高速鐵路路基濕陷性黃土地基處理技術(shù)研究

趙玉生

（中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西西安 710016）

0 引言

濕陷性黃土是高速鐵路建設(shè)中常見(jiàn)的特殊巖土類(lèi)型，以我國(guó)西北地區(qū)居多，按照嚴(yán)重程度的不同，濕陷程度分為Ⅰ級(jí)至Ⅳ級(jí)。在濕陷性黃土地基上進(jìn)行高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)，需要考慮濕陷性黃土穩(wěn)定性不足的特性，采取行之有效的處理措施，提升地基的穩(wěn)定性。因此，深入探討濕陷性黃土地基處理技術(shù)具有必要性，明確技術(shù)應(yīng)用方法，掌握技術(shù)要點(diǎn)，妥善處理濕陷性黃土地基。

1 工程概況

中衛(wèi)至蘭州鐵路建設(shè)于甘肅省、寧夏回族自治區(qū)，線(xiàn)路通過(guò)地區(qū)為多風(fēng)沙、干燥少雨的中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)。其中，中蘭客專(zhuān)3 標(biāo)全長(zhǎng)33.31km，路基段17.61km，位于黃河河谷階地，以第四系全新統(tǒng)沖洪積、風(fēng)洪積砂質(zhì)黃土、上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖洪積砂質(zhì)黃土居多，土層厚度8～35m，空隙多、較疏松，含大量Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土，需在有砟軌道鋪設(shè)前妥善處理場(chǎng)地內(nèi)的濕陷性黃土，提升路基的平整性和穩(wěn)定性。

2 濕陷性黃土地基特性

受土的自重壓力及附加壓力的作用以及水的浸泡，濕陷性黃土將于短時(shí)間內(nèi)快速沉降，即表現(xiàn)出濕陷性。各地區(qū)黃土的形成條件不盡相同，濕陷性程度有所差異，可通過(guò)濕陷等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體如表1 所示。

表1 濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)

黃土開(kāi)始濕陷時(shí)的壓力為初始濕陷壓力，若濕陷性黃土所受的實(shí)際壓力低于該值，黃土無(wú)濕陷變形，但存在壓縮變形現(xiàn)象，反之土體具有濕陷性。濕陷變形與壓縮變形的發(fā)生機(jī)理有所不同。壓縮變形指的是因荷載作用而出現(xiàn)的變形現(xiàn)象，經(jīng)一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。濕陷變形的變形量可達(dá)到該值的幾倍乃至幾十倍，存在明顯的變形現(xiàn)象，且變形的發(fā)生較為急速。若遭水浸泡，通常1～3h 后將伴隨不同程度的塌陷，隨時(shí)間的延長(zhǎng)而表現(xiàn)得愈發(fā)明顯。例如，1～2d 后的變形量可達(dá)到20～30cm。對(duì)于多數(shù)濕陷性黃土地基，在施工期可結(jié)束絕大部分的壓縮變形，約3～6 個(gè)月后趨穩(wěn)[1]。

濕陷性黃土的濕陷變形涉及的指標(biāo)包含濕陷系數(shù)、濕陷時(shí)的初始含水量及壓力，其中重點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)為黃土的濕陷系數(shù)，其反映的是黃土對(duì)水的敏感性。若此項(xiàng)指標(biāo)增加，則黃土遭到浸泡后越容易產(chǎn)生濕陷性，進(jìn)而表現(xiàn)出失穩(wěn)下沉等問(wèn)題。若濕陷系數(shù)較低，黃土遭水浸泡時(shí)的穩(wěn)定性相對(duì)較好，濕陷性減弱。

濕陷系數(shù)δs 經(jīng)室內(nèi)壓縮儀測(cè)試后確定，計(jì)算方法如下：

式（1）中：h0為土樣原始高度，cm；hp、h'p分別為土樣受到壓力p、受到壓力p且浸水時(shí)對(duì)應(yīng)的下沉穩(wěn)定后的高度，cm；e0為土樣原始孔隙比；ep、e'p分別為土樣受到壓力p時(shí)、受到壓力p且浸水時(shí)對(duì)應(yīng)的下沉穩(wěn)定后的孔隙比，cm。

濕陷性黃土受到局部荷載作用后，將產(chǎn)生豎向變形和水平位移。究其原因，黃土對(duì)水較為敏感，受到水浸泡的影響后，土體的穩(wěn)定性下降，側(cè)向約束減弱，抗剪強(qiáng)度降低。在濕陷性狀態(tài)時(shí)，地基土的側(cè)向擠壓作用增強(qiáng)，受此影響，濕陷量增加。對(duì)于自重濕陷性黃土，其受到的影響因素包含自重壓力和水浸泡，在兩項(xiàng)因素的共同作用下，濕陷性變形區(qū)各水平面無(wú)壓力差。由于平面內(nèi)的壓力相對(duì)均衡，未出現(xiàn)側(cè)向擠壓。但需注意的是，若此類(lèi)黃土遭到外界荷載作用，將受外力的影響而在附加應(yīng)力范圍內(nèi)出現(xiàn)側(cè)向擠壓。通常，在基礎(chǔ)周邊的垂直截面處存在最大水平位移問(wèn)題，且主要發(fā)生在基礎(chǔ)寬度的1.0～1.5 倍范圍內(nèi)。同時(shí)，側(cè)向擠壓的水平范圍和影響深度還將由于基底面積增加或基底壓力作用增強(qiáng)而擴(kuò)大[2]。

3 濕陷性黃土地基處理難點(diǎn)

其一，濕陷性黃土的土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，力學(xué)性能弱，存在嚴(yán)重的濕陷和壓縮問(wèn)題，處理難度高。其二，黃土臺(tái)頂與沖積溝壑交織，高速鐵路路基修建在臺(tái)頂與溝壑底部時(shí)，由于兩部分高差較大而導(dǎo)致路基填挖方高度大，難以有效控制路基的差異沉降，同時(shí)由于施工現(xiàn)場(chǎng)濕陷性黃土力學(xué)性質(zhì)的特殊性，不利于工后沉降控制。其三，路基由于下層黃土遇水濕陷沉降變形而遭到破壞，路基的完整性不足，穩(wěn)定性降低，因此阻隔水是處理濕陷性黃土地基的重點(diǎn)內(nèi)容。除了妥善處理路基范圍內(nèi)的基礎(chǔ)外，還需考慮濕陷性黃土周邊影響范圍，避免地表水侵入[3]。

4 濕陷性黃土地基處理技術(shù)的應(yīng)用

該工程濕陷性黃土地基處理方案為：設(shè)樁徑0.4m、樁長(zhǎng)8m 的水泥土擠密樁，平面統(tǒng)一呈正三角形布置，樁間距為1.0m；樁頂設(shè)6%水泥改良土墊層，厚度0.5m；墊層中增設(shè)TGDG120 土工格柵；用三七灰土封閉兩側(cè)路堤坡腳外2m 的范圍，厚度0.5m。

4.1 水泥土擠密樁施工工藝流程及作業(yè)內(nèi)容

水泥土擠密樁施工工藝流程，如圖1 所示。

圖1 水泥土擠密樁施工工藝流程圖

4.1.1 清理地表，平整施工場(chǎng)地，清理地面的草皮、樹(shù)根、塊石各類(lèi)不利于施工的雜物；修筑排水坡，配套排水設(shè)施，避免場(chǎng)地積水。

4.1.2 配置施工機(jī)具，配置2 臺(tái)沉樁機(jī)和2 臺(tái)夾桿錘填料夯實(shí)。進(jìn)場(chǎng)時(shí)，檢驗(yàn)各類(lèi)機(jī)具的性能。沉樁間距較近，可能由于沉樁擾動(dòng)作用而塌孔，因此采用跳樁的施工方法。

4.1.3 控制含水率，以最佳含水率為參照基準(zhǔn)，靈活控制地基處理施工范圍內(nèi)地基土的含水率，減小兩者的差異。土的實(shí)際含水率＜12%時(shí)，在地基處理前4～6d 增濕土層，合理布置滲水孔，灑適量的水，使水經(jīng)由滲水孔滲入土層，將土層的實(shí)際含水率提高至合理范圍。

4.1.4 樁機(jī)就位

調(diào)平擴(kuò)樁機(jī)架，沉管尖對(duì)準(zhǔn)樁位，用線(xiàn)錘吊線(xiàn)檢查樁管的垂直度，經(jīng)過(guò)調(diào)整后使垂直度偏差不超過(guò)1.5%。

4.1.5 成孔

準(zhǔn)備與樁孔同直徑的鋼管，用沉樁機(jī)將鋼管打入土中拔管成孔。樁管下端設(shè)置為60°的錐形活動(dòng)樁尖，樁管頂設(shè)樁帽，在樁架上設(shè)置標(biāo)記作為鋼管打設(shè)深度的控制基準(zhǔn)。拔管前停頓約10s，再平緩拔管。成孔后，清理孔底沉渣，夯實(shí)孔底5 次或更多，再檢測(cè)孔位、孔徑、孔深及孔垂直度，若無(wú)誤則安排下一道工序，或用蓋板臨時(shí)遮蓋孔口，以免混入雜物。

4.1.6 填料的拌制和運(yùn)輸

根據(jù)配合比精準(zhǔn)稱(chēng)量原材料，用強(qiáng)制性攪拌機(jī)拌制水泥土，要求材料用量合理、混合料均勻。水泥土隨拌隨用，拌制后超過(guò)6h 未投入使用，遭雨淋或受到其他污染時(shí)，均視為廢料處理。在降雨天氣，雨水混入水泥土，影響含水率，因此禁止在降雨天氣拌制水泥土。

4.1.7 回填夯實(shí)

分層回填孔內(nèi)的水泥土，用量斗定量向樁孔內(nèi)下料，用加桿錘將回填土夯擊平整、密實(shí)。逐層施工后，最終回填土應(yīng)在樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上0.5m 或更高的位置。根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果，確定回填夯實(shí)的回填量、錘重、落距、夯擊次數(shù)等參數(shù)，每次夯填前測(cè)量孔徑和孔深，以便根據(jù)夯填前后的檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷回填夯實(shí)的效果。

4.1.8 移位

施工機(jī)具移位，按照前述的流程完成下一樁孔的回填作業(yè)，以此類(lèi)推。

4.1.9 樁頂處理

樁施工后，挖除樁間土松動(dòng)層，清理上部0.5m 的樁頭，鋪設(shè)厚度為0.5m 的6%水泥改良土墊層，墊層內(nèi)增設(shè)一層土工格柵。

4.2 水泥土擠密樁施工要點(diǎn)

4.2.1 準(zhǔn)備土和石灰。每日施工前測(cè)量原材料的含水量并調(diào)控，盡可能使拌和水泥土的實(shí)際含水量與最佳含水量保持一致。

4.2.2 樁機(jī)就位。調(diào)整樁機(jī)姿態(tài)，使機(jī)身平整、穩(wěn)定，樁管或沖錘對(duì)準(zhǔn)樁孔；用壁厚超過(guò)10mm 的無(wú)縫鋼管制作導(dǎo)向器，高度約為沖錘長(zhǎng)度的2 倍，內(nèi)徑略大于錘頭直徑，將其安裝至鉆機(jī)上；在沖擊鉆鋼絲繩和樁管處設(shè)置尺度標(biāo)志，間距統(tǒng)一控制在0.5m。

4.2.3 水泥土擠密樁施工時(shí)，需注意如下作業(yè)細(xì)節(jié)。

（1）全面清理場(chǎng)地雜物，整平場(chǎng)地。再根據(jù)設(shè)計(jì)樁位圖測(cè)放孔位，安排復(fù)核，控制偏差。

（2）沉管機(jī)就位。調(diào)平擴(kuò)樁機(jī)架，沉管尖對(duì)準(zhǔn)樁位，用線(xiàn)錘吊線(xiàn)檢測(cè)樁管的垂直度。

（3）成孔深度范圍內(nèi)的土質(zhì)較硬且均勻時(shí)，一次成孔到位即可；局部加載軟弱層時(shí)，可能由于地層的特殊性而導(dǎo)致柴油錘點(diǎn)火裝置熄火，需由人工輔助點(diǎn)火，再完成剩余深度的鉆進(jìn)。

（4）地基含水量較高時(shí)，可能在樁管拔出后發(fā)生縮孔，影響孔徑和孔深，因此需修整孔洞?？咨畈蛔銜r(shí)，采取超深成孔的處理方法。

（5）經(jīng)過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)后，確定水泥土填料的最大干密度和最佳含水量，按照此要求選用水泥土填料。所有土和消解的石灰粉需過(guò)篩，通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)后按照水泥土體積比為2∶8 的要求拌制，其間適量加水拌和。拌和后的水泥土應(yīng)盡快投入使用，且填前再次拌和。

（6）經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)孔位、孔徑、孔深各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)后，盡快夯填水泥土，尤其需要盡快夯填可能發(fā)生縮頸、坍孔的樁孔。樁孔填土的夯實(shí)設(shè)備采用夯實(shí)機(jī)，安排設(shè)備準(zhǔn)確就位，調(diào)整夯錘使其對(duì)準(zhǔn)樁孔，提升夯錘至指定高度后自由下落。夯填前，全面清理堆積在孔內(nèi)的雜物和積水，先向孔底填入干硬性混凝土，待夯實(shí)至發(fā)出清脆響聲時(shí)停止，再分為多層依次填筑水泥土并夯實(shí)。

4.3 施工注意事項(xiàng)

4.3.1 樁體施工前，必須全面清理場(chǎng)地的樹(shù)根、雜草等障礙物，整平施工場(chǎng)地。按照設(shè)計(jì)圖紙要求在指定位置測(cè)放樁位，經(jīng)復(fù)核確認(rèn)樁位無(wú)誤后，打設(shè)木樁或用白灰定位。

4.3.2 水泥土擠密樁的樁位平面按正三角形布置，填料擠密孔直徑為0.4m，采用錘擊、振動(dòng)沉管成孔。樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上預(yù)留厚度為0.5～0.7m 的覆蓋層，保證樁頂?shù)氖┕べ|(zhì)量。

4.3.3 樁身施工采用水泥土混合料，水泥選用質(zhì)量合格、無(wú)受潮結(jié)塊以及其他問(wèn)題的P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；填料水泥的摻入量為10%（重量比）；土料中不含膨脹土或凍土，有機(jī)質(zhì)含量不超過(guò)5%，使用前過(guò)10～20mm 篩，剔除超粒徑材料；混合料實(shí)測(cè)含水量與最佳含水量的偏差不可超過(guò)±2%。

4.3.4 樁孔的夯填作業(yè)采取機(jī)械夯實(shí)的方法，夯錘直徑為0.3m，分為多段有序夯填。夯填前，組織工藝性試驗(yàn)，確定填料厚度、落距等參數(shù)。夯填時(shí)，嚴(yán)格按照工藝性試驗(yàn)確定的參數(shù)施工。

4.3.5 地基土的含水量低于12%時(shí)，增濕處理，盡可能使實(shí)際含水量接近最佳含水量。地基加固沿路線(xiàn)方向進(jìn)行，分段依次加固。間隔分批進(jìn)行成孔擠密施工，首先施工中間部位，再向外間隔1～2 孔依次進(jìn)行。確認(rèn)成孔質(zhì)量達(dá)標(biāo)后，隨即夯填改良土，避免雨水滲入孔內(nèi)而導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)坍塌。

4.3.6 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定墊層分層鋪填厚度、壓實(shí)遍數(shù)等參數(shù)，再?lài)?yán)格依據(jù)試驗(yàn)確定的工藝方案進(jìn)行施工。在該工程中，墊層的分層鋪填厚度為200～300mm，盡可能使各層的厚度保持一致；壓實(shí)系數(shù)不低于0.95，經(jīng)過(guò)壓實(shí)后的墊層應(yīng)平整、密實(shí)。在墊層各層的施工中，均嚴(yán)格控制機(jī)械的碾壓速度，不遺漏、不過(guò)度碾壓。每結(jié)束一層施工后，均安排質(zhì)量檢驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)誤方可施工下一層，以此類(lèi)推。

4.3.7 成孔打樁擠密后，要求樁間土的平均擠密系數(shù)不低于0.93，樁體的平均壓實(shí)系數(shù)不低于0.97，樁間黃土自重濕陷系數(shù)小于0.015。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高速鐵路建設(shè)中，常遇到濕陷性黃土地基。此類(lèi)地基具有濕陷性、壓縮變形的特性，必須以科學(xué)的施工技術(shù)，消除地基的濕陷性和壓縮變形，保證地基的穩(wěn)定性，為高速鐵路有砟軌道的鋪設(shè)打好基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)分析后，提出復(fù)合地基+濕陷性黃土地基處理方案，并探討該方案在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用要點(diǎn)以及施工注意事項(xiàng)，以供參考。