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《成都理工大学》 2007年
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红层软岩地区高速铁路软基路堤沉降控制研究

卿三惠  
【摘要】: 随着我国高速铁路的兴建,红层地区软基路堤沉降控制、红层软岩填料利用、基床结构型式等工程问题,已日益成为工程界人士重点关注的关键技术问题。红层软基强度低、压缩性高、透水性差,在路堤荷载作用下常产生很大的沉降量和沉降差,不能满足路基的工后沉降要求,必须寻求安全、经济、合理的软基处理方法,对红层软基进行有效的加固处理;对长距离经过红层地区的高速铁路而言,符合铁路设计规范要求的A、B组优质填料缺乏,路堤本体及基床底层的填料不得不考虑就地选用工程性质较差的红层软岩填料(C组),通过特殊的施工工艺进行必要的加强、加固或改良,以满足高速铁路对路基填筑压实标准的要求;为弥补红层路基基床底层采用红层软岩填料,基床结构的强度相对偏弱的状况,必须对基床表层采取措施进行适当的加强。基于目前我国兴建高速铁路才刚刚起步,特别是在红层地区修建高速铁路的工程经验尤其缺乏。采用红层软岩填料的软基路堤的工后沉降能否满足《200km/h铁路设计规范》控制标准的要求,没有相应的数据可依,有必要结合工程开展科学研究,以指导工程实践。 本论文结合我国新建的第一条200km/h客货共线铁路——遂渝铁路的建设,通过现场勘察与土工试验资料的分析,针对红层软岩(土)的不良工程地质特性,以系统控制路基的沉降为主要研究目标,在建立“红层软基路堤结构设计模式的概念模型”基础上,采用理论计算、有限元数值分析、离心模型试验、动态模型试验、现场试验与监测、行车试验与测试等方法相结合的技术路线,深入系统地研究了红层软岩(土)的物理力学性质及其工程特性、红层软弱土的分类及判别标准和方法、红层软基及路堤的沉降控制、红层软岩填料填筑路堤和水泥稳定级配碎石基床表层的施工、软基路堤沉降监测与预测、基床的结构型式及其动态特性等关键技术问题,较准确地预测了软基路堤的工后沉降量,验证了“红层软基路堤结构设计模式”下路基的工后沉降能够满足《200km/h铁路设计暂规》控制标准(工后沉降≤15am,沉降速率≤4cm/年)的要求,为红层地区修建200km/h客货共线铁路积累了经验。 本论文取得的主要成果如下: (1)针对遂渝铁路沿线红层软基较多、优质填料缺乏、合格的级配碎石难找、工后沉降控制严格等特点,通过系统分析软基路堤结构及影响路堤沉降的软弱地基、红层填料、基床结构、施工参数等因素,以系统控制路基沉降为主要目标,首次建立了“红层软基路堤结构设计模式的概念模型”,并通过两个软基路堤试验段的深入研究,验证了红层地区软基路堤采用“加强地基+提高压实度的红层软岩填料路堤及基床底层+防水封闭层+水泥稳定级配碎石基床表层”结构设计模式的可行性,软基路堤的工后沉降能够满足设计规范要求,有效地解决了红层软基路堤的沉降控制、红层软岩填料的合理利用、基床的结构型式及其动态特性等关键技术问题。 (2)通过大量土工试验,深入研究了红层软岩(土)的物理力学性质及其工程特性。初步揭示了红层软岩(土)的物质组成(以伊利石、蒙脱石等粘土矿物为主)及其亲水性、红层松软土的低强度性和高压缩性、红层软岩的软化、崩解、膨胀性及其作为路基填料在压实系数≥0.93条件下的可用性等;首次建立了红层软弱土的分类及红层松软土的室內试验指标判别标准(天然含水量”<~WL,天然孔隙比e<1.0,天然直剪强度C<45-1.5φ)和综合判别方法。为合理选择粉喷桩、碎石桩复合地基及合理利用红层软岩填料填筑路堤及基床底层提供了科学依据。 (3)系统分析研究了红层软基的加固处理方法,确定了浅层软基处理以换填置换法为主,深层软基处理以粉喷桩、碎石桩加土工格栅及砂砾石或碎石垫层的复合地基为主的处理方式;采用理论计算、离心模型试验、有限元数值分析、现场试验与监测等方法,确定了红层软基采用粉喷桩、碎石桩复合地基的设计参数;通过两个软基路堤试验段的实施及沉降的高精度系统观测,证明设计采用粉喷桩、碎石桩加固软弱地基是合理的,有效地控制了软基路堤的工后沉降满足设计要求;采用反演分析法进行沉降监测数据分析,建立了反映红层软基路堤沉降的双曲线经验公式,为红层地区软基路堤的沉降预测提供了借鉴。 (4)通过对红层软基复合地基沉降计算方法的对比分析,得出了“采用应力修正法计算的地基沉降与离心模型试验、实测结果基本一致,复合模量法、数值分析计算的结果偏小”的结论,首次提出了“红层软基复合地基的沉降计算应采用应力修正法及桩土应力比取值范围为3~6”的建议。 (5)采用有限元数值分析、离心模型试验、现场碾压试验等方法,得出了“压实系数为0.93~0.98时,红层软岩填料填筑路堤本体的工后沉降仅为填高的2‰左右,对软基路堤的沉降影响较小”的结论。首次确定了红层软岩填料填筑200km/h铁路路基的压实标准及施工工艺。即“红层软岩填料的压实系数≥0.93,K_(30)≥110kPa;控制填料级配中粗颗粒不大于15cm,最佳含水量11~12%,最大干密度19kN/m~3左右;采用松铺30~40cm,22t振动压路机静压2遍+振压8遍的施工工艺”等。该成果被列为路基施工质量控制标准并纳入《遂渝铁路路基施工细则》推广应用,实施效果良好,对确保路堤填筑质量起到了重要作用。 (6)采用动态模型试验及数值分析方法,首次揭示了“红层软岩填料基床底层-封闭防水层+3%水泥稳定级配碎石基床表层”基床结构的动态力学特性,并通过现场三种客、货车运行的综合试验与测试,验证了该基床结构型式是可行、可靠的,可提高基床表层的强度和刚度,降低下部基床底层的动应力、动位移和加速度,对行车的舒适度有明显改善,也有利于红层软岩填料路堤的长期稳定. 综上所述,本论文遵循“概念模型建立—室内分析试验—现场施工监测验证—理论提升”的技术路线,在红层软基路堤的结构设计模式、红层软基的沉降控制、红层软岩填料的合理利用、基床的结构型式及其动态特性等方面取得创新性成果,并成功应用于200km/h的遂渝铁路建设,经济、社会、环境效益显著,证实了红层软岩地区高速铁路路基关键技术研究成果的科学性和应用价值,在一定程度上推动了我国红层软岩地区高速铁路设计与施工技术的发展。
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