西部黃土地區(qū)高速鐵路地基處理效果與沉降特性研究

摘" 要：以西部黃土地區(qū)某高速鐵路建設(shè)工程為基礎(chǔ)，結(jié)合工程所處地區(qū)的基本條件，對路基段落采用的沖擊碾壓、螺桿樁復(fù)合地基、CFG樁復(fù)合地基3種地基處理方式進(jìn)行分析；并對不同地段的地基進(jìn)行沉降觀測，選取典型斷面對其沉降規(guī)律進(jìn)行分析，對高速鐵路黃土路基中不同地基處理方法的適用性進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示，高速鐵路所處地區(qū)夏秋兩季雨量較大，降水和地表水可能滲入土體，使其承載力降低，不利于路基工后沉降控制；原沖擊碾壓處理區(qū)段土體含水量小、土層厚度不均、沖擊碾壓效果較差，宜采用強(qiáng)夯優(yōu)化處理；采用強(qiáng)夯、螺桿樁及CFG樁復(fù)合地基的處理方式，能夠滿足該高速鐵路不同區(qū)段黃土路基的沉降控制要求，可為今后西部黃土地區(qū)高速鐵路建設(shè)提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；黃土路基；強(qiáng)夯；螺桿樁；CFG樁；沉降特性

中圖分類號(hào)：U416.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）05-0094-05

Abstract： Based on a high-speed railway construction project in the western loess area and combined with the basic conditions of the area where the project is located， the three foundation treatment methods used in the subgrade section are analyzed： impact rolling， screw pile composite foundation， and CFG pile composite foundation; and the settlement observation of the foundation in different sections is carried out， typical sections are selected to analyze its settlement laws， and the applicability of different foundation treatment methods in the loess subgrade of high-speed railway is studied. The research results show that the area where the high-speed railway is located has heavy rainfall in summer and autumn， and precipitation and surface water may penetrate into the soil body， reducing its bearing capacity， which is not conducive to post-construction settlement control of the subgrade. The soil body in the original impact rolling treatment section has small water content， uneven soil layer thickness， and poor impact rolling effect， so dynamic compaction should be used for optimization treatment. The use of dynamic compaction， screw piles and CFG piles composite foundation treatment methods can meet the settlement control requirements of loess subgrade in different sections of the high-speed railway， and can provide reference for future high-speed railway construction in the western loess area.

Keywords： high-speed railway; loess subgrade; dynamic compaction; screw pile; CFG pile; settlement characteristics

近年來，我國在西部黃土地區(qū)高速鐵路的修建速度逐漸加快，由于黃土具有分布廣、厚度大、濕陷性強(qiáng)的顯著特點(diǎn)，因此，其面臨的最大技術(shù)難題是黃土路基的沉降控制問題。西部地區(qū)某高速鐵路線路全長76 km，其中路基段落約21.3 km，按250 km/h預(yù)留350 km/h有砟軌道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，橋隧密集段落的短路基采用無砟軌道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，為滿足高速鐵路有砟軌道的鋪設(shè)條件，要求一般地段路基工后沉降不超過50 mm。對于西部黃土地區(qū)修建的高速鐵路，存在天然黃土地基承載力低、含水量高等問題，都極大影響著路基的沉降特性，為確保高速鐵路路基強(qiáng)度和工后沉降能夠滿足規(guī)范要求，需要對軟弱地基進(jìn)行加固處理[2]。

在路基工程建設(shè)過程中，受臨近橋梁工程施工影響，運(yùn)梁車需通過部分已完工的路基區(qū)段，難以實(shí)施堆載預(yù)壓，故在不同區(qū)段采用沖擊碾壓，螺桿樁復(fù)合地基及CFG樁復(fù)合地基等處理措施對黃土地基進(jìn)行加固處理以控制沉降變形[3]。為檢驗(yàn)其處理效果、對地基沉降變形情況作出系統(tǒng)評(píng)估并為后續(xù)鋪軌施工提供基本條件，對以上3種不同地基處理措施選取代表性區(qū)段進(jìn)行沉降觀測并分析其發(fā)展規(guī)律，對于驗(yàn)證黃土地基處理措施的合理性和有效性，完善高速鐵路有砟軌道黃土地基沉降控制技術(shù)具有實(shí)際指導(dǎo)意義[4]。

1" 路基工程概況

該高速鐵路沿線路基高度差異較大，部分路基區(qū)段位于黃河沖積平原區(qū)，以填方路堤為主，地表淺層主要為粉土、砂土，持力層主要為粗、細(xì)圓礫土；部分路基區(qū)段緊鄰黃河階地后緣山前沖積平原，路基形式多為填挖交替，填方最大高度超過9 m，挖方最大深度超過11 m，地層主要為粗、細(xì)圓礫土夾雜粉、砂土，不良地質(zhì)主要為地震可液化土及松軟土，沉降控制難度較大。通過對該地區(qū)氣溫及降水情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)年降雨量總體較小，但夏、秋兩季降雨量較大，尤其在黃河階地后緣山前沖積平原，容易發(fā)生山前流水匯集，雨水易被路基截流，并通過路基面、邊坡或地表滲入地基，引起不均勻沉降；地區(qū)每年11月至第二年2月為冰凍期，氣溫在0 ℃以下，易發(fā)生凍脹病害。

2" 地基處理設(shè)計(jì)分析

2.1" 沖擊碾壓處理區(qū)段

沖擊碾壓區(qū)段主要位于黃河階地后緣山前沖積平原，路基形式主要為矮路堤或路塹。沖擊碾壓區(qū)段處理范圍為路堤兩側(cè)坡腳外3 m之間或路塹開挖界面寬度，沖擊碾壓采用的沖擊勢能為25～32 kJ，工作速度不小于10～12 km/h，牽引功率不小于240 kW，處理深度小于1.5 m。沖擊碾壓遍數(shù)根據(jù)現(xiàn)場施工時(shí)沖擊輪輪跡高差小于15 mm控制，碾壓遍數(shù)不小于20遍。沖擊碾壓完成后，路堤地段于碾壓面上鋪設(shè)0.3 m厚碎石或水泥改良?jí)|層，墊層內(nèi)鋪設(shè)一層雙向土工格柵；路塹地段基床底層內(nèi)鋪設(shè)一層雙向土工格柵。沖擊碾壓橫斷面如圖1、圖2所示。

2.2" 螺桿樁復(fù)合地基處理區(qū)段

螺桿樁復(fù)合地基處理區(qū)段地表淺層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、砂土，持力層以粗、細(xì)圓礫土及細(xì)砂為主。

地基處理范圍為路堤兩側(cè)坡腳之間，螺桿樁采用三角形方式布樁，樁間距為2.2 m，樁長范圍8～21 m，其中直桿段長度不小于樁長的1/3，直桿段樁徑一般為0.3～0.5 m；螺紋葉片寬度一般為50～60 mm，葉片端部厚度為50 mm，根部厚度為100 mm，螺距與樁徑之比為1∶0.6～1；樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。

螺桿樁樁頂設(shè)C30鋼筋混凝土樁帽，樁帽采用人工開挖，樁頂伸入樁帽10 cm，樁帽形狀為圓柱狀，直徑0.85 m，高度0.35 m，利用土模澆筑混凝土，不開挖樁間土，待樁帽混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，直接在樁帽頂部鋪設(shè)墊層。濕陷性黃土地基鋪設(shè)0.8 m厚水泥改良土墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)2層雙向土工格柵；非濕陷性黃土地基鋪設(shè)0.6 m厚碎石墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)一層整體式鋼釘插接土工格室。螺桿樁復(fù)合地基橫斷面如圖3所示。

2.3" CFG樁復(fù)合地基處理區(qū)段

CFG樁復(fù)合地基加固區(qū)段地表淺層主要為粉土、砂土，持力層主要為細(xì)砂，處理范圍為路堤兩側(cè)坡腳之間。

CFG樁采用三角形方式布樁，樁間距1.8 m，樁長范圍8～10 m，樁徑0.4 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，樁頂不設(shè)樁帽，褥墊層鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與螺桿樁復(fù)合地基相同。CFG樁復(fù)合地基橫斷面如圖4所示。

3" 地基處理設(shè)計(jì)優(yōu)化

現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沖擊碾壓處理區(qū)段地表淺層以粉土、砂土為主，地下主要為粗、細(xì)圓礫土，地下水不發(fā)育，軟弱土層厚度在5～6 m。根據(jù)TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定[5]，沖擊碾壓不宜處理厚度大于3 m的軟弱土層，且該區(qū)段各地層存在厚度分布不均、含水量較小等問題，沖擊碾壓處理地基效果不佳，因此不適宜在該區(qū)段采用[6]。

針對該區(qū)段軟弱地基，持力層主要為粗、細(xì)圓礫土，天然承載力較高，樁基礎(chǔ)及復(fù)合地基的處理方式不僅不經(jīng)濟(jì)，在粗、細(xì)圓礫土層中的成樁效果也尚需驗(yàn)證，因此，研究確定采用強(qiáng)夯對該區(qū)段地基進(jìn)行加固處理。強(qiáng)夯的有效加固可根據(jù)TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》參考確定，見表1。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定采用3 000 kN·m及以上能級(jí)的強(qiáng)夯，能夠處理該區(qū)段的松軟土地基[7]。對于螺桿樁與CFG樁復(fù)合地基處理區(qū)段，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、施工方案和施工周期等因素，認(rèn)為螺桿樁與CFG樁的樁型尺寸參數(shù)、樁間距及褥墊層設(shè)置等情況均較為合理，可直接進(jìn)行施工。

4" 地基沉降控制效果分析

4.1" 地基沉降觀測結(jié)果

1）強(qiáng)夯處理區(qū)段。選取DK597+107斷面地基沉降觀測結(jié)果進(jìn)行分析。該斷面以路堤形式通過，中心填高約3.57 m，開始沉降觀測時(shí)路基已填筑至2.2 m，第136天填筑完成。在路堤填筑過程中，對地基進(jìn)行沉降觀測58次；路堤填筑完成后，進(jìn)行沉降觀測295 d，共39次。地基沉降曲線如圖5所示。

路堤前期填筑速度較慢，填筑完成后，運(yùn)梁車開始通行，該斷面地層主要為粗、細(xì)圓礫土，經(jīng)強(qiáng)夯處理后，地基彈性模量較大，運(yùn)梁車對沉降影響較小；填筑完成300 d后，沉降基本穩(wěn)定。從填筑開始至施工完成，沉降量為11.8 mm；運(yùn)梁車連續(xù)通過后至地基沉降穩(wěn)定，總沉降量為12.13 mm，沉降主要發(fā)生在路基填筑期間。經(jīng)過強(qiáng)夯處理后的地基沉降量較小，滿足路基工后沉降控制要求[8]。

2）螺桿樁復(fù)合地基處理區(qū)段。選取DK583+953斷面地基沉降觀測結(jié)果進(jìn)行分析。斷面以路堤形式通過，中心填高約7.2 m，螺桿樁樁長為16.5 m。該斷面于填筑開始時(shí)進(jìn)行沉降觀測，填筑至2.2 m后，由于調(diào)整工期，施工進(jìn)入休息期，之后加快速度繼續(xù)進(jìn)行施工，第46天填筑施工完成，等待鋪軌。在施工過程中，對復(fù)合地基進(jìn)行沉降觀測28次；路堤填筑完成后，對復(fù)合地基沉降觀測386 d，共53次。地基沉降曲線如圖6所示。

路堤填筑完成后，運(yùn)梁車開始通行，運(yùn)梁車作用在路堤上時(shí)，地基沉降速度較填筑期間顯著增大，在運(yùn)梁車連續(xù)通過后30 d內(nèi)，復(fù)合地基沉降顯著增加，100 d后逐漸趨于穩(wěn)定。從填筑施工開始至施工完成，復(fù)合地基沉降量為14.22 mm，運(yùn)梁車通過后至沉降穩(wěn)定，總沉降量為16.95 mm，螺桿樁復(fù)合地基沉降量滿足相關(guān)控制要求[9]。

3）CFG樁復(fù)合地基處理區(qū)段。選取DK635+586斷面地基沉降觀測結(jié)果進(jìn)行分析。斷面路堤填高約5.1 m，CFG樁長為8 m。該斷面填筑至1.1 m時(shí)開始進(jìn)行沉降觀測，第53天填筑完成，等待鋪軌。路堤填筑過程中，對復(fù)合地基進(jìn)行沉降觀測29次；填筑完成后，對復(fù)合地基沉降觀測214 d，共35次。地基沉降曲線如圖7所示。

路堤填筑完成后，運(yùn)梁車開始通行，地基沉降勻速發(fā)展，170 d后，地基沉降逐漸趨于穩(wěn)定。從填筑施工開始至施工完成，沉降量為12.7 mm，運(yùn)梁車連續(xù)通過后至沉降穩(wěn)定，總沉降量為15.07 mm，CFG樁復(fù)合地基沉降量滿足相關(guān)控制要求[8]。

4.2" 地基沉降綜合分析

該線路基其余各典型斷面在路基填筑完成時(shí)和填筑完成3個(gè)月、6個(gè)月地基沉降值見表2。選取各斷面間距較遠(yuǎn)，各斷面之間相互影響不大，路堤填筑起止時(shí)間互不相同，填筑高度也各有差異，作為典型斷面進(jìn)行分析，具有一定的代表性。

對以上3種不同地基處理措施路段典型斷面的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見表2，發(fā)現(xiàn)地基沉降主要發(fā)生在路基施工期間，由于強(qiáng)夯處理區(qū)段地基主要為粗、細(xì)圓礫土，彈性模量較大，運(yùn)梁車通過對沉降量影響較?。宦輻U樁及CFG樁復(fù)合地基處理區(qū)段，在運(yùn)梁車通過后30 d內(nèi)沉降發(fā)生較快，3至6個(gè)月后地基沉降均逐漸趨于穩(wěn)定，能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明采用上述措施處理該區(qū)段軟弱地基，能夠有效控制該地區(qū)高速鐵路路基的工后沉降[10]。

5" 結(jié)論

1）經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，該高速鐵路路基工程所處地區(qū)主要為粉土、砂土等松軟土，夏、秋兩季降雨量較大，降水及地表水可能滲入地基，引起不均勻沉降；且冬季結(jié)冰期較長，易發(fā)生凍脹病害。

2）原沖擊碾壓處理區(qū)段存在地層厚度不均勻，天然含水率較小等特點(diǎn)，且軟弱土層深度達(dá)到5～6 m，沖擊碾壓效果欠佳，采用3 000 kN·m能級(jí)以上的強(qiáng)夯，能夠有效對其進(jìn)行加固處理。

3）強(qiáng)夯、螺桿樁及CFG樁復(fù)合地基處理方法，能夠滿足該高速鐵路不同區(qū)段松軟土地基的沉降控制要求，沉降主要發(fā)生在路基填筑期間，3至6個(gè)月內(nèi)地基沉降已基本完成，沉降有效控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，可為后續(xù)鋪軌施工提供基礎(chǔ)條件。

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