重載鐵路濕陷性黃土路基工程施工技術(shù)探討

鄭衛(wèi)東

(北京鐵研建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 102628)

1 工程概況

某重載鐵路工程呈南北走向，經(jīng)地質(zhì)勘查報(bào)告顯示，沿線地貌多為山間河谷區(qū)、低中山區(qū)及山前洪風(fēng)積黃土高原區(qū)等。全線分布最廣的地層為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土 (Q3eol+pl3)，在山前緩坡、階地及山頂處最多，具有Ⅱ～Ⅲ級(jí)自重濕陷性黃土特點(diǎn)，對(duì)于本工程具有較大影響。

根據(jù)勘查可知，DK107+500～DK107+722段為濕陷性黃土路基集中段，且位于重載鐵路路橋過(guò)渡段，12.1 m為路基面寬度，8.0 m為路基填高平均值。主要參數(shù)如表1所示。

表1 重載鐵路工程具體參數(shù)

2 灰土擠密樁地基加固機(jī)理

黃土主要特點(diǎn)為濕陷性，浸水后，濕陷性黃土土體強(qiáng)度快速下降，在外部荷載影響下，出現(xiàn)沉降變形現(xiàn)象。作為一種特殊的塑性變形，黃土濕陷變形的特點(diǎn)為突發(fā)性、間接性，且不可逆，因此，將重載鐵路建設(shè)于黃土區(qū)的施工難度較大。

灰土擠密樁是指利用專門機(jī)具成孔，在桿狀尖錘高壓動(dòng)能作用下，沖擊夯擴(kuò)孔內(nèi)填料，達(dá)到原土結(jié)構(gòu)破壞的目的，促使填料向孔底及周圍擠壓，以此形成復(fù)合地基，提升地基承載力和穩(wěn)定性。在濕陷性黃土、雜填土、非飽和黏性土等土層內(nèi)具有廣泛適用性。相比其他地基加固方法，灰土擠密樁的優(yōu)勢(shì)集中于以下幾點(diǎn)。

1)上部荷載可由樁與樁間土體共同擔(dān)負(fù)，能夠合理利用原地基土，并形成復(fù)合地基，提高地基承載力，降低沉降量。

2)操作簡(jiǎn)單，施工便捷，能夠有效降低施工成本。

3)在大厚度濕陷性黃土中應(yīng)用效果良好，5～15 m為處理深度范圍。

3 灰土擠密樁施工要點(diǎn)

為保證灰土擠密樁施工效果，決定選取DK107+500～DK107+722段內(nèi)DK107+500處進(jìn)行施工，經(jīng)地質(zhì)勘查結(jié)果表明，本試驗(yàn)區(qū)處于黃土緩坡地帶，沿線具有較為平坦的地勢(shì)，0.031～0.041為本試驗(yàn)區(qū)濕陷性系數(shù)，10～14 m為濕陷土層厚度。

在本次施工中，采用石灰、黃土為灰土樁材料，石灰：黃土=2:8，石灰內(nèi)有效氧化鈣、氧化鎂含量應(yīng)控制在60%以上，含水率則控制在2%以內(nèi)。黃土過(guò)篩，合理控制含水率。灰土擠密樁復(fù)合地基的具體情況如表2所示。

表2 灰土擠密樁復(fù)合地基具體情況

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定，須合理控制灰土擠密樁復(fù)合地基承載力，保證在150 kPa以上控制復(fù)合地基承載力特征值，灰土樁樁體壓實(shí)系數(shù)和樁間土擠密系數(shù)分別控制在0.97、0.90以上。

4 灰土擠密樁施工試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證灰土擠密樁復(fù)合地基施工質(zhì)量，可通過(guò)平板靜載荷載試驗(yàn)、鉆芯法、室內(nèi)土工試驗(yàn)等獲取地基承載力、平均擠密系數(shù)、濕陷性系數(shù)等指標(biāo)。

4.1 平板載荷試驗(yàn)

作為一種常用的地基承載力原位測(cè)試方法，平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。采用承壓板作為圓形鋼板，0.945 m承壓板，0.701 m2為底面積，試驗(yàn)時(shí)，須采取不同位置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)點(diǎn)共6個(gè)，試驗(yàn)如下。

4.1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前，須將粗砂鋪設(shè)于地基凹凸不平處，從而保證承壓板和地基充分貼合整平。試驗(yàn)加載反力裝置為地錨鋼梁聯(lián)合反力系統(tǒng)，壓力測(cè)試以標(biāo)準(zhǔn)壓力表為準(zhǔn)，以承壓板為中心，按照正三角形進(jìn)行3個(gè)百分表布設(shè)，用于沉降值測(cè)量。

4.1.2 加載過(guò)程

加載分8級(jí)完成，400 kPa為最終加載值，50 kPa為各級(jí)加載量，相比承載力設(shè)計(jì)值，應(yīng)大于其2倍左右。待完成各級(jí)加載后，不同時(shí)間段讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)1 h內(nèi)沉降量在0.1 mm以內(nèi)，則說(shuō)明沉降已趨于穩(wěn)定，即可加載下一級(jí)。

4.1.3 卸載過(guò)程

卸載分4級(jí)完成，100 kPa為各級(jí)卸載量，每級(jí)卸載后，均應(yīng)進(jìn)行回彈量記錄，并在不同時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，待完全卸載后，仍須進(jìn)行3 h監(jiān)測(cè)，并做好回彈量記錄工作。

4.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)

采用鉆芯取樣法進(jìn)行灰土樁體、樁間土體檢測(cè)，并做室內(nèi)土工試驗(yàn)。主要對(duì)試樣濕密度、干密度進(jìn)行測(cè)定。具體計(jì)算公式如下：

ρ0=m0/v
ρd=ρ0/(1+W1)

其中，濕密度由ρ0表示；干密度由ρd表示；濕土總質(zhì)量由m0表示；環(huán)刀容積由v表示；試樣含水率可由W1表示。此次試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)以平行測(cè)定為準(zhǔn)，所得平行差值在0.03 g/cm3以下，取平均值。

4.3 灰土擠密樁復(fù)合地基試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 復(fù)合地基承載力分析

通過(guò)平板載荷試驗(yàn)，可獲取6個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行P-S曲線繪制。由此可見(jiàn)，6個(gè)測(cè)點(diǎn)所處地基變形形式全部為緩變形式，未見(jiàn)明顯比例極限，可根據(jù)相對(duì)變形量進(jìn)行復(fù)合地基承載力特征值檢測(cè)。據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，可取s/d=0.008時(shí)的荷載壓力值分析灰土擠密樁復(fù)合地基的承載力特征值。相比最大荷載，若壓力值大于該值，則承載力特征值取最大荷載1/2。在承壓板直徑為0.945 m、最大加載值400 kPa的條件下，不同測(cè)點(diǎn)所得結(jié)果如下。

1)測(cè)點(diǎn)1，s/d=0.008時(shí)的荷載壓力值為227 kPa，承載力特征值為200 kPa。

2)測(cè)點(diǎn)2，s/d=0.008時(shí)的荷載壓力值192 kPa，承載力特征值為192 kPa。

3)測(cè)點(diǎn)3，s/d=0.008時(shí)的荷載壓力值為197 kPa，承載力特征值為197 kPa。

4)測(cè)點(diǎn)4，s/d=0.008時(shí)的荷載壓力值為206 kPa，承載力特征值為200 kPa。

5)測(cè)點(diǎn)5，s/d=0.008時(shí)的荷載壓力值為188 kPa，承載力特征值為188 kPa。

6)測(cè)點(diǎn)6，s/d=0.008時(shí)的荷載壓力值為185 kPa，承載力特征值為185 kPa。

根據(jù)上述分析，6個(gè)測(cè)點(diǎn)的承載力特征值范圍為185～200 kPa，取平均值為193.7 kPa，與設(shè)計(jì)(150 kPa)要求相符。

4.3.2 復(fù)合地基綜合評(píng)價(jià)分析

為了解復(fù)合地基情況，本文采用鉆芯取樣、環(huán)刀法與室內(nèi)試驗(yàn)等檢測(cè)方法進(jìn)行分析，樁號(hào)選取A、B、C、D、E 5個(gè)樁體，并在深度1 m、3 m、5 m、7 m 4個(gè)不同深度下進(jìn)行壓實(shí)系數(shù)分析，最終獲取各個(gè)樁號(hào)的平均壓實(shí)系數(shù)。

1)樁號(hào)A，1 m深壓實(shí)系數(shù)為0.97，3 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，5 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，7 m深壓實(shí)系數(shù)為0.97，平均壓實(shí)系數(shù)為0.98。

2)樁號(hào)B，1 m深壓實(shí)系數(shù)為0.99，3 m深壓實(shí)系數(shù)為0.99，5 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，7 m深壓實(shí)系數(shù)為0.99，平均壓實(shí)系數(shù)為0.99。

3)樁號(hào)C，1 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，3 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，5 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，7 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，平均壓實(shí)系數(shù)為0.98。

4)樁號(hào)D，1 m深壓實(shí)系數(shù)為0.97，3 m深壓實(shí)系數(shù)為0.99，5 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，7 m深壓實(shí)系數(shù)為0.99，平均壓實(shí)系數(shù)為0.98。

5)樁號(hào)E，1 m深壓實(shí)系數(shù)為0.97，3 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，5 m深壓實(shí)系數(shù)為0.98，7 m深壓實(shí)系數(shù)為0.99，平均壓實(shí)系數(shù)為0.98。

由此可見(jiàn)，4個(gè)不同深度條件下，5處灰土樁的樁體壓實(shí)系數(shù)均在0.97以上，表明能夠符合復(fù)合地基設(shè)計(jì)規(guī)定。

為獲取擠密系數(shù)、濕陷系數(shù)等，同樣可在4個(gè)不同深度條件下取樣檢測(cè)，取3個(gè)樁中心進(jìn)行分析，所得結(jié)果如表3所示。

表3 灰土擠密樁復(fù)合地基樁間土試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

濕陷性黃土區(qū)路橋過(guò)渡段沉降的主要原因在于黃土地基沉降變形。重載鐵路建設(shè)需要有效處理天然黃土地基，在天然地基濕陷性消除后，才能保證地基承載力滿足規(guī)范要求，提高地基穩(wěn)定性，減小沉降變形。目前，常用的黃土地基處理方法包括重錘夯實(shí)、強(qiáng)夯法、灰土擠密樁等，其中灰土擠密樁復(fù)合地基可有效消除大厚度濕陷性黃土的濕陷性，在濕陷性黃土地基處理中得到了廣泛應(yīng)用。