塑料排水板處理軟基的離心機試驗研究
         盧國勝（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院　四川綿陽　６２１０１０）
    摘要：京滬高速鐵路沿線軟土分布廣，為了選擇合理的軟土路基處理方法，通過無處理軟土路基和塑料排水板地基的土工離心模型試驗，探討了路基不同點沉降與時間的關(guān)系、不同深度處橫向位移的大小以及塑料排水板對路基沉降控制的效果。結(jié)果表明，最大沉降都發(fā)生在路堤面中心線處，最大水平位移發(fā)生在坡角下６．６ｍ的地基中，荷載影響深度約為１３ｍ。塑料排水板地基與無處理地基相比，沉降有所減小，但竣工３年時沉降仍未穩(wěn)定下來，因此應(yīng)與其他軟基處理方法聯(lián)合應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：離心模型試驗　軟土路基　塑料排水板　沉降
    中圖分類號：ＴＵ４１１．９３　　文獻標(biāo)識碼：Ａ　　文章編號：１６７１－８７５５（２００６）０４－００４２－０５
    高速鐵路對路基的穩(wěn)定及變形控制提出了很高的要求，尤其對路堤工后沉降的控制，國外有極嚴格的標(biāo)準(zhǔn)。我國《京滬高速鐵路線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定》提出了路基工后沉降≤１０ｃｍ，沉降速率≯３ｃｍ／年的標(biāo)準(zhǔn)。同時從京滬高速鐵路工程地質(zhì)條件分析，沿線軟土地基分布廣，尤其是寧滬段，軟土地基總長達１０３．６ｋｍ，大部分采用以橋代路后尚有軟土路堤３６．６ｋｍ／１１０處。因此軟土地基沉降變形的控制、處理方案的正確選擇，是高速鐵路路基設(shè)計、施工的一個重點。為了掌握軟基的沉降規(guī)律，課題組對該路段兩種典型土樣進行了多組離心模型試驗。本文介紹了針對長江沖積平原土樣的兩組離心模型試驗研究，即無處理軟土路基和塑料排水板復(fù)合地基的土工離心模型試驗。
    １　試驗研究
    關(guān)于離心模型試驗原理，文獻［１－４］從不同的角度進行了比較詳細的論述，并指出離心模型試驗技術(shù)是巖土工程研究中的一項新技術(shù)，它借助離心機產(chǎn)生的重力場，使模型的應(yīng)力水平與原型相同，從而達到用模型表現(xiàn)原型的目的。離心模型能滿足幾乎所有的關(guān)鍵相似條件，因此用離心模型試驗手段來研究巖土工程問題，是常規(guī)模型試驗（１ｇ）無法比擬的。
    １．１　相似原理與試驗裝置
    大多數(shù)土工問題是研究土體中的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)的變化，從而解決土的變形和穩(wěn)定問題，文獻［１－３］等已對主要物理量的相似原理做了比較詳細的論述，這里只列出常見物理量的模型相似比，見表１。
    本次試驗所使用的離心機是西南交通大學(xué)ＴＬＪ－２型土工離心機，該機的最大容量為１００ｇ·ｔ，大模型箱尺寸８００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍ，本次試驗均采用此模型箱，有效旋轉(zhuǎn)半徑２７００ｍｍ，最大加速度２００ｇ，數(shù)據(jù)采集通道數(shù)７０個，配有數(shù)字式攝像和照像設(shè)備。試驗時取ｎ＝６０。
    １．２模型試驗方案
    試驗所用土樣取自京滬高速鐵路長江沖積平原代表性工點（ＤＫ４４７＋９５０～＋７７８試驗點），該工點地層較復(fù)雜，試驗選取了有代表性的４層土樣。土樣物理力學(xué)指標(biāo)見表２。
    地基土模型制作時，土樣分別曬干，粉碎，過２ｍｍ篩，加水配至飽和狀態(tài)，密封儲存２４ｈ，然后將上述土樣按實際地層順序放入離心模型箱中在加速度６０ｇ的離心場中分層固結(jié)，固結(jié)度達到９０％～９５％以上，達到正常固結(jié)狀態(tài)。取樣作直剪試驗和含水量測試，若同現(xiàn)場值基本一致，則土樣制備完成。固結(jié)過程中排出的水由安置在離心機角部的塑料圓管收集，安放路堤前，將水吸出。
    路堤采用現(xiàn)場取回的風(fēng)化花崗巖制作。將其粉碎后按最佳含水量配置成路堤填料，在路堤模型槽（原型路堤面寬１３．４ｍ，路堤中心高度５ｍ，邊坡坡度１ｍ＝１１．５，按模型率ｎ＝６０制作）中分層壓實成型，脫模后放在離心機模型箱中已固結(jié)的地基土上。
    位移的測試采用兩種方式：一是在機箱靠有機玻璃的地基土樣斷面上設(shè)置土層斷面標(biāo)志點，以測試不同深度處的位移；二是在模型中部斷面安裝了４個電渦流位移計，以測試路堤和地基表面不同點的位移，具體位置見圖１和圖２。塑料排水板處理地基的離心模型試驗是模擬現(xiàn)場橫斷面為１００ｍｍ×４ｍｍ按三角形布置的塑料排水板。
     塑料排水板按６０的模型率縮小后，很難找到如此薄且和它有相似的滲透系數(shù)的替代材料。通過對排水板等效換算直徑的計算［５］和對幾種不同材料的滲透試驗，最后選擇用直徑約為２ｍｍ的普通毛線（滲透系數(shù)約為２×１０－３ｃｍ／ｓ）模擬塑料排水板（滲透系數(shù)為１．８×１０－３ｃｍ／ｓ）。試驗時，用鐵絲將毛線垂直插入地基土中，刺穿主要軟土層，上部留出２～３ｃｍ，然后表面加細砂５ｍｍ（模擬現(xiàn)場３０ｃｍ的砂墊層），最后安放路堤。
    3.試驗過程
    １．３　試驗過程
    離心機運行前先照相，記錄標(biāo)志點相對位置，用于分析不同深度地層沉降。離心機運行達到６０ｇ后，開始每隔１２ｍｉｎ（相當(dāng)實際１個月）采集一次電渦流位移計測試數(shù)據(jù)，用于分析地基和路堤表面沉降，同時照相，用于分析不同深度地層沉降。運行７２ｍｉｎ（相當(dāng)實際６個月）后，則每隔７２ｍｉｎ采集一次。共運行４３２ｍｉｎ（相當(dāng)實際３年）。
    為了考慮路堤的分層填筑過程，試驗中采取逐級增大離心機加速度的方法。試驗共分為５級（１２ｇ、２４ｇ、３６ｇ、４８ｇ、６０ｇ）進行加載。按６０ｇ加速度對應(yīng)原型路堤高５ｍ，各級分別對應(yīng)原型路堤增高至１ｍ、２ｍ、３ｍ、４ｍ和５ｍ。路堤填筑按１０ｄ填高１ｍ考慮，對應(yīng)各級加載時間分別為１００ｍｉｎ、２５ｍｉｎ、１１ｍｉｎ、６ｍｉｎ和４ｍｉｎ。路堤填筑完成后再在路堤荷載下固結(jié)３年時間。
    ２　試驗結(jié)果與分析
    ２．１　表面不同點沉降對比分析
    圖３、圖４為地基不處理和塑料排水板地基的實測資料，對比結(jié)果見表３。由表３可看出，最大沉降都發(fā)生在路堤中心線處，塑料排水板地基和無處理地基竣工３個月和６個月后的沉降占竣工３年后沉降的７５．４％、７５％和８９．５％、８６％，竣工３年后，塑料排水板地基沉降比地基不處理沉降減少１４．４％（９．６ｃｍ），坡角沉降也有所減少。距坡腳約６ｍ的沉降表現(xiàn)為：工后３個月內(nèi)地表隆起，隨后逐漸下沉，坡角外側(cè)地表沉降與文獻［６］用有限元計算的結(jié)果有相似的規(guī)律性，只是文獻［６］中地表隆起最高點更靠近坡角，這和該文路堤邊坡為折線式有關(guān)。塑料排水板地基的地面隆起量減少了，但下沉緩慢，且坡角橫向位移略有增大。
    ２．２　不同深度處沉降對比分析
    實測資料見圖５、圖６。對比兩圖可以看出，兩者有相似的規(guī)律性，沉降隨深度的增加逐漸減小，地表１３ｍ以下已幾乎沒有沉降。塑料排水板地基在不同深度處的沉降都比無處理地基有所減少。
    圖７、圖８為兩種地基不同深度處橫向位移的實測資料，從圖中可以看出，最大橫向位移都發(fā)生在地面下６．６ｍ左右，且距路中線９～１４ｍ的范圍內(nèi)，最大橫向位移都約為３６ｃｍ，這和文獻［５］的實測結(jié)果很接近。
    5.結(jié)論
    （１）無處理地基和塑料排水板地基最大沉降都發(fā)生在路堤面線路中心線處，最大水平位移發(fā)生在坡腳附近離地基表面６．６ｍ左右的地基中；路堤荷載產(chǎn)生的沉降影響深度為１３ｍ左右；坡腳外側(cè)發(fā)生隆起現(xiàn)象，隆起最高點距坡角約６ｍ，處理過的地基地面隆起高度有所降低。
    （２）塑料排水板對降低坡角和地面下不同深度處的橫向位移沒有效果。
    （３）塑料排水板地基沉降減少１４．４％（９．６ｃｍ），竣工１至３年之間的沉降速率雖然滿足≯３ｃｍ／年的標(biāo)準(zhǔn)，但地基沉降并沒有穩(wěn)定下來，為了保證高速鐵路的安全運營，只采用塑料排水板這種單一的地基沉降控制措施是不夠的，建議與超載預(yù)壓聯(lián)合應(yīng)用，或采用其他更有效的軟基處理措施。