客運(yùn)專線鐵路軟土地基加固處理方案選擇與設(shè)計(jì)

張利國(guó)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

軟土是指近代水下沉積的飽和松軟的黏性土,一般的把天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的細(xì)粒土判定為軟土,包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等。軟土天然含水量等于或大于液限,一般大于40%,最高可達(dá)90%,孔隙比大于1。其壓縮性高,壓縮模量一般在1～5 MPa。軟土因其承載力很低,并且在上部施加荷載后會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形,所以在修筑路堤之前要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚侥軡M足鐵路客運(yùn)專線路基的設(shè)計(jì)要求。

由于客運(yùn)專線對(duì)沉降變形的苛刻要求,在初步設(shè)計(jì)之前的勘察選線中,對(duì)于深厚軟土地段首先要進(jìn)行選線研究和路改橋的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,在進(jìn)行綜合比較中選擇地基處理方案。而在線位相對(duì)確定的條件下,地基處理方案的選擇又直接受地質(zhì)條件、軟土的性能及工程變形要求決定。

2 軟土地基加固處理方案的選擇

選擇加固處理方法時(shí),必須查明地形和地質(zhì)條件,根據(jù)路堤高度、填料及工期結(jié)合路基穩(wěn)定及變形控制要求,同時(shí)綜合考慮施工條件、周圍環(huán)境等諸多因素選擇技術(shù)可行,而且經(jīng)濟(jì)適用的方法。

地層條件及土性參數(shù)是選擇地基處理方案的首要依據(jù),首先根據(jù)地層條件和處理深度,地基處理分為淺層處理和深層處理兩種。淺層處理主要包括換填、壓實(shí)或夯實(shí)、風(fēng)干、拌填混合材料及鋪設(shè)土工材料等,用于處理埋藏淺、厚度小的軟土層。實(shí)踐證明,淺層軟基處理的設(shè)計(jì)和施工都較易操作,處理效果也容易保證。

深層處理主要采用排水固結(jié)法和復(fù)合地基法,由于鐵路客運(yùn)專線對(duì)路基變形控制的要求十分嚴(yán)格,多采用復(fù)合地基處理方法。

深厚軟土地基加固深度應(yīng)穿透軟土,避免懸浮樁。加固樁型可采用預(yù)制樁及加固土樁,軟土地基CFG樁質(zhì)量控制較為困難,應(yīng)慎用；粒料樁變形相對(duì)較大,一般所需工期較長(zhǎng),在客運(yùn)專線鐵路中應(yīng)用較少。

預(yù)制樁加固地基一般應(yīng)設(shè)置筏板基礎(chǔ)或設(shè)置樁帽結(jié)構(gòu)以利樁身能力發(fā)揮。筏板結(jié)構(gòu)一般應(yīng)設(shè)置0.1～0.3 m厚褥墊層以保證各樁受力及變形協(xié)調(diào)。樁帽的設(shè)置有利于土拱的形成,其上一般設(shè)置墊層加筋結(jié)構(gòu)。

加固土樁技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)獲得長(zhǎng)足發(fā)展,多向攪拌技術(shù)的發(fā)明和摻砂技術(shù)的采用解決了樁體強(qiáng)度控制和提高技術(shù)難題,為加固土樁的廣泛應(yīng)用提供了良好的支撐。加固土樁樁頂一般設(shè)置墊層加筋結(jié)構(gòu)以調(diào)整樁土受力。

3 軟土地基加固方案設(shè)計(jì)

軟土地基加固方案設(shè)計(jì)一般步驟：

(1)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,確定樁間土承載力；

(2)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,確定樁端持力土層,初步確定樁長(zhǎng),并計(jì)算單樁承載力；

(3)根據(jù)施工工藝,確定樁徑；

(4)計(jì)算不同樁間距時(shí)的復(fù)合地基承載力；

(5)根據(jù)復(fù)合地基承載力要求確定樁間距；

(6)計(jì)算復(fù)合地基變形；

(7)判斷變形是否滿足要求(如不滿足,需調(diào)整樁長(zhǎng)與樁間距)。

復(fù)合地基設(shè)計(jì)中幾個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。

(1)樁型選擇：一般根據(jù)地層地質(zhì)條件及施工機(jī)械情況通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定,軟土地區(qū)宜優(yōu)先采用質(zhì)量易于控制的預(yù)制樁加固方案。

(2)樁長(zhǎng)：應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)承載力和變形的要求通過(guò)計(jì)算確定樁長(zhǎng),并宜穿透軟弱土層到達(dá)承載力相對(duì)較高的土層,在深厚軟土層中應(yīng)避免采用“懸浮”樁。

(3)樁徑：一般采用500 mm,或通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定。

(4)樁間距：樁間距的大小取決于設(shè)計(jì)要求的復(fù)合地基承載力和變形。一般設(shè)計(jì)要求的承載力大時(shí),間距取小值,但必須考慮施工時(shí)相鄰樁之間的影響,就施工而言希望采用較大樁距,因此應(yīng)綜合考慮。

(5)墊層厚度：一般采用0.4～0.6 m。

4 復(fù)合地基變形檢算

客運(yùn)專線鐵路軟土路基設(shè)計(jì)時(shí),沉降檢算是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。由于客運(yùn)專線鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高,地基處理多采用CFG樁、管樁、灌注樁等半剛性或剛性樁進(jìn)行加固。按復(fù)合地基,荷載通過(guò)基礎(chǔ)將一部分荷載直接傳遞給地基土體,另一部分通過(guò)樁體傳遞給地基土體。在荷載作用下,增強(qiáng)體與天然地基土體通過(guò)變形協(xié)調(diào)共同直接承擔(dān)荷載作用是形成復(fù)合地基的基本條件[1]。圖1反映的是目前客運(yùn)專線路基沉降控制中常采用的的幾種地基加固形式情況。

圖1 客運(yùn)專線路基地基加固常用形式

在路堤荷載作用下,剛性筏板基礎(chǔ)可以保證樁和土共同直接承擔(dān)荷載,可更充分發(fā)揮樁的承載潛能,如圖1(a)所示。為了保證樁和樁間土共同承擔(dān)荷載,可在剛性筏板基礎(chǔ)下設(shè)置一定厚度的柔性墊層,通過(guò)柔性墊層的協(xié)調(diào),可以減少樁土荷載分擔(dān)比,充分發(fā)揮樁間土的承載潛能,如圖1(b)中所示。還可在路堤下直接設(shè)置碎石加筋墊層來(lái)提高樁土荷載分擔(dān)比,在京滬高速鐵路設(shè)計(jì)中在樁頂加帽使樁的承載潛能得以更充分的發(fā)揮,如圖1(c)所示。加固樁采用CFG樁、低強(qiáng)度素混凝土樁、預(yù)制管樁、鋼筋混凝土灌注樁。

地基沉降一般采用分層總和法計(jì)算,對(duì)于飽和土地基按照太沙基固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于非飽和土地基按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2002)[2]進(jìn)行計(jì)算,復(fù)合地基加固下臥層沉降計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力擴(kuò)散影響,對(duì)于地基土層沉降變形完成時(shí)間,采用理論分析(包括規(guī)范經(jīng)驗(yàn))和施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,通過(guò)精確的沉降觀測(cè)來(lái)推算。目前設(shè)計(jì)多采用復(fù)合模量法或樁基方法疏樁理論進(jìn)行沉降計(jì)算。

4.1 天然地基的沉降計(jì)算

天然地基的總沉降量一般情況下可由瞬時(shí)沉降與主固結(jié)沉降之和計(jì)算。此外,對(duì)于泥炭土、富含有機(jī)質(zhì)土和高塑性黏土地層,可視情況考慮計(jì)算次固結(jié)沉降。地基的總沉降除了按前述的分瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降3部分計(jì)算,也可以采用沉降系數(shù)與主固結(jié)沉降計(jì)算。計(jì)算過(guò)程可參考相關(guān)手冊(cè)。

4.2 復(fù)合地基變形計(jì)算

(1)直接計(jì)算法

式中S——復(fù)合地基最終沉降量，mm；

ψ——復(fù)合地基沉降折減系數(shù)；

P0——對(duì)應(yīng)于荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)的基礎(chǔ)底面處附加壓力，kPa；

αh——基礎(chǔ)底面至復(fù)合地基底面平均附加應(yīng)力系數(shù)；

h——由基礎(chǔ)底面算起的復(fù)合地基的厚度，m；

Esp——復(fù)合地基變形模量，MPa,可由載荷試驗(yàn)直接測(cè)得。

當(dāng)復(fù)合地基的厚度小于地基壓縮層厚度時(shí),應(yīng)同時(shí)計(jì)算下臥層變形。

(2)復(fù)合模量法

復(fù)合模量法是通過(guò)復(fù)合求和計(jì)算,由樁與土的模量求出復(fù)合地基的模量,再按直接計(jì)算法求復(fù)合地基變形

Esp=mEp+(1-m)Es

式中Ep——樁的變形模量或壓縮模量；

Es——天然地基的變形模量或壓縮模量；

Esp——樁土復(fù)合體的模量；當(dāng)Es為變形模量時(shí),復(fù)合后的Esp亦為變形模量,當(dāng)Es為壓縮模量時(shí),復(fù)合后的Esp亦為壓縮模量。

m——置換率(以小數(shù)表示)。

(3)沉降折減法

利用沉降折減法需先根據(jù)樁間土的變形參數(shù),按天然地基計(jì)算其最終沉降量S0,折減系數(shù)可根據(jù)沉降觀測(cè)資料對(duì)比確定,也可按下面的計(jì)算式求出

S=βS0

式中S0——與樁間土同性質(zhì)的天然地基最終沉降量；

β——沉降折減系數(shù),0<β<1；

n——樁土模量比,由試驗(yàn)測(cè)定,也可以參照當(dāng)?shù)鼗蝾愃圃囼?yàn)工程的試驗(yàn)資料確定。無(wú)資料時(shí),對(duì)于粒料樁地基可取2～5,對(duì)于加固土樁地基可取3～6,當(dāng)樁底土質(zhì)好、樁間土質(zhì)差時(shí)取高值；否則取低值。

4.3 地基沉降計(jì)算

一般情況下,水泥土樁、CFG樁加墊層、CFG樁帶帽加墊層、剛性筏板基礎(chǔ)下加柔性墊層等均可以按復(fù)合地基進(jìn)行沉降檢算[4～5]。但當(dāng)加固樁采用預(yù)制管樁或鋼筋混凝土灌注樁等剛性樁時(shí),宜按復(fù)合樁基進(jìn)行沉降檢算。

地基的沉降包括加固區(qū)的變形和下臥層的沉降兩部分。加固區(qū)的變形計(jì)算根據(jù)不同的地基處理措施選擇不同的方法,下臥層的沉降按照天然地基的沉降計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)檢算結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),要根據(jù)路基沉降控制分析結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

5 實(shí)例

(1)工程概況

某客運(yùn)專線軟土路基地段位于東北沿海地區(qū),地層為素填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉砂。其中,淤泥,褐灰色,流塑,呈透鏡狀分布,層厚0.50 m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,褐灰色,流塑,呈透鏡狀分布,層厚0.7～3.10 m。淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為軟土。

本段路基填高6 m,基底寬度為32 m,路堤基床表層填筑級(jí)配碎石,厚0.4 m；基床底層及以下填筑A、B組土。路堤兩側(cè)采用拱形骨架護(hù)坡結(jié)合種紫穗槐防護(hù)?；撞捎脴痘庸??；驳讓邮┕ね瓿珊?實(shí)施堆載預(yù)壓。路基橫斷面設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。

圖2 樁網(wǎng)路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面形式(A斷面)

圖3 樁板路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面形式(B斷面)(單位：m)

(2)路基加固沉降檢算分析

按《客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》[6]的相關(guān)規(guī)定,路基工后沉降一般不應(yīng)超過(guò)扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm；沉降比較均勻、長(zhǎng)度大于20 m的路基,允許的最大工后沉降量為30 mm,并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑應(yīng)能滿足下列要求

式中Rsh——軌面圓順的豎曲線半徑，m；

Vsj——設(shè)計(jì)最高速度，km/h。

對(duì)不同樁型復(fù)合地基分別采用理正軟件、復(fù)合地基沉降計(jì)算模板進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)本地區(qū)工程特點(diǎn),計(jì)算主要參數(shù)選取如表1所示。

表1 主要計(jì)算參數(shù)

檢算結(jié)果顯示：攪拌樁、砂漿樁、旋噴樁復(fù)合地基均不能滿足變形要求,考慮工前已完成總沉降的50%～70%,采用CFG樁復(fù)合地基的沉降控制即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。見(jiàn)表2。

表2 不同樁型沉降檢算結(jié)果

路基沉降在橫斷面方向一般表現(xiàn)為“鍋底”狀,其中心區(qū)域沉降明顯大于兩側(cè)坡腳。根據(jù)京津城際鐵路的監(jiān)測(cè)結(jié)果,在樁頂設(shè)置剛性筏板可以大大平緩這種不均勻沉降,同時(shí)使工后沉降也有所減少[7]。因此,在客運(yùn)專線軟土路基設(shè)計(jì)中可優(yōu)先考慮樁板形式。

(3)樁型及路基結(jié)構(gòu)形式選擇

經(jīng)計(jì)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,本段路堤基底最終采用CFG樁加固,樁徑0.4 m,縱向間距1.5 m,橫向間距1.20～1.50 m,樁長(zhǎng)25～27 m,樁頂設(shè)置0.15 m厚的碎石墊層,碎石墊層頂設(shè)置厚0.5 m的C30混凝土板,基床底層施工完成后,實(shí)施堆載預(yù)壓。通過(guò)沉降觀測(cè)變形來(lái)看,地基加固處理達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

6 結(jié)論

選擇地基處理方案時(shí)要做到因地制宜,根據(jù)地層條件、施工條件和工程技術(shù)要求來(lái)綜合確定。首先考察地基條件的適宜性,軟弱層淺埋地段,可采用換填法,對(duì)于深厚松軟土路段則適宜采用復(fù)合地基,重點(diǎn)在于樁型、樁徑、樁長(zhǎng)及樁間距的優(yōu)化選擇。

水泥土樁、CFG樁、低強(qiáng)度素混凝土樁復(fù)合地基在內(nèi)陸盆地及東北部沿海地區(qū)的軟土處理有很強(qiáng)的適應(yīng)性,在京津城際和京滬高速鐵路的路基設(shè)計(jì)中,采用樁上剛性筏板和樁帽在地基加固及變形控制方面取得了良好效果。當(dāng)采用預(yù)制管樁或鋼筋混凝土灌注樁等剛性樁時(shí)可使路基變形得到更充分的控制。

在軟土地基加固處理設(shè)計(jì)中不僅要遵循一般規(guī)律,而且要重點(diǎn)考察當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)和工程的具體要求,使各項(xiàng)參數(shù)的選取符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際。有必要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)條件下的方案比較,使設(shè)計(jì)指標(biāo)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下都達(dá)到最優(yōu)。

[1] 龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002．

[2] GB50007—2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] 屈曉輝,崔俊杰.客運(yùn)專線鐵路路基設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2008．

[4] 鄧躍光,黃榮.CFG樁復(fù)合地基的原理和設(shè)計(jì)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2002(3)：69-72．

[5] 丁桂伶,王連俊,劉升傳.柔性基礎(chǔ)下褥墊層厚度對(duì)帶帽CFG樁符合地基特性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(7)：997-1001．

[6] 鐵建設(shè)函[2005]754號(hào),客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南[S]．

[7] 崔維孝,趙成剛.深厚壓縮層地基條件下路基沉降控制[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(12)：28-31．