摘要：随着我国高速铁路迅速发展,高速铁路网逐渐由东部向中西部地区覆盖。在我国西部地区高速铁路建设中,斜坡软土地基常见,其作为一种不良地质类型,对工程建设具有重要影响。在斜坡软土地基上修建高速铁路,由于斜坡和软土层的影响,在路堤自重及荷载的作用下,路基容易出现不均匀沉降及侧向变形过大、边坡失稳等工程问题。因此,开展斜坡软土路堤稳定性及其加固措施研宄对我国西部地区高速铁路建设发展具有重要的现实意义。
关键词：斜坡软土路堤;变形;边坡稳定性;
引言
近年来,我国高速铁路建设发展迅速,截至2018年3月,我国高速铁路运营总里程达到25000公里,占据世界高速铁路市场份额的三分之二。未来,随着国民经济的增长,我国高速铁路建设将加快落实“八纵八横”网络,并以期在2025年高铁运营总里程达到38000公里。随着高速铁路建设步伐加快,高铁建设由中东部向西部覆盖,我国幅员辽阔,西部尤其西南部山区存在特殊的地质状况、地形地貌。在西南部山区修建高速铁路时,不可避免在斜坡软土地基上填筑路堤形成斜坡软土路堤，斜坡软土路堤如图1所示。
图1斜坡软土路堤示意图
为了保证斜坡软土路堤边坡稳定性、沉降及水平滑移满足技术要求,路堤土体结构完整性和高速铁路良好的服务水平,满足高速铁路运行过程中的安全性与舒适性,提高高速铁路建设投资的经济效益。有必要在探宄斜坡软土路堤成因与破坏形式的基础上,对影响斜坡软土路堤变形及边坡稳定性各影响因素进行分析,为加固斜坡软土路基提供理论基础,并依照破坏形式提出具体工程措施,以完善高速铁路路基设计体系。
1成因及工程特性
斜坡软土地基并不只是软土地基和斜坡地基二者的简单组合,而是有着独特的成因及工程特性。斜坡软土地基是在特定的地质地形、岩层构造并在地表水地下水的侵蚀下综合作用的结果。在富含泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、煤质岩页岩等软质岩和风化物的地区,软岩自身具有岩质弱,易风化的特点,在长期雨水侵蚀下,容易形成倾斜缓坡。在长期的地质作用下,缓坡上堆积较厚的坡残积、坡洪积的粘土、粉粘土、砂粘土、小碎石等。地表覆盖土质较为松散,降水易通过表面覆土渗入,下伏炭质页岩、泥质灰岩为相对隔水层,渗入地基内部的水会以孔隙水水平运移,但水平运移量较小,故大量水会在地基内部缓坡堆积层及其下的页岩灰岩风化层形成富水层。
2桩网复合结构加固斜坡软土路堤分析
为解决斜坡软土路堤不均匀沉降及侧向滑移过大的问题,需采取措施对地基进行加固。利用桩网复合结构对地基加固在国内外均有成功的实例,沪昆客运专线(云南段)TJ-3标段通过将CFG桩打入斜坡软土地基中,并加铺褥垫层形成桩网复合结构加固斜坡软土路堤。本章以沪昆客运专线(云南段)TJ-3标段路基工程为例,从斜坡软土路基的变形、稳定性等方面,对比桩网复合结构加固前后的异同,分析桩结构及褥垫层加固机理,评价加固效果。
2.1工程概况
沪昆客运专线(云南段)TJ-3标起讫里程DK1108+110.45~DK1124+148.325,路长16.04km,位于昆明市嵩明县牛栏江镇。项目2010年12月开工建设,2016年12月28日实现了正式开通运营。该区段地质条件复杂,地处云贵高烈度九度地震区,小江断裂带,地层破碎夹层软弱围岩、砂卵石等结构,软弱围岩比例高,且地基表面富有不同厚度软土层,存在极易坍塌等安全风险。
本文选取路基断面主要位于高原低山及高原丘陵地貌,低丘沟谷单斜坡面,南北向,南高北低,坡面平缓绵延,开阔通畅,坡体表面为梯田合地,地坡平缓,表层为粉质黏土,残丘与沟槽相间分布,植被发育,表层为耕作植物层,中型沟谷较发育,下伏紫红色粉砂岩、粉细砂岩,断层破碎带物质以灰白色断层角砾为主,胶结中密至松散,角砾以白云为主。
2.2桩网复合结构加固机理
桩网复合地基主要由褥垫层、桩体和下卧持力层组成,如图2所示。与传统复合地基相比,以褥垫层取代了板结构。英国、日本、德国等国家较早开展了桩网复合地基的研究工作,并编写相关规范和行业标准。CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石肩或加砂加水拌和形成的高黏结强度桩,国内铁路路堤CFG桩网复合结构处理方法借鉴了建筑地基处理中的水泥粉煤灰碎石桩。目前桩网复合地基主要应用于软土路基及房屋建筑软土地基、路桥过渡段、旧路改造造成差异沉降等方面。
图2桩网结构示意图
2.3桩及其加固机理
(1)桩体置换作用
利用桩体对软土地基进行加固时,打入桩体后提高了软土地基的承载力、降低了软土地基的沉降,通常把这种作用成为桩体置换作用。研究表明,利用CFG桩加固软土地基时,桩体的碎石及水泥粘结作用使桩体自身变形模量及弹性模量提高,而软土的变形模量及弹性模量均远小于CFG桩,因此在上部荷载传递至软土层时,CFG桩桩体压缩远小于桩间土压缩,荷载应力集中于桩体,故CFG桩承受大部分荷载。荷载通过CFG桩传递至下卧持力层,使桩间土承受较少的荷载,提高软土地基承载力,控制软土地基沉降量。
(2)振动挤密作用
在进行CFG成桩施工时,机械产生的高频率震动使软土颗粒重新排列并产生挤密作用,桩体材料中碎石嵌入软土层会降低土体空隙率、提高土体相对密实度、增大土体内摩擦角,对土体力学性能有显著提高,整体提高软土地基的承载力。
(3)桩对土的约束作用
CFG桩体刚度远大于桩间土刚度,故在共同承受上部荷载时,桩体对软十层有约束作用,尤其可控制软土层的侧向变形。桩体与软土间的摩阻力可有效控制桩间土沉降。即CFG桩从竖向及侧向两个角度控制了地基变形。
(4)加速排水固结作用
CFG桩成桩过程中机械振动时桩间土产生超孔隙水压力,孔隙水会沿成桩后CFG桩向外排出,降低软土层含水量,减少排水固结时间,可提高桩间土强度,进而控制软土地基沉降。
2.4褥垫层及加固机理
桩网结构中的“网”是指通过加铺筋体及碎石、级配砂石、粗砂等散体材料,达到均衡应力、增大强度的作用。筋体与其包裹或接触的土体共同作用的工程材料称为褥垫层。褥垫层一般具有加筋补强、反滤、防渗等作用,可调整桩土荷载分担比以保证桩土共同承担荷载,避免或减小应力集中。褥垫层的加筋作用是通过土工格栅实现,土工格栅的加固机理一般有以下几种：
(2)张力膜理论
张力膜理论认为在土体由于外部荷载和自身重力作用下产生竖向变形时,筋体自身也会随着土体变形而发生竖向挠曲变形,筋材自身具有一定刚度,在外部作用下产生挠曲变形时,自身会产生抵抗变形的法向反力,这种作用效果像一张“膜”,将抵抗变形的力扩散到更大的区域,从而减小路堤变形,提高路堤承载力。当竖向变形有一定程度或筋体材料刚度较大吋,筋体材料附近会形成“拱效应”,反力的扩散作用更加明显。图3为张力膜理论示意图。
图3张力膜理论示意图
(3)准粘聚力原理
准粘聚力原理认为,在土体中加入筋体,整体结构可视为具有各项异性的复合材料,由于筋体材料弹性模量远高于土体本身的弹性模量,在筋体和土体的共同作用下,加筋土体的整体结构强度,包括筋体的抗拉力、筋土之间的摩阻力和土体的抗剪强度的共同作用,使加筋土体强度显著提高。
3总结
综上所述，沪昆客运专线云南段某路基断面,对比加固前后的路基变形情况,分析了路基潜在滑动面及边坡稳定性,可得出结论：斜坡软土路堤因几何结构的不对称性将导致软弱地基沉降曲线失去对称性,呈现下坡一侧沉降值高于上坡一侧,可产生较大的不均匀沉降和水平位移,甚至可能发生沿下坡方向的滑移破坏,要防止滑移破坏及过大变形,可采用桩网结构进行地基加固。
参考文献
[1]魏永幸.松软倾斜地基填方工程安全性评价方法[J].地质灾害与环境保护,200I(02):73-75+79.
[2]蒋鑫,魏永幸,邱延峻.斜坡软弱地基填方工程数值仿真[J].交通运输工程学报,2002(03):41-46
[3]刘晋南,蒋鑫,邱延峻.软弱层特性对斜坡软弱地基路堤变形的影响[J].西南交通大学学报,2013,48(02):303-309.
论文作者:胡鑫军
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第08期
论文发表时间:2019/7/15
标签：斜坡论文; 土路论文; 地基论文; 褥垫论文; 荷载论文; 作用论文; 结构论文; 《城镇建设》2019年第08期论文;