斜向高壓旋噴樁加固既有鐵路路基設計參數(shù)的取值

陳學喜，吳玉哲，楊昊天，張紅利，李元彪

(1．蘭州鐵路局中衛(wèi)工務段，寧夏中衛(wèi)755000;2．中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州730000)

斜向高壓旋噴樁加固既有鐵路路基設計參數(shù)的取值

陳學喜1，吳玉哲1，楊昊天2，張紅利2，李元彪2

(1．蘭州鐵路局中衛(wèi)工務段，寧夏中衛(wèi)755000;2．中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州730000)

以寶(雞)中(衛(wèi))鐵路K329+950—K330+450段路基下沉病害治理工程為依托，對斜向高壓旋噴樁治理既有鐵路路基下沉病害的設計方法進行了探索，研究了樁體的布設形式、間距、加固深度、最優(yōu)傾角、置換率等參數(shù)的取值。結果表明:加固深度由軟弱地層深度及列車荷載影響深度共同確定為8 m;通過內(nèi)、外側樁不同傾角多種組合的數(shù)值模擬，確定出旋噴樁的最優(yōu)傾角為內(nèi)、外側樁與豎向夾角分別為50°，30°;根據(jù)復合地基不同體積置換率對原路基承載力的提高程度，確定合理的樁徑為80 cm，排距為1.2～1.5 m，并提出以18%～25%的體積置換率作為斜向旋噴樁加固路基的合理置換率區(qū)間。

鐵路路基;斜向旋噴樁;路基加固;體積置換率

目前利用高壓旋噴樁加固地基的技術已得到廣泛應用，在鐵路路基加固中也不乏工程實例。如文獻［1-2］以朔黃重載鐵路路基病害整治工程為背景，通過實測數(shù)據(jù)及有限元仿真軟件分析，提出斜向旋噴樁較優(yōu)的施工角度、樁間距等施工參數(shù);文獻［3］從斜向水泥土樁加固機理出發(fā)，建立斜向水泥土樁法的設計計算模型，提出確定斜向水泥土樁縱向間距及豎向排距的計算方法;文獻［4-8］對高壓旋噴樁在一般地基或鐵路運營線上的施工工藝及施工注意事項進行了總結;文獻［9］通過對比斜向高壓旋噴樁在朔黃重載鐵路路基加固前后的效果，說明斜向高壓旋噴樁能增強路基的整體性能，起到明顯的加筋效果，是一種快速有效的既有線路基加固方法。

目前關于斜向高壓旋噴樁加固地基的設計理論研究相對較少，工程設計中對于旋噴樁的排距、樁長、樁徑等參數(shù)多憑經(jīng)驗取值。本文提出了一種以理論計算、數(shù)值模擬分析、靜力觸探試驗、現(xiàn)場模擬荷載試驗等手段為基礎而確定旋噴樁設計參數(shù)的方法。

1 工程概況

1.1 工程背景

寶中鐵路K329+950—K330+450段位于寧夏回族自治區(qū)海原縣境內(nèi)，路線總體走向近南北向。自2003年以來該段鐵路兩側黃河灌區(qū)開始漫灌澆地，受到周期灌溉的影響，路基產(chǎn)生下沉變形，導致線路頻繁的起道、搗固作業(yè)，日常維護工作量增大。為確保行車安全，該段路基整治前線路長期限速45 km/h，影響了正常的鐵路運輸秩序。由于路基下沉，路基及兩側農(nóng)田出現(xiàn)多條貫通裂縫，裂縫最長達600 m，路基最大下沉量達2 m。2008—2010年采用灰土擋水墻和地基劈裂壓漿聯(lián)合加固的方法，對該段路基下沉病害進行了3次治理，但治理效果不明顯，農(nóng)田澆灌后路基繼續(xù)下沉。

1.2 路基變形機理

根據(jù)一系列的勘察及分析，認為該段路基產(chǎn)生下沉病害的原因有二:其一，地基土層具有濕陷性和高壓縮性是路基沉降的根本原因。病害區(qū)地基土屬于粉質(zhì)黏土和粉土，為Q3黃土和新近系泥巖風化物——紅黏土在水成作用下的產(chǎn)物，沉積于西吉盆地，厚度超過50 m。因此土層在含水量降低后成為兼具黃土和粉土性質(zhì)的混合土，在含水量增大后具有濕陷性和高壓縮性。從原狀土試驗結果可知，該段路基3 m以上的地層濕陷系數(shù)在0.015～0.09，大部分為中等濕陷性，3 m以下的地層不具濕陷性，但因含水量增大而具有高壓縮性。其二，漫灌澆地導致土體含水量增加是地基沉降的主要誘發(fā)因素。西吉盆地歷史上就是干旱少雨地區(qū)，多年平均降雨量為300 mm，因此土體本身含水量較低，2003年以前該段路基變形已趨于穩(wěn)定，其變形在控制范圍內(nèi)。自2003年開始引黃灌溉，灌溉水滲入土體后，3 m以下土層濕陷性基本完成，3 m以上地層有濕陷性。2012年勘察成果顯示8 m內(nèi)土層含水量普遍高于土的液限，成為高含水的軟弱地層，地基承載力進一步降低，以往的幾次病害治理工程，無法從根本上消除路基沉降變形，導致該段路基沉降問題一直存在，無法滿足列車正常運營的要求，長期處于限行狀態(tài)。

2 斜向旋噴樁的設計

2.1 旋噴樁加固深度的確定

加固深度的確定是工程設計中考慮的重要問題，本次通過靜力觸探試驗及路基在列車荷載作用下附加應力的理論計算共同確定路基的加固深度。

2.1.1 路基附加應力計算

路基面承受的荷載包括軌道靜載、列車活載，本次計算上部總荷載P取80 kPa，荷載寬度3.5 m。通過計算路基附加應力繪制應力分布曲線，如圖1所示。工程中一般將受壓縮層下限控制在附加應力等于0.2倍的土的自重應力p處，由應力分布計算結果看出線路中線應力為0.2p處的深度約為11 m。

圖1 荷載作用下的應力分布曲線

2.1.2 靜力觸探測試

為了解地基不同深度處的承載力，沿線路共進行了10處靜力觸探測試，圖2為其中2處測試數(shù)據(jù)，圖中fs為側阻力，qc為端阻力。通過試驗資料的整理，分析認為場地土體約8 m以內(nèi)地基承載力不足150 kPa，不能滿足路基承載力要求。

圖2 靜力觸探曲線

綜合應力分布計算深度及靜力觸探試驗結果，斜向旋噴樁加固深度應確定至地面以下約8 m。

2.2 旋噴樁最優(yōu)傾角的確定

采用數(shù)值模擬的方法對旋噴樁不同內(nèi)、外側傾斜角度組合的對比分析，確定斜向旋噴樁最優(yōu)傾角。

2.2.1 計算模型的建立

有限元計算模型如圖3所示。模型水平尺寸為40 m，豎向尺寸約18 m。土體上部為軟弱土層，以下為硬土層。除頂部自由外，其余邊界均采用對稱約束邊界條件。

圖3 有限元計算模型(單位:m)

2.2.2 參數(shù)選擇

土體及結構物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體及結構物理力學參數(shù)

2.2.3 計算工況及結果分析

旋噴樁角度布置方案如表2所示。

針對每種布置方案，計算在列車荷載作用下路基頂面的沉降量。不同旋噴樁角度布置方案下路基頂面沉降量曲線見圖4。由圖可知，方案4、方案5、方案6及方案10在列車荷載作用下路面沉降相對比較小。

而現(xiàn)場實際情況發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側樁豎向夾角過大，旋噴樁成樁時與地表距離較小，易出現(xiàn)從地表噴漿的情況，且接近孔口處無法成樁，容易增加施工難度，因此，綜合考慮，內(nèi)側樁豎向夾角不宜＞50°，外側樁需兼顧旋噴樁置入土體的深度，宜選用較小的角度。所以旋噴樁設計建議采用內(nèi)側樁豎向夾角50°，外側樁豎向夾角30°。

2.3 旋噴樁排間距的確定

2.3.1 模擬荷載試驗

通過現(xiàn)場1∶1模擬試驗，驗證在兩側設置旋噴樁后地基整體承載力的提高程度，得到處理后的復合地基承載力和變形模量，初步確定經(jīng)濟合理的樁間距、樁徑，并得到最優(yōu)體積置換率的范圍。選擇與加固段路基地層條件相似的場地作為試驗場，如圖5所示。

圖5 全斷面模擬荷載試驗

初步設計時考慮樁徑為60 cm(模擬荷載試驗完成后進行優(yōu)化設計時將樁徑調(diào)整到80 cm)，內(nèi)側樁豎向夾角50°，外側樁豎向夾角30°。模擬荷載試驗裝置布置如圖6所示。

圖6 模擬荷載試驗平面布置(單位:m)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制荷載-沉降曲線，如圖7所示。由圖可知，模擬載荷試驗最大施加荷載為258 kPa，最大沉降量為97.31 mm。并可確定出比例界限荷載Pa=115.9 kPa，極限荷載Pu=201.43 kPa，滿足《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(極限荷載大于比例界限荷載的1.5倍)，因此取比例界限荷載Pa=115.9 kPa為地基承載力特征值，即fak=115.9 kPa。根據(jù)規(guī)范中變形模量的計算公式，可得復合地基的變形模量E0=9.8 MPa。

圖7 模擬荷載試驗荷載–沉降曲線

2.3.2 旋噴樁排間距的確定

K329+950—K330+450段路基沉降情況并不一致，需分區(qū)段考慮治理工程措施。本次試驗期間，根據(jù)現(xiàn)場靜力觸探測試、路基沉降觀測結果、道砟厚度等情況，將該段路基分為沉降嚴重路段、沉降較嚴重路段和沉降一般路段3類(見表3)，并根據(jù)分段情況旋噴樁采用不同的排間距。本次設計中提出采用體積置換率來控制排間距，其概念是指沿線路方向單位長度(旋噴樁排間距)范圍內(nèi)置入土體的旋噴樁體積與0.2p的應力泡范圍內(nèi)的土體的體積之比。

表3 路基沉降評價

旋噴樁排間距的具體確定過程為:通過靜力觸探測試及模擬載荷試驗分別確定模擬載荷試驗場地的原地基承載力P0=60 kPa及置入旋噴樁后的承載力P'0=116 kPa，提高幅度ΔP0=56 kPa，所采用的樁體布置形式的體積置換率η0=15.6%。然后取沉降嚴重路段原地基承載力P1=70 kPa，較嚴重路段原地基承載力P2=75 kPa，一般路段原地基承載力P3=90 kPa，各路段要求達到的地基承載力應為150 kPa，即各路段承載力需要提高的幅度分別為ΔP1=80 kPa，ΔP2=75 kPa，ΔP3=60 kPa。通過以上數(shù)據(jù)按以下比例關系確定各路段所要達到的體積置換率ηi(目標置換率):

然后計算目標置換率及試算不同旋噴樁排間距的置換率，使設計置換率達到目標置換率即可，最終結果如表4所示。

表4 各路段目標置換率計算結果

2.4 旋噴樁布置

綜上所述，試驗段旋噴樁的平斷面布置為:路肩外邊緣施作2排高壓旋噴樁，2排樁孔口間距0.5 m，樁位距路線中心線的距離見工程斷面圖(圖8)，樁徑均為0.8 m，間縱向距1.2～1.5 m，旋噴樁按單側齊列布置，雙側錯列布置。內(nèi)側旋噴樁長8 m，與豎直夾角為50°，外側旋噴樁長10 m，與豎直夾角為30°。

圖8 工程布置斷面(單位:m)

3 加固效果評價

軌道不平順質(zhì)量指數(shù)(Track Quality Index，TQI)是采用數(shù)學統(tǒng)計方法描述區(qū)段軌道整體質(zhì)量狀態(tài)的綜合指標和評價方法。TQI是高低、軌向、軌距、水平和三角坑5類病害的動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果，該值的大小與軌道平順性密切相關，數(shù)值越大，表明軌道的平順程度越差、波動性也越大。線路路基是否穩(wěn)定直接影響到5類病害數(shù)量及TQI值的大小，所以本次采用對比治理前后病害數(shù)量及TQI值來評價旋噴樁治理路基下沉的效果，如圖9、圖10所示。

由圖9及圖10可以看出，自2014年11月試驗段旋噴樁施工結束后，病害數(shù)量與TQI值較施工前呈現(xiàn)明顯的減小趨勢，說明高壓旋噴樁的實施對路基下沉起到了有效的控制作用。

圖92014 —2015年試驗段病害數(shù)量趨勢

圖102014 —2015年試驗段TQI值趨勢

4 結論

結合理論計算、數(shù)值模擬分析、靜力觸探試驗及現(xiàn)場模擬荷載試驗，對在既有線上采用斜向高壓旋噴樁加固路基的設計參數(shù)取值方法得到如下結論:

1)斜向高壓旋噴樁加固深度根據(jù)軟弱地層的深度及列車荷載影響的深度共同確定，該路段加固深度確定為路基以下8 m。

2)通過內(nèi)、外側樁不同傾角多種組合的數(shù)值模擬，確定出旋噴樁的最優(yōu)傾角為內(nèi)、外側樁與豎向夾角分別為50°，30°。

3)通過復合地基不同體積置換率對原路基承載力的提高程度來確定合理的樁徑、排距，分別為樁徑0.8 m、排距1.2～1.5 m，并提出18%～25%的體積置換率作為斜向旋噴樁加固路基的合理置換率區(qū)間。

斜向高壓旋噴樁施工完成后，通過路基運行情況來看，加固后的路基基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，路基下沉得到了有效的控制，說明采用斜向高壓旋噴樁治理既有線路基下沉病害是可行的、有效的。

［1］陳立濤．重載鐵路路橋過渡段斜向旋噴樁加強效果研究［D］．北京:北京交通大學，2010．

［2］王定舉．用斜向單管高壓旋噴樁整治朔黃鐵路路基病害［J］．鐵道建筑，2006(9):55-57．

［3］宋緒國，王鑄．斜向水泥土樁加固路基計算方法探討［J］．鐵道工程學報，2013(8):40-44．

［4］靳永良．高壓旋噴樁在處理鐵路既有線路基中的應用［J］．科技創(chuàng)新導報，2013(2):98-98．

［5］陳彥欣．高壓旋噴樁在道路軟基處理中的應用［J］．交通標準化，2014，42(8):12-14．

［6］左光榮．高壓旋噴樁在加固既有建筑物地基中的設計應用［J］．四川建材，2014，40(2):118-121．

［7］趙朝陽．高壓旋噴樁在運營線路基加固工程中的應用［J］．石家莊鐵道大學學報(自然科學版)，2013，26(5):204-209．

［8］靳云海．談高壓旋噴樁處理路基沉陷原理及施工工藝［J］．山西建筑，2014，40(8):162-163．

［9］宏規(guī)，冷伍明，周順華，等．朔黃重載鐵路路基斜向高壓旋噴樁加固效果［J］．同濟大學學報(自然科學版)，2013，12 (12):1818-1823．

Values of Design Parameters of Existing Railway Subgrade Reinforced by Oblique Jet High Pressure Grouting Piles

CHEN Xuexi1，WU Yuzhe1，YANG Haotian2，ZHANG Hongli2，LI Yuanbiao2
(1．Zhongwei Permanent Way Department，Lanzhou Railway Bureau，Zhongwei Ningxia 755000，China; 2．Northwest Research Institute Limited Company of CREC，Lanzhou Gansu 730000，China)

According to the subgrade settlement disease treatment engineering for K329+950—K330+450 of Baoji－Zhongwei railway，the design method was explored for the existing railway subgrade settlement treatment with the oblique jet high pressure grouting piles．T he parameters such as pile layout，spacing，reinforcement depth，pile optimum angle，and replacement ratio were studied．T he results show that the reinforcement depth is determined by the depth of soft ground and the effect of train load for about 8 m．T hrough the numerical simulation results of lateral piles with different angles，the optimum angle of jet grouting piles are 50°，30°．According to the improvement of different volumetric replacement rate for the subgrade bearing capacity，the appropriate diameter of pile is 80 cm，the row spacing of piles is 1.2～1.5 m，and 18%～25%is the reasonable volumetric replacement rate using for the oblique jet grounting piles．

Railway subgrade;Oblique jet grouting pile;Subgrade reinforcement;Volumetric replacement rate

TU472.3+6;U213.1+5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．17

1003-1995(2016)12-0060-05

(責任審編周彥彥)

2016-05-25;

2016-08-17

中鐵科學研究院有限公司科研項目(2016-KJ001-Z001-03)

陳學喜(1972—)，男，高級工程師。