西北地区黄土路基沉降变形分析及治理.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202209063开放科学(资源服务)标识码(OSID)西北地区黄土路基沉降变形分析及治理陈想明(兰州交通大学土木工程学院,兰州730070)摘要:针对西北地区某客运专线铁路黄土路基 CFG 桩+水泥挤密桩长短桩组合复合地基地段出现的沉降病害问题,根据现场实测、勘探取样室内试验及沉降监测,分析病害出现的原因,提出桩板结构路基作为补强措施;采用 ABAQUS 软件,分析不同桩长、桩径及桩间距情况下的沉降变形。结果表明:桩长和桩径的增加、桩间距的缩小均能减小沉降量,但相比桩径与桩间距的变化,桩长的增加对沉降的控制效果比较明显,当桩端嵌入到
2、砂岩硬层中时,桩板结构路基的沉降很小。关键词:黄土路基;沉降病害;地基补强;桩板结构路基;数值模拟;沉降变形;桩间距中图分类号:TU473.1+2文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)04 0188 06 0 引言在西北地区修建高速铁路会遇到黄土湿陷性问题,尤其在大厚度湿陷性黄土区,沉降的控制成为施工的一大难题,因此,必须采取合适的地基处理方式消除黄土湿陷性;由于黄土受水的影响较大,即使在已处理的地基中,也会出现沉降病害。桩板结构可以有效地控制路基工后沉降,国内首次在遂渝高铁采用了桩板路基结构。刘杰、黄文军等1 2针对陡坡地段桩板结构路基进行了承载特性的分析;雷长顺3通过桩基理
3、论计算与数值模拟对比,分析软土地区桩板结构路基工后沉降;王业顺、林锋、靳猛等4 6采用理论方法和数值计算结合工程实例,对桩板结构路基沉降变形规律及沉降控制技术进行研究;苏谦等7 9对大厚度湿陷性黄土区桩板结构的设计开展了相关研究;黄骞、高霞、魏丽敏等10 12研究了列车在静荷载和动荷载下桩板结构路基的受力特性。综上所述,桩板结构路基的研究在国内已经取得较好的理论与实践成果,但对于大厚度湿陷性黄土路基中用桩板结构进行地基补强的研究相对较少。本文通过有限元数值模拟计算桩板结构补强后的沉降变形,分析不同桩长、桩径及桩间距对沉降变形的影响。1 工程概况 1.1 病害工点简介西北地区某时速 250 km
4、 的双线有砟轨道客运专线铁路,有一处病害工点,全长 290.0 m,以填方通过,路堤边坡最大高度 6.7 m。自工点起始 110.0 m 处设有框架排洪涵。本段工程位于黄河台地,地形开阔,线路两侧现已全部开垦为果园。地势总体由西北向东南缓倾,线路右侧较左侧高,形成漫坡,铁路位于坡面下游。病害工点平面示意,见图 1。1491.201491.201491.301487.80 1487.701493.601463.201494.701498.801489.701488.801488.401489.401489.201489.401489.301492.301494.701495.201496.801
5、497.111495.901497.801499.001496.501501.201501.101497.501498.801498.201508.701510.201501.101502.808912N1-1.5 m框架涵DK150+920D3Z-232D3Z-232D3Z-231D3Z-230D3Z-229D3Z-234D3Z-233D3Z-235D3Z-236D3Z-237DK151B17A10A9A9A8A11A12B16A13B14B1B2B3B4B4A1A2A3A4B13A6A7B11B12HZ+808.7397HZ+808.7397积水区域洼地B15图1病害工点平面示意 1.2
6、地层岩性该段地层岩性主要为第四系全新统冲洪积砂质黄土,上更新统冲洪积粗圆砾土,下伏白垩系下统砂岩。该段特殊岩土主要为黄土,湿陷土层厚约35.039.0 m,湿陷系数 s=0.0160.142,自重湿陷系数 zs=0.0160.054,为级自重湿陷性黄土场地。至上而下具体分层如下:砂质黄土(Q4al+pl3):浅黄色,稍湿,稍密,收稿日期:2022 11 13作者简介:陈想明(1998),男,甘肃定西人。硕士研究生,从事路基工程及地基处理研究工作。E-mail:。路基工程 188 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)颗粒成分以粉粒为主,土质均匀,级普
7、通土,厚度 均 匀,层 厚 17.5 56.0 m;粗 圆 砾 土(Q3al+pl6):杂色,砾石成分以砂岩为主,占 20%,其余为砂粒,饱和,中密,级硬土,层厚614 m;砂岩(K1Ss):棕红色,细粒结构,层状构造,节理裂隙发育,岩体破碎,级软石。1.3 气象、水文条件本段属温带大陆性气候,年平均温10.3,年平均日照时数为 2 446 小时,无霜期 180 天,年平均降水量 327 mm,主要集中在 6 月9 月。地下水类型主要为第四系孔隙潜水,埋深大于 45 m。果园所处地形为山前漫坡,种植果树,埋设灌溉系统。铁路勘察期间,灌溉方式为从下游水池泵送水源至果园,采用喷淋方式,水量较小。之
8、后果园内新建有压管网漫灌系统,三级灌溉管道密布,且主管道埋入地表以下 1 m,内径 110 mm,管道为塑料材质,质量较差,多处断裂渗漏。果园漫灌主要时间集中在秋季 8 月9 月,春季 4 月5 月,且由于水压过大,果园灌溉只能在白天进行。1.4 原设计简介地基采用水泥土挤密桩+CFG 桩加固,采用正方形布置,水泥土挤密桩桩长 8.0 m,桩径 0.4 m,桩间距 0.9 m;CFG 桩桩长 12.018.0 m,桩径0.5 m,桩间距 1.8 m。路堤段落处理宽度水泥土挤密桩为两侧坡脚外 3.0 m 范围内,CFG 桩为两侧路堤坡脚内。桩顶设 0.50.6 m 三七灰土垫层夹铺一到两层土工格
9、栅,两侧路堤坡脚外 2.0 m 采用三七灰土封闭,厚 0.6 m。路堤坡脚外 2.0 m 设置排水沟,采用混凝土浇筑。由于右侧线路较左侧高,为了防止灌溉水进入路基范围内设置了防水护道,排水沟采用三七灰土及复合土工膜封闭。排水沟外 2.00 m 设置高铁防护栅栏。路基横断面,见图 2。基床表层填 0.60 m级配碎石+0.10 m 中粗砂+复合土工膜+0.10 m 中粗砂,基床底层填 2.20 m 厚 A、B 组填料,路堤基床以下路基填筑 C 组粗颗粒填料。缓配碎石掺3%水泥C25混凝土 拱形骨架C25混凝土拱形骨架实测水沟位置挤密桩CFG桩4.604.404.401501.158防护栅栏防护栅
10、栏6.6111.518.008.008.0 m水泥土挤密桩(桩间距0.9 m)+18.m CFG桩(桩间距1.8 m)图2路基横断面(单位:m)1.5 病害路段施工情况2019 年 9 月10 月地基处理。2020 年 3 月中旬开始路堤填筑,5 月初完成。2020 年 5 月底开始运梁,12 月中旬运梁结束。2020 年 12 月底开始上砟,2021 年1 月中旬完成。1.6 现场病害情况施工单位复工后进行工程排查,发现邻近路基边坡右侧边坡防护护脚、右侧排水沟及涵洞进口以上实心砖护坡产生裂缝,宽度 0.51.0 cm,且涵洞进口第一涵节沉降缝从 2.0 cm 拉开至 5.0 cm。涵洞进口上
11、游约 24 m 范围地表裂缝有 6 道,与线路正交,呈八字角。裂缝分布情况,见图 3。时速 250 km 的双线有砟轨道客运专线铁路,对路基工后沉降的要求控制在 100.00 mm 以内13,对于大厚度湿陷性黄土区,应将沉降控制在50.00 mm 以内;自路堤填筑完成(即 2020 年5 月)后对沉降进行监测,工点 260 m 范围内路基中心处的纵向累计沉降,见图 4。此区段内沉降均不能满足控制标准,且在工点 0、160 m 这两个断面处的沉降最大,分别为 132.50、127.68 mm。(a)路基边坡裂缝(b)排水沟裂缝图3裂缝分布情况 陈想明:西北地区黄土路基沉降变形分析及治理 189
12、010 20 60100110 120 160 210 26064488096112128144沉降量/mm长度/m图4工点 260m 范围内路基中心处的纵向累计沉降 1.7 病害出现后处理措施 1.7.1 现场地质调绘经现场调查,线路两侧均为果园,地表纵横分布多条灌溉水管,水管多处破损,铁路左侧水管已失去灌溉用途;线路右侧存在 2 处明显灌溉积水洼地,分别位于涵洞入口处和工点内 250 m 处右侧路基坡脚处,涵洞入口处地形明显较两侧低,当地果农为防止灌溉水从涵洞中流走,采用堆土方式对涵洞入口进行封堵,进一步形成汇水积水区域;250 m 处右侧路基坡脚为汇水洼地,且该处灌溉水管分布密集,破损严
13、重。两处积水洼地,见图 5。(a)涵洞入口处洼地(b)汇水洼地图5两处积水洼地 现场调查发现,线路右侧果林内地表新近形成多处地面裂缝、陷坑和陷穴。其中较明显的地面裂缝有 9 处,裂缝密集的有 3 处,地面裂缝宽约 520 cm,裂缝延伸平均长度约 1030 m。为查明地表裂缝的深度和地下有无大的陷穴,在路基右侧坡脚处开挖 5 处探槽。现场开挖揭示,地面裂缝深度约 1.42.1 m,裂缝大致呈竖直状,上宽下窄状,部分裂缝开口较大,内充填树叶、草根等杂物。受有压水管冲刷、侵蚀形成的陷穴,直径约 2.03.0 m,陷穴深度约 0.51.5 m。原勘察期间,地面以下 25.0 m 范围内砂质黄土天然含
14、水率约 5.1%12.6%,平均 7.7%。为查明含水率变化情况,钻探 159.4 m/6 孔,探井75.3 m/4 孔,勘探点平面布置,见图 6。根据室内土工试验结果分析,涵洞入口(路基坡脚外 3.0 m)处砂质黄土天然含水率约 13.2%,较原勘察阶段偏高,分别为 SB3S-3 孔和 SB3Z-3孔。通过桥台至涵洞之间路基坡脚外土体含水率试验发现,SB3S-1、SB3S-2、SB3Z-1 处砂质黄土含水率约 8.6%,较原勘察阶段略有增加,增加幅度较小。SB3Z-345.40D3ZL-320.00D3ZL-230.00D3ZL-121.00SB3Z-121.00SB3Z-222.00SB3
15、S-217.50SB3S-421.00SB3S-120.00SB3S-316.8068图6勘探点平面布置 1.7.2 沉降监测为了更准确地得到受灌溉水影响后各断面处的沉降变化,进行补充测量。在路基面上每隔10 m 布设一组观测桩(G1、G2、G3),两侧路基坡脚增设一排观测桩(G4、G6),防护栅栏外增设 2 排观测桩(G5、G7)。每隔 3 天对所有观测桩进行数据采集,监测点布置,见图 7。栅栏栅栏G5G4G1G2G3G6G7图7监测点布置 自开始测量一个月时间内,果农多次对果园进行漫灌灌溉。各监测断面在 31 天内的累计沉降量,见图 8。G1G6 累计沉降量的变化平稳,最大的累计沉降量为
16、8.19 mm,G7 观测点变化比较明显,除在140 m 断面处沉降增大至 65.32 mm 外,各断面累计沉降量在 20.00 mm 以内,排查发现,观测期内主要灌溉区域为此断面处 G7 栅栏外果地,且灌溉水量较多,导致长时间泡水,部分水渗入地下发生湿陷沉降。4080120160200010203040506070累计沉降量/mmG1G2G3G4G5G6G7工点长度/m图8各监测断面在 31 天内累计沉降量 2 病害原因分析经现场调查、地质调绘勘察分析,受果园春季灌溉水影响和地表水径流排泄途径变化影响,涵洞右侧坡脚处深度 16.019.0 m 以上,天然含水率较原勘察阶段明显增加,其他地段含
17、水率增加较少;地基土含水率与原勘察阶段基本一致。路基基路基工程 190 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)底范围内未见黄土陷穴和砂层。施工期间外部灌溉环境发生改变,灌溉水量明显增大,对铁路工程产生一定影响:第一,铁路位于果园漫坡下游,地表灌溉水、降水,渗入地下的灌溉水全部流向铁路范围;为防止右侧果园灌溉水进入路基范围内,铁路右侧坡脚水沟未按设计设置在地面最低点,而是位于新设铁路护道上,汇水无法流入排水沟,形成积水下渗且排水沟内侧平台无防渗措施。第二,由于积水时间较长,导致下渗至坡脚灰土挤密桩下方湿陷性黄土中,并进一步下渗至 CFG 桩复合地基下方
18、湿陷性黄土中,引起地基湿陷性黄土产生自重湿陷、下沉。第三,果农灌溉时,为防止水顺涵洞流走,在涵洞进口堆土堵水,造成涵洞进口大量积水,湿陷并下渗,形成陷坑。果园灌溉方式改变后,水量激增,且铁路右侧坡脚排水不畅,形成局部积水洼地,地表水、雨水及灌溉水下渗,边坡护脚局部裂缝及涵节拉开,邻近栅栏外果园区域内地表以下湿陷性黄土浸水后产生湿陷下沉。复合地基范围内地基土和路基坡脚外局部地层含水率略有提高,但外界水未侵入铁路地基等主体工程内。说明该范围地基土因复合地基挤密桩处理未受到水侵蚀影响,而复合地基范围以下湿陷性黄土受到了下渗水的影响,产生了湿陷下沉。3 路基沉降病害整治措施研究 3.1 整治措施方案选
19、择针对出现的各种病害问题及沉降不满足的现象,提出以下三种推荐方案:方案一:增加隔水帷幕,补强防排水系统。在路基右侧坡脚外原地面打入旋喷咬合桩,形成止水帷幕,隔离地下渗水。同时,补强右侧排水系统,增设排水沟。方案二:补强防排水系统,加强观测沉降。补强路基右侧坡脚外排水系统,形成向铁路外排水横坡,在横坡底增设排水沟,加强隔水措施,将护道进行注浆确保密实度。方案三:采用桩板结构路基。考虑线路外果园灌溉方式无法改变,雨季降水和果园高强度灌溉水下渗侵蚀复合地基范围以下地基土会对路基稳定性产生危害,采用在基床底层顶面增设高桩板结构,桩长 4565 m,采用钻孔灌注桩。同时,右侧坡脚外增设排水沟。方案一费用
20、适中,不影响铺轨,但因线路外果园灌溉方式不能改变,能否解决路基沉降问题,待施工验证,可先设置试验段;方案二费用最低,不影响铺轨,对既有工程影响最小,但需持续进行观测,不一定能解决沉降病害问题;方案三费用最高,可直接解决路基沉降问题,可确保高铁路基长期稳定服役。通过比选,确定采用桩板结构路基方案。3.2 桩板结构路基初步设计在工点范围内基床底层顶部设置桩板结构,采用 C40 钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩径 1.001.25 m,桩嵌入底板 0.10 m,桩纵向间距 6.507.50 m,桩横 向 间 距 4.60 m,桩 长 45.00 60.00 m。板 宽10.10 m,板厚 0.85 m,采用
21、 C40 钢筋混凝土浇筑。4 桩板结构数值模拟采用 ABAQUS 建立有限元三维模型,选取摩尔-库仑本构模型,模型宽度 50 m,沿线路方向30 m,深度取 2 倍桩长。桩板结构横断面及三维模型,见图 9。各结构材料参数,见表 1。Q4al+pl3砂质黄土Q4al+pl3砂质黄土Q3al+pl6粗圆砾土4.40 4.60 4.402.75 4.60 2.750.8560.00306012050yxz(a)桩板结构横断面(b)三维模型-42-43-123-123 K1Ss砂岩图9桩板结构横断面及三维模型(单位:m)表1各结构材料参数结构材料弹性模量/MPa厚度/m泊松比密度/(kgm3)黏聚力/
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