分別為1.86%和0.87%（見表3）。

圖3 路基沉降圖Fig. 3 Settlement of embankment

表3 路堤沉降與差異沉降Table 3 Settlement and differential settlement of embankment

3 土壓力分布

圖4為拓寬路堤引起的地基土總應(yīng)力增量分布云圖。地基土總應(yīng)力增量云圖采用隨機網(wǎng)格法將各土壓力監(jiān)測點測得的數(shù)據(jù)離散成數(shù)據(jù)矩陣。由圖可知，云圖分布與監(jiān)測值基本一致。路基拓寬引起的附加應(yīng)力主要集中在新老路基交界處靠近拓寬路堤一側(cè)，同時，仍會引起原路堤下土中附加應(yīng)力的增加，但對原路堤地基土的附加應(yīng)力影響較小。采用氣泡輕質(zhì)土拓寬后，地基中的附加應(yīng)力增量約為常規(guī)填料的50%，高于氣泡輕質(zhì)土與常規(guī)填料的密度比0.41。這主要是因為路堤頂面鐵塊的影響。采用氣泡輕質(zhì)土作為拓寬路基填筑材料，可以有效地減少拓寬路堤對地基土造成的附加應(yīng)力。

圖4 路堤拓寬引起的地基土壓力增量分布圖Fig. 4 Distribution of earth pressure increment caused by embankment widening

4 結(jié) 論

（1）路堤拓寬時會造成拓寬路堤正下方地基土中超孔壓顯著升高。采用氣泡輕質(zhì)土進(jìn)行路堤拓寬，地基土中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力約為常規(guī)填料的50%，同時相同運營時間后，地基土中的殘余超靜孔隙水壓力也更小。

（2）拓寬路堤運營階段不僅會造成拓寬路堤的沉降，而且會引起既有路堤的附加沉降，采用常規(guī)填料和氣泡輕質(zhì)土填料引起的新老路堤差異沉降分別為1.86 %和0.87%。

（3）路基拓寬引起的附加應(yīng)力主要集中在新老路基交界處靠近拓寬路堤一側(cè)，仍會引起原路堤下土中附加應(yīng)力的增加，但對原路堤地基土的附加應(yīng)力影響較小。采用氣泡輕質(zhì)土拓寬后，地基中的附加應(yīng)力增量約為常規(guī)填料的50%。