塑料排水板处理软基的离心机试验研究

塑料排水板处理软基的离心机试验研究
         卢国胜（西南科技大学环境与资源学院　四川绵阳　６２１０１０）
    摘要：京沪高速铁路沿线软土分布广，为了选择合理的软土路基处理方法，通过无处理软土路基和塑料排水板地基的土工离心模型试验，探讨了路基不同点沉降与时间的关系、不同深度处横向位移的大小以及塑料排水板对路基沉降控制的效果。结果表明，最大沉降都发生在路堤面中心线处，最大水平位移发生在坡角下６．６ｍ的地基中，荷载影响深度约为１３ｍ。塑料排水板地基与无处理地基相比，沉降有所减小，但竣工３年时沉降仍未稳定下来，因此应与其他软基处理方法联合应用。
    关键词：离心模型试验　软土路基　塑料排水板　沉降
    中图分类号：ＴＵ４１１．９３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７１－８７５５（２００６）０４－００４２－０５
    高速铁路对路基的稳定及变形控制提出了很高的要求，尤其对路堤工后沉降的控制，国外有极严格的标准。我国《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》提出了路基工后沉降≤１０ｃｍ，沉降速率≯３ｃｍ／年的标准。同时从京沪高速铁路工程地质条件分析，沿线软土地基分布广，尤其是宁沪段，软土地基总长达１０３．６ｋｍ，大部分采用以桥代路后尚有软土路堤３６．６ｋｍ／１１０处。因此软土地基沉降变形的控制、处理方案的正确选择，是高速铁路路基设计、施工的一个重点。为了掌握软基的沉降规律，课题组对该路段两种典型土样进行了多组离心模型试验。本文介绍了针对长江冲积平原土样的两组离心模型试验研究，即无处理软土路基和塑料排水板复合地基的土工离心模型试验。
    １　试验研究
    关于离心模型试验原理，文献［１－４］从不同的角度进行了比较详细的论述，并指出离心模型试验技术是岩土工程研究中的一项新技术，它借助离心机产生的重力场，使模型的应力水平与原型相同，从而达到用模型表现原型的目的。离心模型能满足几乎所有的关键相似条件，因此用离心模型试验手段来研究岩土工程问题，是常规模型试验（１ｇ）无法比拟的。
    １．１　相似原理与试验装置
    大多数土工问题是研究土体中的应力—应变状态的变化，从而解决土的变形和稳定问题，文献［１－３］等已对主要物理量的相似原理做了比较详细的论述，这里只列出常见物理量的模型相似比，见表１。
    本次试验所使用的离心机是西南交通大学ＴＬＪ－２型土工离心机，该机的最大容量为１００ｇ·ｔ，大模型箱尺寸８００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍ，本次试验均采用此模型箱，有效旋转半径２７００ｍｍ，最大加速度２００ｇ，数据采集通道数７０个，配有数字式摄像和照像设备。试验时取ｎ＝６０。
    １．２模型试验方案
    试验所用土样取自京沪高速铁路长江冲积平原代表性工点（ＤＫ４４７＋９５０～＋７７８试验点），该工点地层较复杂，试验选取了有代表性的４层土样。土样物理力学指标见表２。
    地基土模型制作时，土样分别晒干，粉碎，过２ｍｍ筛，加水配至饱和状态，密封储存２４ｈ，然后将上述土样按实际地层顺序放入离心模型箱中在加速度６０ｇ的离心场中分层固结，固结度达到９０％～９５％以上，达到正常固结状态。取样作直剪试验和含水量测试，若同现场值基本一致，则土样制备完成。固结过程中排出的水由安置在离心机角部的塑料圆管收集，安放路堤前，将水吸出。
    路堤采用现场取回的风化花岗岩制作。将其粉碎后按最佳含水量配置成路堤填料，在路堤模型槽（原型路堤面宽１３．４ｍ，路堤中心高度５ｍ，边坡坡度１ｍ＝１１．５，按模型率ｎ＝６０制作）中分层压实成型，脱模后放在离心机模型箱中已固结的地基土上。
    位移的测试采用两种方式：一是在机箱靠有机玻璃的地基土样断面上设置土层断面标志点，以测试不同深度处的位移；二是在模型中部断面安装了４个电涡流位移计，以测试路堤和地基表面不同点的位移，具体位置见图１和图２。塑料排水板处理地基的离心模型试验是模拟现场横断面为１００ｍｍ×４ｍｍ按三角形布置的塑料排水板。
     塑料排水板按６０的模型率缩小后，很难找到如此薄且和它有相似的渗透系数的替代材料。通过对排水板等效换算直径的计算［５］和对几种不同材料的渗透试验，最后选择用直径约为２ｍｍ的普通毛线（渗透系数约为２×１０－３ｃｍ／ｓ）模拟塑料排水板（渗透系数为１．８×１０－３ｃｍ／ｓ）。试验时，用铁丝将毛线垂直插入地基土中，刺穿主要软土层，上部留出２～３ｃｍ，然后表面加细砂５ｍｍ（模拟现场３０ｃｍ的砂垫层），最后安放路堤。
    3.试验过程
    １．３　试验过程
    离心机运行前先照相，记录标志点相对位置，用于分析不同深度地层沉降。离心机运行达到６０ｇ后，开始每隔１２ｍｉｎ（相当实际１个月）采集一次电涡流位移计测试数据，用于分析地基和路堤表面沉降，同时照相，用于分析不同深度地层沉降。运行７２ｍｉｎ（相当实际６个月）后，则每隔７２ｍｉｎ采集一次。共运行４３２ｍｉｎ（相当实际３年）。
    为了考虑路堤的分层填筑过程，试验中采取逐级增大离心机加速度的方法。试验共分为５级（１２ｇ、２４ｇ、３６ｇ、４８ｇ、６０ｇ）进行加载。按６０ｇ加速度对应原型路堤高５ｍ，各级分别对应原型路堤增高至１ｍ、２ｍ、３ｍ、４ｍ和５ｍ。路堤填筑按１０ｄ填高１ｍ考虑，对应各级加载时间分别为１００ｍｉｎ、２５ｍｉｎ、１１ｍｉｎ、６ｍｉｎ和４ｍｉｎ。路堤填筑完成后再在路堤荷载下固结３年时间。
    ２　试验结果与分析
    ２．１　表面不同点沉降对比分析
    图３、图４为地基不处理和塑料排水板地基的实测资料，对比结果见表３。由表３可看出，最大沉降都发生在路堤中心线处，塑料排水板地基和无处理地基竣工３个月和６个月后的沉降占竣工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处理沉降减少１４．４％（９．６ｃｍ），坡角沉降也有所减少。距坡脚约６ｍ的沉降表现为：工后３个月内地表隆起，随后逐渐下沉，坡角外侧地表沉降与文献［６］用有限元计算的结果有相似的规律性，只是文献［６］中地表隆起最高点更靠近坡角，这和该文路堤边坡为折线式有关。塑料排水板地基的地面隆起量减少了，但下沉缓慢，且坡角横向位移略有增大。
    ２．２　不同深度处沉降对比分析
    实测资料见图５、图６。对比两图可以看出，两者有相似的规律性，沉降随深度的增加逐渐减小，地表１３ｍ以下已几乎没有沉降。塑料排水板地基在不同深度处的沉降都比无处理地基有所减少。
    图７、图８为两种地基不同深度处横向位移的实测资料，从图中可以看出，最大横向位移都发生在地面下６．６ｍ左右，且距路中线９～１４ｍ的范围内，最大横向位移都约为３６ｃｍ，这和文献［５］的实测结果很接近。
    5.结论
    （１）无处理地基和塑料排水板地基最大沉降都发生在路堤面线路中心线处，最大水平位移发生在坡脚附近离地基表面６．６ｍ左右的地基中；路堤荷载产生的沉降影响深度为１３ｍ左右；坡脚外侧发生隆起现象，隆起最高点距坡角约６ｍ，处理过的地基地面隆起高度有所降低。
    （２）塑料排水板对降低坡角和地面下不同深度处的横向位移没有效果。
    （３）塑料排水板地基沉降减少１４．４％（９．６ｃｍ），竣工１至３年之间的沉降速率虽然满足≯３ｃｍ／年的标准，但地基沉降并没有稳定下来，为了保证高速铁路的安全运营，只采用塑料排水板这种单一的地基沉降控制措施是不够的，建议与超载预压联合应用，或采用其他更有效的软基处理措施。