擠密碎石樁在鐵路軟土路基處理中的應用

張益昆

上海寶冶集團有限公司 上海 200941

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市基本建設需求，沿海地區(qū)對土地資源要求日益迫切，吹砂造地已成為沿海地區(qū)解決土地供應緊張的有效途徑。

圍海造地的吹填土由海邊的海砂通過吹泥船吹填而成。吹填土一般具有容重小、孔隙比大、含水量高的特點，工程性質(zhì)不均勻、強度低、壓縮性高、沉降量大、靈敏性高、滲透系數(shù)大、易液化。這種松軟地基若不進行處理，則無法滿足工程要求。

作為一項軟土地基處理技術，碎石樁復合地基以其機具簡單、操作方便、施工質(zhì)量易控制、工程成本經(jīng)濟等優(yōu)點，廣泛應用于軟土地基，特別適用于公路鐵路路基及堆場地基等對地基承載力有一定要求，地基允許有一定沉降量的地基處理工程[1-2]。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

臺塑河靜鋼廠位于越南河靜省齊英縣，廠區(qū)的工程用地主要采用海砂吹填而成。土層自上而下為①0-2吹填砂、①0-2t灰色低液限黏土、①1灰褐色低液限黏土、②深灰色低液限黏土層。這些土層均存在埋深淺、工程地質(zhì)條件較差等問題。

河靜鋼廠全場鐵路系統(tǒng)分為維修區(qū)及鐵水區(qū)2個設計單元，維修區(qū)及鐵水區(qū)表層的①0-2吹填砂外觀差異較大。鐵水區(qū)（高爐及煉鋼區(qū)域）靠近吹砂管道出口，土質(zhì)以灰黃色中細砂為主，局部為粗砂，混較多貝殼碎片和少量礫石、卵石，砂質(zhì)較純，顆粒不均勻（圖1）。

圖1 高爐區(qū)地質(zhì)剖面示意

維修區(qū)遠離出砂口，①0-2吹填砂土質(zhì)以灰色粉細砂為主，易液化。吹填區(qū)域內(nèi)零星分布有黑色淤泥（圖2）。

圖2 維修區(qū)地質(zhì)剖面示意

1.2 第1次地基處理設計

河靜鋼廠全場鐵路系統(tǒng)吹填完畢后，因為新吹填地基土較軟弱，對鐵水區(qū)及維修區(qū)吹填土進行第1次地基處理以便施工機械進出場作業(yè)。因吹填砂的性質(zhì)不一，鐵水區(qū)第1次地基處理采用塑料排水板＋真空預壓地基處理工藝，維修區(qū)第1次地基處理采用堆載＋真空降水強夯，真空降水強夯及強夯3種地基處理工藝，經(jīng)處理的地基主要指標為：地基承載力≥150 kPa，淤泥層不排水固結抗剪強度≥25 MPa，投入使用后20 a的沉降量≤20 cm。

1.3 全廠鐵路系統(tǒng)地基處理設計

根據(jù)GB 50012ü 2012《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設計規(guī)范》的規(guī)定，鐵路基床下天然地基承載力不應小于0.12 MPa（120 kPa），Ⅲ級鐵路工后沉降量不應大于30 cm（河靜鋼廠鐵路系統(tǒng)屬于Ⅲ級鐵路）。

雖然第1次地基處理時的地基承載力≥150 kPa，符合鐵路設計規(guī)范的規(guī)定，但河靜鋼廠鐵路軸重大（350 t魚雷罐車軸重為43 t），第1次地基處理時設計未將鐵路運行載荷計算在內(nèi)。根據(jù)荷載計算，投入運營后魚雷罐車滿載運行區(qū)間的鐵路沉降量約為50 cm，不符合設計規(guī)范的規(guī)定，必須進行第2次地基處理。

2 地基處理方案分析

軟土地基處理方法有換填墊層法、預壓法、碾壓及夯實法、振沖法、砂石樁法、CFG樁法、水泥攪拌樁法等。根據(jù)河靜鋼廠的地質(zhì)情況及第1次地基處理設計情況（地基承載力已符合要求），鐵路路基地基處理的主要任務是減少工后沉降，處理的主要土層是①0-2吹填砂及②深灰色低液限黏土層。

2.1 淺層地基處理

換填墊層法適用于淺層不良地基的處理，全場鐵路系統(tǒng)設計時，根據(jù)《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設計規(guī)范》的規(guī)定，將路基范圍內(nèi)1.5 m的不良地基采用換填處理（基床底層采用厚900 mm、粒徑≤150 mm的塊石換填；基床表層采用厚600 mm的A類填筑材料），解決了路基的整體穩(wěn)定性問題，但無法解決路基工后沉降量過大的問題（圖3）。

圖3 河靜鋼廠鐵路標準斷面

2.2 深層地基處理

預壓法、強夯法、砂石樁法、CFG樁法、水泥攪拌樁法等地基處理方法均可對軟土地基進行深層加固。

預壓法處理效果好，但堆載材料運輸量大，造價偏高，施工周期長，不適用于本工程的地基處理。

強夯法處理砂土有良好的效果，但對地基土的含水量控制要求較高，對飽和黏土的加固效果不理想。根據(jù)第1次地基處理的效果來看，維修區(qū)吹填粉細砂淤泥含量偏高的區(qū)域采用強夯處理的效果是不理想的。

CFG樁、攪拌樁、旋噴樁等地基處理方法對軟土地基加固有良好的效果，施工工藝成熟，施工質(zhì)量容易保證，對工后沉降控制也較理想，但相對于碎石樁來說其缺點是造價偏高，復合地基后期強度基本無變化。

對比上述地基處理方案，振動沉管碎石樁具有施工工藝簡單，施工質(zhì)量容易保證，對軟土地基加固效果好，工程造價低，樁間土可通過樁體排水固結，復合地基的后期強度有一定的增加；其缺點是工后的沉降量較CFG樁、攪拌樁、旋噴樁等復合地基偏大。但對于鐵路及市政道路路基等允許有一定工后沉降的工程來說，碎石樁是一個比較合理的地基處理方案。

3 碎石樁復合地基工程特性及作用

碎石樁是以碎石（礫石、砂礫等）為主要材料制成的復合地基。碎石樁是一種柔性樁體，當碎石樁頂部受到荷載作用時，樁體側向變形，而周圍土體會限制碎石樁的側向變形，從而與周圍土體共同作用，達到改善軟弱地基土的目的。同時，碎石樁的透水性好，可以作為軟弱地基土的豎向排水通道，加速突然的固結。碎石樁復合地基相對天然軟土地基具有承載力高、抗剪性能好、地基排水固結效果好、沉降量明顯減小的特點。

4 廠區(qū)鐵路路基處理設計方案

4.1 路基下碎石樁整體設計方案

河靜鋼廠鐵路根據(jù)地勘及第1次地基處理的情況，將路基分為2個部分采取不同的設計方案。空載區(qū)（線路不運行裝載鐵水的魚雷罐車，主要集中在維修區(qū)）進行基槽檢測后，直接進行路基換填。重載區(qū)（線路運行裝載鐵水的魚雷罐車）采用砂石樁處理。砂石樁直徑為0.6 m，采用正方形布置，樁間距1.8 mh 1.8 m，置換率為8.7%。

設計碎石樁樁長隨①0-2吹填砂層及②深灰色低液限黏土層的厚度變化，碎石樁樁尖進入②深灰色低液限黏土層。設計方案出于經(jīng)濟性考慮，在滿足規(guī)范沉降量要求（≤30 cm）的前提下，碎石樁樁身長度未穿透②深灰色低液限黏土層。

鐵水區(qū)（1區(qū)ü 7區(qū)）靠近海邊，②深灰色低液限黏土層相對較厚，碎石樁設計樁長為5.5～8.0 m；維修區(qū)及聯(lián)絡線（8區(qū)及9區(qū)）靠近原有農(nóng)田，①0-2吹填砂層及②深灰色低液限黏土層的厚度相對較薄，碎石樁樁長為4.0～5.0 m。

4.2 曲線部位的樁位布置優(yōu)化

碎石樁一般按照正方形或三角形布置，但在鐵路及道路路基樁位布置中，曲線部位若按照正方形布置，會影響碎石樁的施工效率。因為碎石樁常用的走管式樁機沿鋼管架方向移動方便，前后移動困難。一般每次沿直線方向打樁30～50根后再施工下一排樁。曲線部位按照常規(guī)正方形布置后，每次施工10根碎石樁后就必須前后移動樁機位置，影響施工效率（圖4）。

圖4 原設計曲線部位樁位圖（正方形布置）

根據(jù)走管式樁機的工作特點，將曲線部位的樁位布置優(yōu)化為沿道路中心線扇形布置，在確保碎石樁總數(shù)及置換率不變的情況下可提升碎石樁的施工效率（圖5）。

圖5 優(yōu)化后的曲線部位樁位圖（沿路基中心線扇形布置）

5 碎石樁施工

5.1 施工機具設備及材料要求

施工機具采用走管式樁架，每個錘頭單機功率為45 kW的雙錘頭（合計90 kW）。沉管壁厚為8 mm的無縫鋼管，管徑為600 mm，樁靴采用帶活門的平頭樁靴。

碎石采用30～70 mm的碎石，砂采用吹填的海砂，含泥量均小于5%，砂石比例為3∶7。

5.2 施工程序

場地清理→測量定位→樁機就位→振動沉管至設計深度→加砂石料→加壓拔管→下壓反插至設計樁頂標高

5.3 施工質(zhì)量控制

1）為防止淤泥自樁靴活門進入管內(nèi)，在樁尖進入地面下1.0 m后，在樁管內(nèi)投入1～2斗碎石，再振動沉管至設計標高。

2）受到淤泥的擠壓作用，位于深層淤泥中的樁靴活門打開較為困難，此時，可以利用氣泵加壓，沖開樁靴端部的活門，確保砂石料下料順利。碎石樁自樁底標高提升1.0 m后，應反插至設計樁底標高，以確保碎石樁底部的成樁質(zhì)量。提管時，灌注石料的高度不小于管長的1/3。

3）淤泥區(qū)碎石樁受地質(zhì)條件影響大，必須嚴格控制拔管速度，一般控制在0.5～1.0 m/min。同時每提升1.0 m，留振10～20 s，向下反插深度不小于30 cm。必要時采取短停拔（0.5 m/min）、長留振的施工方法。

4）級配良好的碎石對提高碎石樁樁身質(zhì)量，提高重型動力觸探的擊數(shù)是有利的。但一般碎石樁采用的基本是單粒級級配，碎石的孔隙率較大。采用砂石樁可降低碎石的孔隙率，提高碎石樁樁身的密實度。但應嚴格控制砂石的比例。河靜鋼廠全場鐵路碎石樁設計砂石比例為3∶7（體積比），在前期施工過程中，由于當?shù)囟嘤?，地下水位高，砂石料拌和后的含水量偏高，砂石料在下料的過程中易附著在管壁上難以下料，往往要借助氣泵壓力才能順利下料。試驗段結束后，在征得設計同意后，逐步降低了砂石比例，將砂石比例控制在15%～20%，消除了砂石料黏結附著在管壁上的現(xiàn)象。

5）帶活門的平樁靴反插時活門自動封閉，在振動的同時樁機的質(zhì)量壓在碎石樁上，活瓣樁尖反插時，活瓣不能自動封閉，碎石只能靠振動密實，因此帶活門的樁尖密實效果比活瓣樁靴效果好。但平樁靴穿透力不如活瓣樁靴（樁尖錐形角度為60e ），施工中應根據(jù)土質(zhì)情況選擇適合的樁尖。同時，可對帶活門的平樁靴進行改良，增加樁靴的穿透力（圖6）。

圖6 改良后的帶活門的平樁靴

6 質(zhì)量檢測

6.1 碎石樁檢測標準

1）碎石樁樁身密實度：采用重型動力觸探檢測，貫入量每100 mm時的擊數(shù)不小于5擊，檢測頻率為樁總數(shù)的0.2%，共36根樁。

2）復合地基承載力：采用1.8 mh 1.8 m的單樁復合地基載荷試驗，復合地基承載力特征值不小于150 kPa，檢測頻率為樁身總數(shù)的0.1%，共18個點。

6.2 檢測結果

河靜鋼廠全場鐵路路基地基處理碎石樁按照設計要求進行了檢測，樁身密實重型動力觸探度共檢測了41個點（含5根試樁），復合地基載荷試驗共檢測了23個點（含5根試樁），采用2.0 mh 2.0 m平板檢測，最大加荷量為2倍設計荷載（300 kPa）。檢測結果如下：

1）重型動力觸探。重型動力觸探結果顯示：碎石樁重型動力觸探貫入量每100 mm時擊數(shù)不小于5擊。

2）平板載荷試驗。平板載荷試驗結果顯示：復合地基平板載荷試驗的加載量（2倍設計荷載為300 kPa）未達到地基土破壞狀態(tài)，綜合判定吹填砂層承載力不小于設計要求的150 kPa。

7 結語

1）根據(jù)復合地基平板載荷試驗檢測結果，河靜鋼廠全場鐵路采用碎石樁處理吹填土地基達到了設計預期的結果，地基承載力達到了150 kPa以上。特別是對比第1次地基處理及第2次地基處理的結果，碎石樁明顯比強夯更適用于處理高含水量的吹填土地基。

2）根據(jù)重型動力觸探對碎石樁樁身的檢測結果，本工程采用的碎石樁成樁工藝能夠保證碎石樁的施工質(zhì)量。

3）根據(jù)鐵水區(qū)重型動力觸探對碎石樁樁身的檢測結果及相應的地勘報告分析，吹填砂土層中碎石樁的重型動力觸探平均擊數(shù)超過了30擊，而飽和黏性土中碎石樁的重型動力觸探平均擊數(shù)只有10擊左右，說明碎石樁對吹填砂土中的成樁質(zhì)量明顯強于碎石樁在飽和黏性土中的成樁質(zhì)量，碎石樁對吹填砂的加固效果也更好。

4）對比維修區(qū)地質(zhì)情況以及碎石樁動力觸探及復合地基載荷試驗的結果來看，吹填土中砂的粒徑以及含泥量對碎石樁成樁效果及加固效果的影響是明顯的。維修區(qū)范圍的吹填土中淤泥含量高、砂粒細，樁身重型動力觸探的擊數(shù)大部分在8～10擊，而鐵水區(qū)范圍吹填土砂粒粗、淤泥含量低，樁身重型動力觸探擊數(shù)平均超過了30擊，差距非常明顯。

5）根據(jù)復合地基平板載荷試驗，雖然地基承載力都達到了150 kPa，但與鐵水區(qū)相比，維修區(qū)的平板載荷試驗沉降量偏大，地基的變形模量偏小，說明吹填土中淤泥含量增加對碎石樁加固效果的影響明顯，淤泥含量越高，碎石樁加固效果越差，工后的沉降量也會增加。