塑料排水板處理軟基的離心機試驗研究
         盧國勝（西南科技大學環境與資源學院　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。結果表明，最大沉降都發生在路堤面中心線處，最大水平位移發生在坡角下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年時沉降仍未穩定下來，因此應與其他軟基處理方法聯合應用。
    關鍵詞：離心模型試驗　軟土路基　塑料排水板　沉降
    中圖分類號：ＴＵ４１１．９３　　文獻標識碼：Ａ　　文章編號：１６７１－８７５５（２００６）０４－００４２－０５
    高速鐵路對路基的穩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，國外有極嚴格的標準。我國《京滬高速鐵路線橋隧站設計暫行規定》提出了路基工后沉降≤１０ｃｍ，沉降速率≯３ｃｍ／年的標準。同時從京滬高速鐵路工程地質條件分析，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，是高速鐵路路基設計、施工的一個重點。為了掌握軟基的沉降規律，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合地基的土工離心模型試驗。
    １　試驗研究
    關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是巖土工程研究中的一項新技術，它借助離心機產生的重力場，使模型的應力水平與原型相同，從而達到用模型表現原型的目的。離心模型能滿足幾乎所有的關鍵相似條件，因此用離心模型試驗手段來研究巖土工程問題，是常規模型試驗（１ｇ）無法比擬的。
    １．１　相似原理與試驗裝置
    大多數土工問題是研究土體中的應力—應變狀態的變化，從而解決土的變形和穩定問題，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，有效旋轉半徑２７００ｍｍ，最大加速度２００ｇ，數據采集通道數７０個，配有數字式攝像和照像設備。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），該工點地層較復雜，試驗選取了有代表性的４層土樣。土樣物理力學指標見表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，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，固結度達到９０％～９５％以上，達到正常固結狀態。取樣作直剪試驗和含水量測試，若同現場值基本一致，則土樣制備完成。固結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。
    路堤采用現場取回的風化花崗巖制作。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置土層斷面標志點，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（滲透系數約為２×１０－３ｃｍ／ｓ）模擬塑料排水板（滲透系數為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（相當實際１個月）采集一次電渦流位移計測試數據，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（相當實際６個月）后，則每隔７２ｍｉｎ采集一次。共運行４３２ｍｉｎ（相當實際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加速度對應原型路堤高５ｍ，各級分別對應原型路堤增高至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３年時間。
    ２　試驗結果與分析
    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，對比結果見表３。由表３可看出，最大沉降都發生在路堤中心線處，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的沉降表現為：工后３個月內地表隆起，隨后逐漸下沉，坡角外側地表沉降與文獻［６］用有限元計算的結果有相似的規律性，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。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，最大橫向位移都發生在地面下６．６ｍ左右，且距路中線９～１４ｍ的范圍內，最大橫向位移都約為３６ｃｍ，這和文獻［５］的實測結果很接近。
    5.結論
    （１）無處理地基和塑料排水板地基最大沉降都發生在路堤面線路中心線處，最大水平位移發生在坡腳附近離地基表面６．６ｍ左右的地基中；路堤荷載產生的沉降影響深度為１３ｍ左右；坡腳外側發生隆起現象，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／年的標準，但地基沉降并沒有穩定下來，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，建議與超載預壓聯合應用，或采用其他更有效的軟基處理措施。