采用柱錘沖擴(kuò)樁處理高速鐵路黃土地基效果研究

李玉強(qiáng)，黃志軍

(1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2．甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州730070)

采用柱錘沖擴(kuò)樁處理高速鐵路黃土地基效果研究

李玉強(qiáng)1，2，黃志軍1，2

(1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070;2．甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州730070)

黃土在我國(guó)境內(nèi)分布較廣，具有壓縮性高、孔隙率大、濕陷性等特征，工程性質(zhì)較差。高速鐵路對(duì)地基的要求比較高。要在黃土地區(qū)修建高速鐵路，就必須解決黃土工程性質(zhì)較差的問(wèn)題。在寶蘭客專蘭州西客站附近選取試驗(yàn)段，采用柱錘沖擴(kuò)樁對(duì)黃土地基進(jìn)行處理。結(jié)果表明:柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基能夠大幅度提高黃土地基的承載力，處理后復(fù)合地基的承載力相對(duì)于天然地基提高了3倍以上;采用柱錘沖擴(kuò)樁處理黃土地基對(duì)樁間土具有良好的擠密效果，樁間土密度比處理前增大了17%左右;柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基能夠有效消除黃土的濕陷性。

高速鐵路 柱錘沖擴(kuò)樁 黃土 復(fù)合地基 濕陷性

黃土的濕陷性指的是黃土在遇水浸濕后，土體結(jié)構(gòu)迅速破環(huán)，并發(fā)生顯著下沉，引起上部建筑發(fā)生傾斜、開裂或者大幅度沉降的一種性質(zhì)［1-2］。在黃土地區(qū)修建高速鐵路，如果不采取措施消除黃土的濕陷性，一旦遇水，地基土結(jié)構(gòu)迅速破壞，在列車荷載作用下，路基會(huì)大幅度沉降，影響列車的安全運(yùn)行。因此，對(duì)黃土地區(qū)高速鐵路地基必須采取措施進(jìn)行加固處理，消除黃土的濕陷性。

在對(duì)黃土地基加固處理時(shí)需選擇合理的工法。從目前來(lái)看，黃土地基的處理方法主要有預(yù)浸水法、擠密法、強(qiáng)夯法、換填法、高壓噴射注漿法、深層攪拌樁法等［3-4］。柱錘沖擴(kuò)樁是擠密樁的一種，因其成樁速度快、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)已得到廣泛應(yīng)用。本文探討用該方法處理高速鐵路黃土地基的效果。

1 工程概況

寶蘭客專是規(guī)劃的徐州至蘭州客運(yùn)專線的西段，是國(guó)家鐵路“四縱四橫”客運(yùn)專線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。蘭州西客站是寶蘭客專的大型客運(yùn)樞紐站，位于黃河三級(jí)階地平臺(tái)上，地勢(shì)開闊，地形相對(duì)平緩。施工段起訖里程DCSK1+095.46—DCSK5+605.00，全長(zhǎng)4 509.54 m。在施工段選擇DCSK3+160—DCSK3+ 260段(全長(zhǎng)100 m)作為試驗(yàn)段采用柱錘沖擴(kuò)樁對(duì)天然地基進(jìn)行處理。試驗(yàn)段地層見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)段地層

2 天然地基物理力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 天然地基承載力試驗(yàn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定天然地基承載力。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，3組試驗(yàn)測(cè)得的天然地基承載力為120 kPa左右。而設(shè)計(jì)要求的地基承載力為不小于200 kPa，故天然地基承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求，所以必須采取措施提高天然地基承載力。

2.2 天然地基土物理力學(xué)試驗(yàn)

天然地基土物理力學(xué)試驗(yàn)包括密度試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)用環(huán)刀取回原狀土，在室內(nèi)通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)其密度和濕陷性。結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 天然地基P－S曲線

表2 天然地基土試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)，天然地基土濕陷系數(shù)均＞0.015，說(shuō)明天然地基土具有濕陷性。如果直接在上面修建高速鐵路，在降雨量較大的情況下地基黃土發(fā)生濕陷，這將嚴(yán)重威脅到列車的安全運(yùn)行。對(duì)于濕陷性黃土，在采取措施提高承載力之前必須消除其濕陷性。而柱錘沖擴(kuò)樁可以在提高承載力的同時(shí)消除黃土濕陷性。

3 柱錘沖擴(kuò)樁的設(shè)計(jì)、質(zhì)量要求及施工方法

3.1 柱錘沖擴(kuò)樁的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段設(shè)計(jì)柱錘沖擴(kuò)樁樁體填料為水泥與黃土的混合料，灰土比例為1∶10，填充前應(yīng)攪拌均勻。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為8 m，樁徑為0.4 m，樁中心間距為1.0 m，樁位布置為正三角形，見(jiàn)圖2。

3.2 柱錘沖擴(kuò)樁質(zhì)量要求

1)柱錘沖擴(kuò)樁質(zhì)量檢測(cè)內(nèi)容包括樁身及樁間土密度、復(fù)合地基承載力、樁間土濕陷系數(shù)等。

2)樁施工結(jié)束7～14 d后對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，樁心附近采用鉆機(jī)取樣，每2 m采取試樣測(cè)定密度，再根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度將其換算為壓實(shí)系數(shù)(輕型擊實(shí)需≥0.97)，同時(shí)取樣實(shí)測(cè)28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(需≥1 000 kPa)［5］。

3)施工結(jié)束7～14 d后應(yīng)對(duì)樁間土的處理效果進(jìn)行檢驗(yàn)。每2 m取樣測(cè)定密度并進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)、濕陷性試驗(yàn)，需滿足擠密系數(shù)≥0.93(輕型擊實(shí))，濕陷系數(shù)δs＜0.015［5］。

4)樁身承載力檢驗(yàn)宜在成樁28 d后進(jìn)行，應(yīng)采用復(fù)合地基承載力試驗(yàn)，滿足復(fù)合地基設(shè)計(jì)要求［5］。

3.3 柱錘沖擴(kuò)樁施工工藝

一般柱錘沖擴(kuò)樁的施工［6-7］分為以下幾步:

1)平整施工場(chǎng)地，布置樁位并進(jìn)行標(biāo)記。

2)施工機(jī)具進(jìn)場(chǎng)，施工前應(yīng)使柱錘位于樁位的正上方。

3)沖擊成孔。將柱錘提升至一定高度，自由下落沖擊土層，如此反復(fù)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)成孔深度時(shí)停止作業(yè)。

4)夯實(shí)成樁。將提前拌好的水泥土填入樁孔，每次填料量為0.13～0.15 m3，用夯重錘進(jìn)行夯實(shí)，夯擊次數(shù)達(dá)到至少8次后進(jìn)行下一次填料，如此往復(fù)，每個(gè)樁孔應(yīng)夯填至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上至少0.5 m。施工中應(yīng)作好記錄，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行處理。

5)施工機(jī)具移位，重復(fù)上述步驟進(jìn)行下一根樁施工。

沖擊成孔過(guò)程中，柱錘將原位置的土體擠壓到四周，達(dá)到擠密樁間土的效果。填料后，柱錘夯擊過(guò)程中，填料被夯實(shí)的同時(shí)會(huì)被擠向四周，成樁的同時(shí)樁間土被再一次擠密。成樁后，灰土樁對(duì)天然土體起到一個(gè)置換作用，從而形成柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基。

圖2 樁位布置示意(單位:m)

4 處理后效果檢測(cè)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

柱錘沖擴(kuò)樁施工結(jié)束7 d后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)檢測(cè)復(fù)合地基承載力，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，3組試驗(yàn)測(cè)得的復(fù)合地基承載力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的200 kPa，復(fù)合地基承載力相對(duì)于天然地基提高了3倍以上。

圖3 復(fù)合地基P－S曲線

4.2 樁身物理力學(xué)性能試驗(yàn)

樁施工結(jié)束7 d后，在樁心附近采用鉆機(jī)取樣，每2 m采取試樣測(cè)定密度，換算成壓實(shí)系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 樁身力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，樁身土壓實(shí)系數(shù)均＞0.97，樁身壓縮模量均＞100 MPa，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均＞1 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 樁間土物理力學(xué)性能試驗(yàn)

施工結(jié)束7 d后，對(duì)樁間土每2 m采用鉆機(jī)取樣，測(cè)定密度，并進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，樁間土擠密系數(shù)＞0.93，滿足設(shè)計(jì)要求，樁間土密度比處理前增大了17%左右。

通過(guò)濕陷性試驗(yàn)確定樁間土濕陷系數(shù)δs＜0.015，樁間土濕陷性已基本消除。

表4 樁間土固結(jié)試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究采用柱錘沖擴(kuò)樁處理黃土地基的效果，結(jié)果顯示復(fù)合地基承載力、樁身壓實(shí)系數(shù)、壓縮模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、樁間土擠密系數(shù)及濕陷系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。得出以下結(jié)論:

1)柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基能夠大幅度提高黃土地基的承載力，復(fù)合地基承載力相對(duì)于天然地基提高了3倍以上。

2)柱錘沖擴(kuò)樁對(duì)樁間土具有良好的擠密效果，樁間土密度比處理前增大了17%左右。

3)柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基有效地消除了樁間黃土的濕陷性。

［1］張良春，秦德進(jìn)，鄧艷霞．客運(yùn)專線路基基床表層填筑試驗(yàn)研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(1):77-80．

［2］李治平．二灰土擠密樁在公路濕陷性黃土地基加固中的應(yīng)用研究［J］．中外公路，2009，29(4):50-53．

［3］孫洪利，尤曉．黃土地區(qū)公路工程地基處理技術(shù)簡(jiǎn)介［J］．公路，2003(6):107-109．

［4］屈耀輝，魏永梁，武小鵬，等．黃土區(qū)高鐵柱錘沖擴(kuò)樁地基沉降控制效果研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(1):21-25．

［5］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1999．

［6］徐強(qiáng)，劉運(yùn)澤，白兆梓，等．灰土樁在濕陷性黃土路基處理中的應(yīng)用與質(zhì)量控制［J］．公路，2009(6):20-22．

［7］殷鄭海．灰土擠密樁在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用［J］．路基工程，2005(1):45-48．

(責(zé)任審編葛全紅)

TU472.99

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．26

1003-1995(2015)03-0092-03

2014-06-20;

2014-09-20

李玉強(qiáng)(1990—)，男，甘肅金昌人，碩士研究生。