某車站軟土地基處理

易菊香 黃新文

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程概況

該鐵路技術(shù)標準：國鐵Ⅰ級,雙線,設(shè)計速度目標值為120 km/h,客貨共用(以貨為主)。軌道類型：重型(60 kg/m),無縫線路,預留特重型軌道條件。該車站位于山西省某縣,橫斷面布置2～6股道,填土高約6～12 m,DK486+575～DK487+654段約1 097 m分布著較厚軟土,地下水埋深較淺,需進行地基加固處理。

2 工程地質(zhì)特征及水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

地貌單元屬山前平原地段,場地地形較為平坦,局部陡坎發(fā)育，大部分開辟為耕地,種植玉米等農(nóng)作物,局部為林地,覆蓋率約95%。

2.2 水文地質(zhì)條件

地下水主要為第四系松散巖類孔隙水及少量基巖裂隙水,水位埋深約1.0 m。根據(jù)水質(zhì)分析報告,地下水為HCO3-Ca型水,地表水為HCO3-SO4-Ca型水。根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]157號)：場區(qū)內(nèi)的地表水及地下水對鋼筋混凝土不具侵蝕性。

2.3 地震動參數(shù)

根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2001),本區(qū)地震動峰值加速度0.05g,地震基本烈度Ⅵ,動反應譜特征周期0.45 s。土壤最大凍結(jié)深度0.55 m。

2.4 地層巖性

(1)第四系上更新統(tǒng)湖積淤泥(Q3l)：灰黑色,流塑,σ0=30 kPa,Ⅱ級普通土；

(2)第四系上更新統(tǒng)湖積粉質(zhì)黏土(Q3l)：黃褐色,硬塑,σ0=150 kPa,Ⅱ級普通土；

(3)第四系上更新統(tǒng)湖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q3l)：灰黑色,軟塑,σ0=90 kPa,Ⅱ級普通土；

(4)第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉土(Q3al+pl)：黃褐色,飽和,中密,σ0=150 kPa,Ⅱ級普通土。

3 軟土地基處理原則

軟土的抗剪強度由兩部分組成：軟土本身所具備的天然強度；軟土在上部附加荷載作用下產(chǎn)生的固結(jié)強度。在軟土天然地基上,填土產(chǎn)生固結(jié),考慮填筑臨界高度及固結(jié)增長的地基強度,通過固結(jié)系數(shù)計算固結(jié)度。軟土路基應進行穩(wěn)定和沉降檢算,復合地基法采用圓弧法檢算,軟土路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)按雙線雙荷考慮時不應小于1.15；不考慮軌道及列車荷載時最小穩(wěn)定安全系數(shù)Kmin≥1.20；考慮軌道及列車荷載時Kmin≥1.15；有運架梁作業(yè)時Kmin≥1.05。軟土地基底部存在斜坡時,應檢算路堤沿軟土底部滑動的穩(wěn)定性,復合地基法應按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》進行單樁承載力及復合地基承載力估算。

(1)對深度小于3.0 m的淺層軟土,采取挖除換填滲水土處理。

(2)對處理深度大于3 m的軟土地基,一般采用攪拌樁復合地基加固,當?shù)鼗鶌A有較厚硬層,多向水泥攪拌樁施工困難時,可采用CFG樁復合地基加固。

4 地基處理分析

4.1 固結(jié)度分析

采用規(guī)范平均固結(jié)度法計算,多級加荷固結(jié)度修正時的荷載增量定義為:填土高×容重。

4.2 穩(wěn)定性分析

采用有效固結(jié)應力法計算穩(wěn)定；加載與路堤竣工的間隔時間為6月；不考慮地震力；自動搜索最危險滑裂面。條分法的土條寬度為1.0 m,搜索時的圓心步長為1.0 m,搜索時的半徑步長:0.5 m。超載產(chǎn)生的地基附加應力采用虛擬三角菱體法；采用有效固結(jié)應力法計算穩(wěn)定；考慮固結(jié)引起C值的提高。

考慮固結(jié)時路基穩(wěn)定性計算

(1)

式中Si=Wdicosαitanφqi+cqili；

ΔSi——由于固結(jié)增長的地基強度,ΔSi=WtiUicosαitanφgi；

Wdi、Wti——當?shù)趇土條的滑裂面處于地基內(nèi)時,分別為滑面以上該土條中的地基自重及路堤自重；

li——第i土條底滑面的長度/m；

cqi,φqi——當?shù)趇土條的滑裂面處于地基內(nèi)時,分別為該土條所在土層的快剪黏聚力及快剪內(nèi)摩擦角；

αi——第i土條底滑面的傾角；

Ui——地基平均固結(jié)度；

φgi——第i土條所在土層的固結(jié)快剪或三軸固結(jié)不排水剪的內(nèi)摩擦角/(°)；

PT——各土條在滑弧切線方向的下滑力的總和。

4.3 沉降分析

對超過兩線的斷面變形計算時,只計正線雙線荷載；對雙線斷面檢算時只計一線荷載。采用經(jīng)驗系數(shù)法計算地基總沉降,壓縮模量法計算主固結(jié)沉降,超載產(chǎn)生的地基附加應力采用虛擬三角菱體法。沉降計算的分層厚度為0.5 m,壓縮層厚度判斷應力比為20.0%。按多層土實際容重計算基底壓力,復合地基樁身壓縮量法計算加固區(qū)主固結(jié)沉降,計算時考慮彌補地基沉降引起的路堤增高量；工后基準期起算時間:最后一級加載(路面施工)結(jié)束時。

復合地基的總沉降量計算

S=ms(S1+S2)

(2)

式中S1——加固區(qū)沉降量/m；

S2——下臥層沉降量/m；

mS——沉降經(jīng)驗修正系數(shù),與地基條件、荷載強度等因素有關(guān),根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗確定。

對于軟土地基,其值可取1.0～1.2；對于非軟土地基,可根據(jù)區(qū)域工程經(jīng)驗取值；對于黃土地基,可參照現(xiàn)行國家標準《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025)有關(guān)規(guī)定選取。

地基工后沉降量按下式計算

Sr=S-ST

(3)

式中Sr——工后沉降量/m；

S——最終沉降量(或稱總沉降值)/m；

ST——上部建筑物竣工或路基竣工鋪軌完成已經(jīng)發(fā)生的沉降量(或稱施工期沉降)/m。

5 地基加固措施

首先檢算天然地基穩(wěn)定及沉降是否滿足要求,若不滿足則考慮地基加固。若斷面穩(wěn)定性不滿足,則采用鋪兩層土工格柵和多向水泥攪拌樁一起加固,樁長進入切深以下2.0 m,且進入硬層0.5 m。檢算后若沉降不滿足要求,則采用CFG樁加固,樁長進入硬層2.0 m，再檢算采用復合地基加固后邊坡穩(wěn)定性及地基沉降。

以DK486+900斷面為例進行檢算,布置6股道,Ⅰ、Ⅱ線為正線、Ⅲ、Ⅳ線為聯(lián)絡線,路堤填高11.27 m,填土重度為19 kN/m3,黏聚力為20 kPa,內(nèi)摩擦角為25°,本站場列車和軌道荷載換算土柱高度為3.2 m、寬度為3.7 m。

本斷面布置6股道,左側(cè)邊坡穩(wěn)定檢算考慮四荷超載,沉降檢算考慮正線Ⅰ、Ⅱ線荷載,荷載布置見表1，地層信息見表2。

表1 荷載布置及選取

表2 地層信息

5.1 天然地基檢算

考慮超載時穩(wěn)定計算結(jié)果，沉降隨填土厚度及填土附加荷載作用時間的曲線見圖2、圖3；考慮沉降完成比例，根據(jù)模量當量值按地基規(guī)范GB5007—2002表5.3.5的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)知：最終地基總沉降為 0.4×1.062×1.429=0.61 m;滑動圓心=(9.899,12.044) m,滑動半徑=17.243 m,滑動安全系數(shù)為0.483,不滿足本線穩(wěn)定、沉降要求,需要加固。

圖2 天然地基施加超載時刻穩(wěn)定計算(單位：m)

圖3 天然地基填土-時間-沉降曲線

5.2 復合基地處理

因站場股道多，斷面最寬約70 m,若全斷面采用多向水泥攪拌樁加固,則造價太高。通過檢算,考慮坡腳不穩(wěn)定范圍內(nèi)采用多向水泥攪拌樁及兩層土工格柵增強穩(wěn)定性,路堤正下方范圍采用CFG樁加固控制地基沉降。

(1)多向水泥攪拌樁加固

不考慮軌道及列車荷載時最不利滑動面:滑動圓心=(4.217,16.748) m,滑動半徑=21.946 m,滑動安全系數(shù)=1.329>1.2,滿足要求。

鋪兩層土工格柵,離地高度分別為0.2 m、0.3 m,筋帶力作用于切線方向,設(shè)計拉力110 kN。考慮超載時穩(wěn)定檢算結(jié)果見圖4?；瑒訄A心=(5.422,17.478) m,滑動半徑=22.674 m,即滑面切深7.2 m,滑動安全系數(shù)：1.152>1.5。因本斷面地層埋深8.2～14.3 m為軟土,其下為硬層,則多向水泥攪拌樁進入硬層0.5 m,即采用樁長14.8 m,間距1.1 m。多向水泥攪拌樁體抗剪強度為300 kPa,樁身強度大于1.2 MPa,試塊(邊長7.07 cm立方體)標注養(yǎng)護90 d立方體無側(cè)限抗壓強度大于1.5 MPa,單樁承載力不小于110 kN,復合地基承載力不小于170 kPa。

圖4 復合地基施加超載時刻穩(wěn)定計算(單位：m)

圖5 復合地基填土-時間-沉降曲線

圖6 復合地基最終沉降量盆形曲線(單位：m)

(2)CFG樁加固

通過檢算,采用CFG樁加固后地基沉降隨填土厚度及填土附加荷載作用時間的曲線見圖5，最終沉降量見圖6?？紤]沉降完成比例，根據(jù)模量當量值按地基規(guī)范GB5007—2002表5.3.5的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，最終地基總沉降： 0.4×1.062×0.291=0.124 m，小于本線區(qū)間沉降要求(0.2 m)。因本斷面地層埋深14.3 m以下為硬層,考慮樁長進入硬層2.0 m,則采用CFG樁長16.3 m,間距2.0 m。樁體抗剪強度為1 000 kPa,樁身強度大于10 MPa,樁體混合料試塊(邊長15 cm立方體)標注養(yǎng)護28 d立方體無側(cè)限抗壓強度大于15 MPa,單樁承載力不小于330 kN,復合地基承載力不小于175 kPa。

6 結(jié)束語

本車站路基橫斷面布置股道多,軟土分布范圍廣,若單一采用多向水泥攪拌樁加固地基,則超出合理的造價,本文根據(jù)車站橫斷面布置及地層情況,通過穩(wěn)定及沉降檢算分析,考慮軟土在上部附加荷載作用下產(chǎn)生的固結(jié)強度增長,采用鋪兩層土工格柵增加穩(wěn)定力矩，以及在邊坡不穩(wěn)定范圍內(nèi)采用多向水泥攪拌樁共同保證路堤邊坡穩(wěn)定性，在路堤正下方采用CFG樁控制地基變形的復合地基處理方法對軟土地基進行加固,較好的滿足了路堤邊坡穩(wěn)定性及地基沉降的要求,比全斷面單一采用多向水泥攪拌樁更經(jīng)濟,比全斷面單一采用CFG樁更合理。

[1]鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵道工程設(shè)計技術(shù)手冊：路基[M].北京:中國鐵道出版社,1995

[2]鐵道部.鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2010

[3]曾國熙.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1988

[4]楊位洗.地基及基礎(chǔ)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998

[5]龔曉南.地基處理新技術(shù)[M].西安:陜西科學技術(shù)出版社,1997