談高鐵路基沉降控制技術(shù)范文
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地基沉降變形大小則主要由地基土的性質(zhì)、地基處理方法決定。地基沿縱橫向軟弱土層分布不均(如地層傾斜、土層、土性、密度等)，橫向半填半挖或縱向填挖交界、部分路基落入河塘回填等特殊地段，以及不同處理方式的相接部位等處理不當(dāng)，都會(huì)引起不均勻沉降。另外特殊土地基如濕陷性黃土地基、膨脹土地基、巖溶地基等，由于其組成土的物質(zhì)成分和次生變化等多種復(fù)雜因素，造成其在特定情況下容易發(fā)生地基變形，而引起路基不均勻沉降。此外，如地基土體顆粒的不均勻、相鄰地基土的性質(zhì)差異、地基基礎(chǔ)處理不當(dāng)、地基土所受的荷載不同及地質(zhì)勘查資料不準(zhǔn)確等因素，也都會(huì)引起地基基礎(chǔ)的不均勻沉降。
1路基本體不均勻沉降
路基本體的不均勻沉降是指路基填筑體的不均勻沉降，其影響因素包括內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要為填料和壓實(shí)質(zhì)量，填料粒徑過(guò)大、級(jí)配不均，顆粒質(zhì)軟以及碾壓不密實(shí)等都可能造成路基本體的不均勻沉降;外因主要為水文條件，如地下水、地表水的影響，以及外部荷載、地震等外力作用。在路基填筑施工過(guò)程中，填料的級(jí)配有時(shí)難以得到有效的控制。這些填料性質(zhì)差異大、級(jí)配也相差甚遠(yuǎn)。一方面，在施工過(guò)程中，如果分層碾壓厚度過(guò)大，小顆粒填料和軟弱物質(zhì)很難得到有效壓實(shí)，在荷載的長(zhǎng)期作用下，會(huì)產(chǎn)生填料的局部沉陷，造成路基不均勻沉降變形，甚至可能產(chǎn)生裂紋或縫隙。另一方面，由于填料的性質(zhì)不一樣，不同性質(zhì)的填料混填，因不同土類的可壓縮性和抗水性差異，特別是有的填料具有膨脹性，在路基排水系統(tǒng)局部失效后，水的滲入會(huì)使路基面局部隆起，造成不均勻沉降。施工過(guò)程中壓實(shí)質(zhì)量的控制對(duì)路基本體不均勻沉降也有較大影響。路基填料是由各種不同粒徑的單個(gè)顆粒組成。在碾壓過(guò)程中，填料顆粒重新排列、相互靠緊、小顆粒進(jìn)入大顆粒間的空隙中。路基填料壓實(shí)是使路基各結(jié)構(gòu)層的填料具有足夠的密實(shí)度。路基壓實(shí)不足，如圖1所示，在行車荷載作用下填料顆粒會(huì)重新排列，產(chǎn)生沉降變形;路基的密實(shí)度愈小，所產(chǎn)生的沉降變形愈大，因而易產(chǎn)生不均勻沉降。路堤或地基中地下水的動(dòng)態(tài)特征以及地表降雨對(duì)路基不均勻沉降影響很大。路堤及其地基中的地下水主要補(bǔ)給來(lái)源有3種類型，即地下水縱向補(bǔ)給、降雨實(shí)給、地表水側(cè)向補(bǔ)給。其動(dòng)態(tài)變化及潛蝕作用影響到土體中的有效應(yīng)力分布、土體的結(jié)構(gòu)特征和土體強(qiáng)度，從而導(dǎo)致路基的不均勻沉降。
2過(guò)渡段不均勻沉降
高速鐵路是由不同特點(diǎn)、性質(zhì)迥異的線下構(gòu)筑物如橋涵、隧道、路基等和線路上部的軌道結(jié)構(gòu)組成的。由于路基強(qiáng)度、剛度、變形與橋涵等橫向結(jié)構(gòu)物的差異大，使列車從橋臺(tái)上下來(lái)時(shí)，對(duì)路基產(chǎn)生較大沖擊，這種沖擊力易使過(guò)渡段路基產(chǎn)生道砟翻漿冒泥、路基下沉變形、線路部件損壞等病害。另外，路基與橋梁、涵洞等橫向結(jié)構(gòu)物過(guò)渡段是施工過(guò)程的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié);施工時(shí)，橋臺(tái)涵背附近的部位大型壓路機(jī)碾壓不到，小型振動(dòng)碾壓設(shè)備難以使橋臺(tái)涵背后的填料達(dá)到最佳壓實(shí)狀態(tài);受橋臺(tái)涵背填土部位狹窄的限制，在靠近橋臺(tái)涵背部位進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)存在困難;從而易導(dǎo)致過(guò)渡段產(chǎn)生不均勻沉降。
3不均勻沉降的解決措施
高速鐵路路基不均勻沉降控制，是保證列車高速、安全、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。只有從地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)等方面進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，才能有效控制路基的不均勻沉降。
3．1地質(zhì)勘察
地質(zhì)勘察是路基工程的基礎(chǔ)工作，其勘探質(zhì)量、精度直接影響到地基處理方案、路基結(jié)構(gòu)形式選用、施工工藝選擇和施工質(zhì)量控制，對(duì)路基的變形及穩(wěn)定具有重要的影響。路基不均勻沉降主要來(lái)源于地基的不均勻沉降，地基的不均勻沉降與地基條件、地基處理方案以及路堤填高和路基斷面形式有密切的關(guān)系。因此，詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察是控制高速鐵路路基不均勻沉降的前提。國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，高速鐵路路基工程必須通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪和足夠的勘察、試驗(yàn)工作，查明基底、路塹邊坡、支擋結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)的巖土結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)，查明不良地質(zhì)情況，在取得可靠的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上開(kāi)展設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)大量的鐵路路基病害產(chǎn)生的原因也多為路基工程勘察不足，對(duì)不良地質(zhì)情況沒(méi)有查明，設(shè)計(jì)和施工中路基填料來(lái)源和性質(zhì)差別大，再加上路基施工管理、質(zhì)量控制措施不嚴(yán)等因素造成。因此必須提高路基工程前期地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量，準(zhǔn)確查明地質(zhì)條件和填料工程性質(zhì)，為設(shè)計(jì)施工提供評(píng)價(jià)地基和路基結(jié)構(gòu)物變形狀態(tài)的必要地質(zhì)資料，才能從根本上控制高速鐵路路基不均勻沉降。
3．2路基的設(shè)計(jì)
高速鐵路路基與普通鐵路路基相比，基床及過(guò)渡段結(jié)構(gòu)在行車條件下所承受的動(dòng)力作用和變形更為復(fù)雜。因此，在地質(zhì)勘察資料完備的前提下，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)計(jì)管理、提高路基設(shè)計(jì)質(zhì)量，以減少通車運(yùn)營(yíng)后的路基病害，防止或控制不均勻沉降的產(chǎn)生。對(duì)于高速鐵路路基的設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵守《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621)中相關(guān)規(guī)定，路基主體工程按土工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)年限100年［3］24。其地基處理、路堤填筑、邊坡支擋防護(hù)以及排水設(shè)施必須滿足少維修或免維修、耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，嚴(yán)格控制邊坡高度，避免設(shè)置高路堤、深路塹和特殊巖土的路基。同時(shí)對(duì)于軟土地基、山前坡地和橫向半挖半填路段、穿越和部分落入河塘等特殊路段，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)、地形、地貌情況進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，針對(duì)各類地基情況采取適當(dāng)?shù)牡鼗幚泶胧５鼗幚頃r(shí)應(yīng)以減少地基工后沉降，最大限度地消除不均勻沉降，追求不均勻沉降量為零的目標(biāo)。同時(shí)應(yīng)滿足下述要求:(1)地基處理后的剛度滿足設(shè)計(jì)要求且均勻;(2)地基坡腳處的剪切應(yīng)力最小;(3)地基受力、沉降變形均勻。此外，路基與橋涵等橫向結(jié)構(gòu)物過(guò)渡段、地層變化較大處和不同地基處理措施連接處，是路基不均勻沉降容易產(chǎn)生的部位，故在地基處理和路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)按規(guī)范要求采取逐漸過(guò)渡的方法，減少不均勻沉降，以滿足軌道平順性要求。只有從設(shè)計(jì)上滿足地基基礎(chǔ)、路基結(jié)構(gòu)的剛度、沉降變形的均勻性，才能從理論上實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路路基不均勻沉降的控制。
3．3填料的控制
路基填料對(duì)路基的平順與穩(wěn)定起著重要作用。一方面路基填料最大粒徑的限制對(duì)保證路基工程質(zhì)量有著重要作用，另一方面，填料的粒徑級(jí)配對(duì)碾壓后所能達(dá)到的密實(shí)度有明顯影響。就填料顆粒粒徑而言，顆粒粒徑太大，易碾壓不均勻，導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻沉降、水囊和不穩(wěn)定的滑動(dòng)面等病害。顆粒粒徑過(guò)小，路基的水穩(wěn)性差，遇水易產(chǎn)生病害。路基填筑的理想填料是最大粒徑不大于60mm、75mm，且水穩(wěn)性強(qiáng)、級(jí)配良好的填料。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，理想填料在填筑均勻，并在最佳含水量條件下充分壓實(shí)，形成的路基具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。根據(jù)線路等級(jí)和路基填筑的部位，國(guó)內(nèi)外對(duì)路基填料的選用都有具體要求。德國(guó)要求路基填料的最大粒徑不大于63mm;日本要求路基填料的最大粒徑不大于75mm。我國(guó)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621－2009)規(guī)定，基床底層填料的最大粒徑應(yīng)控制在60mm以內(nèi)，基床以下應(yīng)控制在75mm以內(nèi)［3］24。因此，高速鐵路路基施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守填料粒徑的要求，避免因粒徑過(guò)大對(duì)路基施工質(zhì)量帶來(lái)隱患。在填料級(jí)配方面，根據(jù)秦沈客運(yùn)專線、武廣、京滬等高速鐵路路基施工經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)鐵路對(duì)填料的劃分較粗，尤其是粗顆粒填料，在實(shí)際施工填筑中存在填料組別合格，但由于級(jí)配不良，直接碾壓不能達(dá)到所規(guī)定的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。在勘察設(shè)計(jì)階段，往往對(duì)于填料材質(zhì)較為重視，而對(duì)于填料的粒徑級(jí)配則重視不夠。《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001)和《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB10077)對(duì)于填料的粒徑級(jí)配的劃分，是根據(jù)填料的粒徑級(jí)配曲線，確定不均勻系數(shù)Cu(Cu=d60/d10)和曲率系數(shù)Cc(Cc=d230/(d10d60))進(jìn)行劃分的。當(dāng)Cu不小于5，Cc等于1～3時(shí)，屬于級(jí)配良好;當(dāng)Cu小于5，Cc不在1～3之間時(shí)，填料的粒徑級(jí)配范圍窄或級(jí)配曲線不連續(xù)，屬于級(jí)配不良［4］。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，不是所有符合Cu不小于5、Cc等于1～3的填料，壓實(shí)后都能滿足壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求。基床表層級(jí)配碎石及過(guò)渡段級(jí)配碎石的不均勻系數(shù)Cu，一般不低于20;粗粒土中的礫石類土和砂類土，不均勻系數(shù)Cu大于12時(shí)基本可以滿足基床以下路堤的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求，不均勻系數(shù)Cu大于20時(shí)基本可以滿足基床底層的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于填料級(jí)配的連續(xù)性，一般采用曲率系數(shù)Cc來(lái)判斷，與不均勻系數(shù)Cu指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的曲率系數(shù)Cc應(yīng)在0．5～4為宜，即當(dāng)曲率系數(shù)Cc在0．5～4時(shí)可認(rèn)為該填料的粒徑級(jí)配連續(xù)［5］。因此，高速鐵路路基填筑前，應(yīng)對(duì)路基填料的粒徑級(jí)配提出要求或完善現(xiàn)行路基填料分類體系。
3．4路基壓實(shí)質(zhì)量控制
路基壓實(shí)質(zhì)量對(duì)于路基的強(qiáng)度、承載能力及穩(wěn)定性有重要作用。壓實(shí)質(zhì)量好的路基可以充分發(fā)揮路基填料的強(qiáng)度，在使用過(guò)程中可以減少路基在列車荷載作用下產(chǎn)生的變形，增加路基土體的不透水性及強(qiáng)度穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生不均勻沉降等問(wèn)題;反之，壓實(shí)質(zhì)量不好的路基易產(chǎn)生局部沉陷、縱向開(kāi)裂，甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)于路基的壓實(shí)質(zhì)量，通常采用檢測(cè)路基土體的物理及力學(xué)指標(biāo)來(lái)評(píng)判，即控制路基土體的物理及力學(xué)指標(biāo)。《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621－2009)中的路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，物理指標(biāo)都采用壓實(shí)系數(shù)K控制(基床表層、基床底層及基床以下路堤的壓實(shí)系數(shù)K分別不低于0．97、0．95及0．92)［3］33。為了使壓實(shí)系數(shù)K準(zhǔn)確客觀，真實(shí)反映路基壓實(shí)質(zhì)量，路基填筑的填料類型及級(jí)配必須與室內(nèi)試驗(yàn)確定最大干密度的填料類型及級(jí)配相同。對(duì)于均勻性較差的路基填料，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增補(bǔ)最大干密度試驗(yàn)，求得相應(yīng)的最大干密度值，以控制和檢驗(yàn)路基填筑質(zhì)量。
4結(jié)論與建議
綜上所述，高速鐵路路基不均勻沉降控制的措施應(yīng)考慮以下幾方面:(1)提高地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性。高速鐵路路基工程必須通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪和足夠的勘察、試驗(yàn)工作，查明基底、路塹邊坡、支擋結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)的巖土結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)，查明不良地質(zhì)情況，在取得可靠的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上開(kāi)展設(shè)計(jì)。(2)提高路基設(shè)計(jì)質(zhì)量。在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上合理選用地基處理方案、路基結(jié)構(gòu)形式，以控制軌道剛度的逐漸變化，并最大限度地減少路基與橋隧的沉降差，對(duì)控制路基的變形、穩(wěn)定具有重要的影響，從理論上有效控制路基的不均勻沉降。(3)做好路基防排水工作。構(gòu)建完善的路基防排水體系，保持路基經(jīng)常處于干燥、穩(wěn)定和堅(jiān)固狀態(tài)，對(duì)保證路基工程動(dòng)力特性和承載特性的長(zhǎng)期穩(wěn)定，降低路基不均勻沉降有非常重要的作用。(4)采用良好的路基填筑填料同時(shí)控制填料級(jí)配。基床以下路堤、基床底層填料的最大粒徑應(yīng)分別小于75mm和60mm。路基填筑前，應(yīng)對(duì)路基填料的粒徑級(jí)配提出要求或完善路基現(xiàn)行填料分類體系。(5)保證路基壓實(shí)質(zhì)量。為確保路基穩(wěn)定，減少壓密沉降、增加耐久性和水穩(wěn)性，除選用良好填料以外，還應(yīng)使填料充分壓實(shí);各填土層的物理力學(xué)指標(biāo)應(yīng)滿足相關(guān)要求。
作者：楊永強(qiáng)單位：中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司
