鐵路軟土地基處理方法合理選擇試驗研究

蔣興錕

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

目前,控制鐵路工后沉降的方法及理論繁多,發(fā)展速度極快,近年來又發(fā)展出了布袋樁、長板短樁等新型軟基處理方法[1-3],但基于這些理論的現(xiàn)場試驗較少,研究內(nèi)容較為單一,無法保證具體工程的適用性及經(jīng)濟性,對工程實踐缺乏指導(dǎo)意義。

基于對某高速鐵路軟土路基處理的現(xiàn)場試驗研究,對水泥攪拌樁加固法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓、超載預(yù)壓加固法及砂樁等載預(yù)壓加固法這三種我國常見的軟基加固方法中地基沉降量及孔隙水壓力進行了監(jiān)測與分析。在此監(jiān)測基礎(chǔ)上對工后沉降進行了估算,綜合比較了這三種處理方法的適用性。

1 試驗概況

試驗工點地處江蘇省昆山市,屬太湖湖積平原,地形平坦,有人工魚塘分布,地面高程2.5 m左右。試驗工點范圍為0+000～0+850,線路長度850 m,其中：0+000～+038.40、0+833.95～+850為橋梁樁基試驗段,0+038.40～+833.95為路基試驗段。試驗段線路為雙線,路基面寬13.8 m,考慮路堤本體沉降及軟土地基工后沉降,每側(cè)加寬0.2 m,線間距5.0 m。路堤填土高4.35～5.95 m,路堤邊坡坡率為1∶1.5,邊坡坡面采用土工網(wǎng)墊固土后噴播植草防護。在路堤填筑過程中,在邊坡2.5 m寬度范圍內(nèi)每隔0.3 m鋪一層土工格柵。試驗于當年5月開始,進行了長期測試,收集并積累了大量詳實的測試資料及可靠數(shù)據(jù)。

1.1 工程地質(zhì)概況

試驗段地基屬第四系全新統(tǒng)沖湖積層,表層為黏土,灰黃色,軟—硬塑,層厚0.76～3.60 m；其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,深灰色,流塑,含少量腐植質(zhì),局部夾有薄層粉砂,具高壓縮性、低強度、高觸變性的特點,厚3.2～16.5 m；下臥層為黏土、粉土及粉質(zhì)黏土,軟—硬塑。各地層巖性自上而下分別為：①黏土,灰黃色,軟—硬塑,含有植物根系,厚0.76～3.60 m,屬中等壓縮性土。②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,深灰色,流塑,含少量腐植質(zhì),局部夾有薄層粉砂,具高壓縮性、低強度的特點,且大多數(shù)靈敏度超過16,具高觸變性,厚3.2～16.5 m。③黏土、粉質(zhì)黏土、粉土,局部夾薄層粉砂,呈交錯斷續(xù)沉積,層理清晰,厚4.1～9.8 m。④粉砂上部夾有薄層黏土,可分為上下兩層：上層為褐黃色,中密,飽和,厚0～6.7 m,不均勻夾有薄層黏土,分布于0+035～0+535,其N63.5=5～45擊；下層為褐黃色,深灰色,中密—密實,飽和,厚大于10 m,工點范圍廣泛分布,其N63.5=19～48擊。

1.2 試驗斷面土層物理力學指標統(tǒng)計及處理

試驗斷面土層物理力學指標統(tǒng)計見表1。從表1可得出,試驗段地層的含水率及孔隙比較高,特別是第2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(本試驗段的控制地層)，其平均值分別達到了44.4％和1.23,靈敏度較高,屬典型軟土。試驗段土層的固結(jié)系數(shù)在10-4～10-3量級左右。各試驗斷面的處理方式如表2所示。

表1 試驗斷面土層物理力學指標統(tǒng)計

表2 各斷面軟土地基加固設(shè)計措施

2 孔壓監(jiān)測與沉降監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 水泥攪拌樁處理軟基的孔壓監(jiān)測、沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

(1)水泥攪拌樁孔壓監(jiān)測結(jié)果及分析

水泥攪拌樁超孔隙水壓力與荷載隨時間的關(guān)系變化曲線如圖1所示，隨路堤填高的增加而增加,停止填筑后,復(fù)合地基和下臥層超孔隙水壓力逐漸消散減小。一般而言,在路基填筑過程中,地基淺層的孔隙水壓力增大較多,深層的孔隙水壓力增大較小[4]。

圖1 水泥攪拌樁地基孔隙水壓力隨荷載變化情況

對于水泥攪拌樁地基來說,加固層變形小且完成快,因此下臥層變形的大小和固結(jié)歷程更為重要。本工點樁體穿透了軟弱土層,下臥土層為硬塑黏土和粉砂,根據(jù)測試數(shù)據(jù),工點下臥層固結(jié)速率也很快。綜合起來,本工點攪拌樁復(fù)合地基固結(jié)可不考慮土體固結(jié)作用[5]。

(2)水泥攪拌樁沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

攪拌樁地基分層沉降儀所測試的地基沉降，隨填土荷載、時間的關(guān)系曲線見圖2。從圖2中可知,地基沉降隨填土荷載的施加和穩(wěn)定而呈現(xiàn)出有規(guī)律的增加和穩(wěn)定的過程。

圖2 水泥攪拌樁地基深層沉降荷載時間變化曲線

圖3 水泥攪拌樁地基沉降荷載時間變化曲線(沉降板)

由圖2和圖3可知,攪拌樁地基沉降隨填土荷載的施加和穩(wěn)定而呈現(xiàn)出有規(guī)律的增加和穩(wěn)定過程。攪拌樁樁頂中心、樁間中心、樁間土形心沉降規(guī)律及沉降數(shù)值沒有明顯差異,這與本試驗段設(shè)置了50 cm厚加筋碎石墊層有關(guān)。

線路中心處沉降量最大,左右兩側(cè)沉降沿橫斷面方向表現(xiàn)出不對稱性,左側(cè)沉降小于右側(cè)沉降,這與施工便道位于線路左側(cè)有關(guān)。攪拌樁地基最大沉降速率為5.8～7 mm/d。

分層沉降數(shù)據(jù)匯總見表3。從表3可知,水泥攪拌樁加固區(qū)的沉降總量為96.01 mm,占總沉降的72.3％,而下臥層的沉降量為36.76 mm,占總沉降的27.70％,可見下臥層沉降所占比例是較高的,大多在20％以上。

表層土層①的沉降量為總沉降量的20.2％,說明水泥攪拌樁復(fù)合地基淺層所受附加應(yīng)力最大,所產(chǎn)生沉降不容忽視。

表3 水泥攪拌樁處理斷面實測分層沉降數(shù)據(jù)

2.2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固法處理軟基的沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

(1)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓孔壓監(jiān)測結(jié)果及分析

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基孔隙水壓力-荷載-時間曲線見圖4?？紫端畨毫﹄S膜下真空度的變化十分明顯。抽真空初期,孔壓下降非?？?抽至真空僅5 d,該斷面16 m深度內(nèi)孔壓下降17.5～39.5 kPa,之后孔壓下降速率減小。在膜下真空度下降期間,孔壓均有不同程度的上升。當膜下真空度重新達到80 kPa后,孔壓又下降。至正式填筑前,該斷面16 m深度內(nèi),孔壓已下降35.2～78.2 kPa。正式填筑后,各測點孔壓又上升,該斷面分別最大上升48 kPa,出現(xiàn)在4～8 m深度的軟土層中。荷載穩(wěn)定后,孔隙水壓力消散明顯。

圖4 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基孔隙水壓力-荷載-時間曲線

(2)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

在0+276.51～0+515段采用塑料排水板真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固處理,加固深度14.5～18.5 m,排水板間距1.2 m，梅花形布置。塑料排水板頂面鋪0.8 m厚的砂墊層，內(nèi)鋪設(shè)一層土工格柵,要求膜下真空壓力不小于80 kPa。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基分層沉降-荷載-時間的變化曲線見圖5。

圖5 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基分層沉降-荷載-時間曲線

該斷面沉降變化可分兩個階段進行分析：

①在開始抽真空到開始正式路堤填筑期間,屬于真空預(yù)壓階段，此階段地基沉降與膜下真空度相對應(yīng)。開始抽真空后，在8 h內(nèi)膜下真空度就達到了設(shè)計80 kPa的要求。最初5天,沉降速率很快,可達4～6 cm/d，隨后沉降速率逐漸變小。當膜下真空度下降期間,沉降速率明顯變小。膜下真空度重新達到80 kPa后,沉降速率又變大。至正式開始路堤填筑前,即真空預(yù)壓時間約兩個月后,該斷面沉降速率已分別減小到3～5 mm/d，說明真空預(yù)壓階段的土體主固結(jié)沉降變化速率也是一個漸變收斂過程,與堆載預(yù)壓規(guī)律基本一致。該斷面正式填筑時總沉降分別達到85.0 cm(包括路基底部砂墊層及塑料排水板施工引起的少量沉降,約6～8 cm)。

②真空-堆載聯(lián)合階段,正式開始填筑后,沉降速率又變大,其大小與填土速率密切相關(guān)。如第一年8月1日～8月6日填土速率較快時,其沉降速率大于1.0 cm/d,至當年11月底該斷面沉降量分別已達到185.4 cm；真空卸載后階段(第一年10月31日以后),發(fā)生回彈,其值為1 cm。隨著基床表層級配碎石的填筑,又發(fā)生沉降,但沉降速率明顯變小,該斷面半個月沉降量僅3～6 mm。

地基面下各深度的沉降量與軟土地基類型、軟土層厚度的關(guān)系十分密切。由于設(shè)計塑料排水板的深度已達至軟土層底部,主要的沉降量都發(fā)生在加固區(qū),加固區(qū)下的沉降量所占總沉降量的比例較少。現(xiàn)將至第一年11月17日測得的各部分沉降匯總于表4。

表4 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法實測加固區(qū)與下臥層各部分沉降

從加固區(qū)和下臥層的沉降量可知,由于軟土層采用塑料排水板加固,下臥層沉降量較小,為11.3 cm,僅占總沉降的6.1％,這對于工后沉降的控制非常有利。

2.3 砂樁等載預(yù)壓加固法處理軟基的沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

(1)砂樁等載預(yù)壓孔壓監(jiān)測結(jié)果及分析

砂樁地基孔隙水壓力-荷載-時間曲線見圖6。

圖6 砂樁等載預(yù)壓地基孔壓-荷載-時間曲線

整條孔壓曲線大致可分為三部分：

①加載初期,孔壓在加載期的上升及間歇期的下降均不明顯，說明荷載較小時對孔壓的影響亦不大。

②加載中期,超孔壓在加載期的上升及間歇期的下降較明顯,說明荷載增大后對孔壓的影響加大。

③加載后期,與加載次數(shù)對應(yīng),臺階多而密,但上升值與加載中期相比要小,原因可能是隨著路堤高度的增加,新增荷載傳遞至地基土中的附加應(yīng)力有所降低。

從砂樁地基的孔壓消散速率Vk與加載速率Vp關(guān)系來分析,隨著地基土體的固結(jié),比值Vk/Vp隨時間增長而降低,說明在單位時間單位荷載作用下,孔壓消散量逐漸減小,此亦說明固結(jié)排水作用不斷減弱。

(2)砂樁等載預(yù)壓沉降監(jiān)測結(jié)果及分析[6]

0+735斷面采用砂樁等載預(yù)壓加固法處理,砂樁用料為中粗砂,采用振動式(振動重復(fù)拔管)和沖擊式(雙管沖擊)兩種砂樁施工方法。砂樁頂鋪0.6 m厚砂墊層,內(nèi)鋪設(shè)一層土工格柵。預(yù)壓土柱高1.0 m,預(yù)壓放置時間不少于3個月。

砂樁等載預(yù)壓處理斷面分層沉降儀測試數(shù)據(jù)的地基土沉降-荷載-時間的關(guān)系曲線見圖7。

圖7 砂樁等載預(yù)壓地基分層沉降荷載-時間-沉降曲線

隨著荷載時間的增加,沉降也逐漸增加。沉降板及剖面沉降測出的沉降隨荷載和時間變化規(guī)律與分層沉降規(guī)律相同。砂樁地基的沉降速率在加載期間增大,而間歇期時,沉降速率又減小,沉降速率曲線呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀。

分析表明,沉降增長速率Vs隨平均加載速率Vp的增加而增加,但Vs/Vp的值則逐漸減小,說明在單位時間單位荷載作用下,砂樁地基的沉降量逐漸減少,即固結(jié)排水作用不斷減弱。

從不同深度磁環(huán)的沉降曲線可以看出，沉降是由地表向下發(fā)展并主要發(fā)生在軟土層。表5是兩斷面分層沉降測試數(shù)據(jù)的匯總資料。從中可知,其中0+735斷面①、②地層的總分層沉降達233 mm,占總沉降的84.21％,而①、②地層總厚僅為6.75 m；而下臥層的沉降量僅為22.7 mm,占總沉降的8.2％。

表5 砂樁等載預(yù)壓處理軟基實測分層沉降測試數(shù)據(jù)匯總

3 三種軟基處理方法工后沉降估算和經(jīng)濟性對比

3.1 三種加固方法下地基工后沉降估算對比[7-9]

根據(jù)加固方法的不同,采用不同方法對工后沉降進行了計算：對于水泥攪拌樁地基，根據(jù)以往的過程經(jīng)驗,采用復(fù)合模量法進行沉降計算；對于真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基、砂樁地基，采用Es及e-lgp等方法進行沉降計算。

(1)水泥攪拌樁地基

參考秦沈客運專線的經(jīng)驗,研究中以雙曲線法基本原理為基礎(chǔ),采用復(fù)合雙曲線法進行沉降預(yù)測。經(jīng)過沉降預(yù)測及與實測值的比較,采用復(fù)合雙曲線法進行施工期間的沉降預(yù)測是可行的。經(jīng)計算,考慮雙線單荷列車荷載,攪拌樁復(fù)合地基的沉降約為2 cm,加上未考慮列車荷載的工后沉降,攪拌樁地基的工后沉降可滿足工后沉降小于5 cm的要求。

(2)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基

工后沉降由兩部分組成,即未完成的主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。由于下臥層透水性較差的粉質(zhì)黏土層厚度僅1.3～3.5 m,也很快完成了主固結(jié)沉降。至次年6月30日,兩斷面固結(jié)度已達100％,因此工后沉降僅為次固結(jié)沉降,為8.6 cm。

(3)砂樁等載預(yù)壓地基

總固結(jié)沉降等于砂樁加固區(qū)及加固區(qū)以下固結(jié)沉降量之和,由于砂樁地基軟土較淺,軟土厚度僅4 m左右,初步估計工后沉降的平均值為5.09～9.18 cm之間,可以滿足工后沉降小于10 cm的要求。

3.2 三種軟基加固方法下的技術(shù)經(jīng)濟對比

不同地基處理方法技術(shù)經(jīng)濟比較見表6。

就技術(shù)而言,各種施工工藝均可以滿足工程的要求。軟土地基經(jīng)水泥攪拌樁處理后,填筑速率不受穩(wěn)定性控制,可以加快填筑速率，縮短工期,減少工后沉降明顯；采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土地基,路堤填筑不受穩(wěn)定性控制,工后沉降得到減少,但要注意其對周圍結(jié)構(gòu)物的影響；采用砂樁等載預(yù)壓處理軟土地基,路堤穩(wěn)定性基本不受控制,工期較長,工后沉降相對較大,但價格相對低廉,地基具有排水固結(jié)和復(fù)合地基雙重作用。

表6 三種軟基加固方法技術(shù)經(jīng)濟性對比

4 結(jié)論

(1)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法和砂樁等載預(yù)壓法處理的地基下臥層沉降占總沉降的比例小于10％,對工后沉降較有利。

(2)攪拌樁地基工后沉降較小,可以滿足工后沉降5 cm的要求,砂樁等載預(yù)壓地基、真空預(yù)壓聯(lián)合堆載地基可以滿足工后沉降10 cm的要求。

(3)就經(jīng)濟性而言,砂樁等載預(yù)壓的單價最小,攪拌樁處理地基的單價最大,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理地基單價居中,但砂樁等載預(yù)壓處理的工期長,工期不易受控制。

(4)綜合各種指標,相對而言,水泥攪拌樁、真空預(yù)壓聯(lián)合堆載處理鐵路軟土路基的優(yōu)勢較明顯,建議高速鐵路地基處理中優(yōu)先考慮。

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