劉好正

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

鄭西客運專線是我國中長期鐵路規(guī)劃中10條客運專線中徐蘭客運專線(徐州—鄭州—西安—寶雞—蘭州)最先開工的一段。鄭西鐵路客運專線穿越豫西山地和渭河沖積平原,南倚秦嶺、北臨黃河,沿線90%區(qū)段為黃土覆蓋,其中濕陷性黃土區(qū)段約占線路總長的65%,濕陷性黃土地基處理技術(shù)是全線最大的技術(shù)難題之一。

濕陷性黃土為非飽和的欠壓密土,具有較大的孔隙率和偏低的干密度,在土的自重壓力和附加應(yīng)力作用下受水浸泡時,將發(fā)生急劇而大量的附加下沉[1]。

1 擠密樁復(fù)合地基加固機(jī)理

擠密樁復(fù)合地基在濕陷性黃土地基處理中,能有效地消除大厚度黃土的濕陷性。擠密樁處理濕陷性黃土地基是利用成孔和分層夯填灰土或水泥土?xí)r的側(cè)向擠密作用,使樁間土得到擠密而提高工程性能,并形成具有一定承載力的樁體,和樁間土共同作用成為復(fù)合地基；通過樁頂褥墊層內(nèi)土工格柵使上部附加應(yīng)力分布更為合理,地基的沉降變形更為協(xié)調(diào)。擠密樁加固地基的機(jī)理如下。

1.1 擠密作用

擠密樁是成孔過程中橫向加密土層,施工成孔套管打入黃土層時,樁管周圍地基土受水平擠壓作用,從而管周圍一定范圍內(nèi)的土在水平各個方向產(chǎn)生位移,減小孔隙率,增加密實度,部分或全部消除濕陷性[2]。

1.2 置換作用

在擠密樁成樁后,由于樁的變形模量遠(yuǎn)大于樁間土的變形模量,在擠密樁與地基土的共同作用下,剛度較大的樁體受到較大的附加應(yīng)力,消除了持力層內(nèi)大量的壓縮變形和濕陷變形的不利因素。

1.3 化學(xué)作用

擠密樁分為灰土擠密樁和水泥土擠密樁兩種?；彝翑D密樁樁體材料為石灰與土按一定體積比(“二八”或“三七”灰土)均勻拌和的材料,生石灰吸水生成氫氧化鈣的過程中,吸收周圍土體的水分而膨脹,對周圍土體產(chǎn)生進(jìn)一步的擠密作用；并且由于放熱作用使土體中部分水分蒸發(fā),加速土體的固結(jié)過程；同時生成的因飽和沉淀形成膠體,經(jīng)過再結(jié)晶后構(gòu)成合成體與土體間緊密膠結(jié)而產(chǎn)生較高強(qiáng)度,因而提高了復(fù)合地基承載力。水泥土擠密樁樁體材料為水泥12%～15%摻入土中拌和均勻,通過夯入水泥土,水泥的水解、水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣、含水硅酸鈣能迅速溶于水中,使水泥顆粒表面重新暴露出來再與水發(fā)生反應(yīng),周圍水溶液逐漸達(dá)到飽和,水分子繼續(xù)深入顆粒內(nèi)部但生成物已不能溶解,只能以細(xì)分散的膠體析出,懸浮于溶液中形成膠體,從而提高地基承載力。

1.4 “樁-網(wǎng)-土”共同作用

擠密樁復(fù)合地基通過“樁-網(wǎng)-土”三者的共同作用,褥墊層中的網(wǎng)具有荷載分擔(dān)作用,樁起豎向增強(qiáng)作用,樁間土承受的荷載應(yīng)力相對減小,使樁土應(yīng)力分布更為協(xié)調(diào),有利于工后沉降的控制。

2 擠密樁復(fù)合地基設(shè)計和計算

2.1 荷載計算

路基荷載：自路基面以上,單線軌道及列車荷載換算土柱高度參照表1執(zhí)行,采用“ZK”活載。

表1 軌道、列車單線換算荷載

2.2 樁徑選擇

擠密樁樁徑過小,則要達(dá)到地基處理效果樁數(shù)會增加很多,并增加成孔和回填工作量；樁徑過大,則對樁間土體擠密效果不夠,難以完全消除地基土的濕陷性。綜合考慮以上因素,《鄭西客運專線路基設(shè)計原則》對擠密樁樁徑作出如下一般規(guī)定：擠密樁處理深度不超過12 m時,擠密孔直徑0.35～0.45 m,不設(shè)預(yù)鉆孔；擠密樁處理深度12～15 m時,擠密樁直徑(D)0.5～0.6 m,需設(shè)預(yù)鉆孔,預(yù)鉆孔(d)直徑0.25～0.3 m；當(dāng)加固深度大于15 m時,應(yīng)采用柱錘沖擴(kuò)(孔內(nèi)強(qiáng)夯)擠密樁工法加固濕陷性黃土地基。

2.3 樁距計算和樁位布置

擠密樁的擠密效果與樁距有關(guān),樁距設(shè)計一般通過試驗和計算確定,目的是為了使樁間土擠密后達(dá)到一定的平均密實度,而且使單樁承載力滿足設(shè)計要求。樁間距(S)在設(shè)計階段按下式計算選擇

S=0.95[(ηcρdmaxD2-ρd0d2)/(ηcρdmaxD-ρd0d)]1/2

式中，ηc為擠密系數(shù)；ρdmax為擊實試驗最大干密度；ρd0為擠密樁施工前壓縮層平均干密度；D為擠密樁直徑；d為預(yù)鉆孔直徑。

為了使樁間土擠密均勻,擠密樁平面布置一般采用正三角形布置。

2.4 復(fù)合地基承載力確定

擠密樁復(fù)合地基承載力施工過程中通過多樁復(fù)合地基載荷試驗確定,設(shè)計時需要按下式進(jìn)行估算并指導(dǎo)施工檢測參照

fspk=mRa/Ap+ξβ(1-m)fsk

Ra=Up∑qsi×li+αqpAp；Ra=ηfcuAp

Ra取兩式計算較小值。

式中，fspk為復(fù)合地基承載力特征值；fsk為處理后樁間土承載力特征值；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；fcu為水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)；ζ為樁間土承載力提高系數(shù)；β為樁間土承載力折減系數(shù)；Up為樁周長；Ap為樁截面積；li為樁長范圍內(nèi)第i層土厚度；qs、qp為樁側(cè)阻力、端阻力；α為樁端土承載力折減系數(shù)。

2.5 沉降計算

鄭西客運專線采用“ZK”活載,有砟軌道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)50 mm,無砟軌道工后沉降不超過扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm,因此無砟軌道部分路基設(shè)計的重點就是控制路基的工后沉降量。工后沉降量，即總沉降量S總中扣除施工期沉降后剩余部分

S工后=S總-S施工

總沉降量S總為考慮列車活載和路堤荷載等因素下,地基累計沉降量的總和。它包括加固區(qū)沉降量S復(fù)合及加固區(qū)下臥層沉降量S下

S總=S復(fù)合+S下

式中,加固區(qū)S復(fù)合采用復(fù)合模量法計算,加固區(qū)計算時不考慮土體自重,樁底附加應(yīng)力計算考慮樁底提升1/3樁長、應(yīng)力按30°向下擴(kuò)散后的附加應(yīng)力；下臥層S下采用分層總和法計算

S下=∑(S1+S2+…+Sn)

計算深度至附加應(yīng)力為自重應(yīng)力的0.1倍處。

地基變形計算時,假定地基內(nèi)的應(yīng)力分布可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論,地基應(yīng)力按布辛內(nèi)斯克解計算,其最終變形量按下式進(jìn)行修正計算

S=ψsS′

式中，S為地基最終變形量；S′為按分層總和法計算的變形量；ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù),無地區(qū)經(jīng)驗時參照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025—2004)表5.6.2取值。

加固區(qū)復(fù)合地基模量Espi計算時,將復(fù)合地基加固區(qū)看做一個整體,采用置換率加權(quán)模量作為復(fù)合模量,計算公式如下

Espi=mEp+(1-m)Esi

式中，m為置換率,正三角形布置m=(d/1.05S)2；Ep為擠密樁的壓縮模量；Esi為第i層樁間土的壓縮模量。

3 代表性工點設(shè)計[3]

3.1 工點概況

鄭西客運專線滎陽車站濕陷性黃土路基,該段線路穿過山前平原區(qū),地形平坦開闊,辟為旱地,發(fā)育少量黃土沖溝,溝深多在6～8 m,溝壁陡直。根據(jù)2004年定測地質(zhì)鉆孔揭示地層為：Q3al+pl砂質(zhì)黃土,上部10 m稍濕、稍密,10 m以下稍濕、稍密～中密,該層層厚約25 m左右；經(jīng)過多個鉆孔取樣進(jìn)行濕陷性試驗,濕陷性黃土層厚度10.0～12.0 m,自重濕陷系數(shù)δsz=0.015～0.097,濕陷系數(shù)δs=0.015～0.097,自重濕陷量計算1.5～27.5 cm,濕陷量19.4～71.7 cm,為自重濕陷性場地,具中等濕陷性。物理力學(xué)指標(biāo)如下：

(1)層 天然含水量w=15.7%,天然容重γ=1.70 g/cm3,干容重γd=1.45 g/cm3,天然孔隙比e=0.897,貫入阻力Ps=1.49 MPa,100～200 kPa壓力段的壓縮模量Es1-2=4.18 MPa；

(1)-1層w=16.9%,γ=1.85 g/cm3,γd=1.53 g/cm3,e=0.752,Ps=3.55 MPa,Es1-2=8.0 MPa,200～300 kPa壓力段的壓縮模量Es2-3=10.98 MPa。

3.2 地基處理設(shè)計計算

3.2.1 加固措施選擇

由于工點濕陷性黃土厚度達(dá)12 m,所以地基處理采用樁長13 m的擠密樁設(shè)計加固,擠密樁直徑采用0.5 m,預(yù)鉆孔直徑0.25 m,按正三角形布樁。

3.2.2 擠密樁樁間距選擇

根據(jù)2.3公式進(jìn)行擠密樁樁間距計算。經(jīng)計算，擠密樁樁間距應(yīng)小于1.19 m,設(shè)計中樁間距選用1.1 m。

3.2.3 沉降計算

根據(jù)2.5所列公式進(jìn)行復(fù)合地基模量計算和工后沉降計算，如表2、表3所列。

表2 復(fù)合地基模量計算

表3 地基工后沉降計算

由工后沉降計算可知,若采用灰土擠密樁加固地基,即使把樁間距調(diào)整到1.0 m,路基工后沉降仍然有18.56 mm。如果正線采用灰土擠密樁加固,不但樁間距小,且工后沉降不能滿足無砟軌道15 mm的要求；采用水泥土擠密樁加固地基,既可有效消除黃土濕陷性,也可以滿足無砟軌道對于工后沉降的要求。

3.3 地基處理措施選擇

從投資控制上綜合考慮,鄭西客專滎陽車站正線鋪設(shè)無砟軌道部分地基處理采用水泥土擠密樁復(fù)合地基，站線采用灰土擠密樁復(fù)合地基對濕陷性黃土地基進(jìn)行處理。具體工點設(shè)計措施如下。

正線采用水泥土擠密樁加固,樁長13 m,樁間距1.1 m,按正三角形進(jìn)行布樁；橋路過渡段正線、站線均采用水泥土擠密樁加固,樁長由13 m向15 m過渡,樁間距由1.1 m向0.9 m過渡,橫向加固范圍至路堤兩側(cè)排水溝外側(cè)邊緣以外。

站線(橋路過渡段范圍除外)采用灰土擠密樁加固,樁長13 m,樁間距1.1 m,按正三角形進(jìn)行布樁,橫向加固范圍至路堤兩側(cè)排水溝外側(cè)邊緣以外。

水泥土擠密樁的強(qiáng)度要求室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于3 MPa,現(xiàn)場載荷試驗單樁承載力不小于194.39 kN,復(fù)合地基承載力不小于317.17 kPa(其中橋路過渡段復(fù)合地基承載力不小于393.80 kPa)?；彝翑D密樁采用“三七”灰土,石灰選用新鮮的消石灰,顆粒直徑不大于5 mm,石灰質(zhì)量選用Ⅲ級,活性CaO+MgO含量(按干容重計)不低于55%；分層夯實回填后樁體內(nèi)平均壓實系數(shù)λc不小于0.96。

擠密樁采用預(yù)鉆孔法,鉆孔直徑0.25 m,擠密樁直徑0.5 m；樁頂1.0 m厚松土換填“三七”灰土墊層加鋪兩層雙向土工格柵加筋；采用的格柵抗拉強(qiáng)度不小于60 kN/m。為防止雨季路基上部積水滲入地基引起增濕變形,樁頂墊層內(nèi)鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜,設(shè)4%的橫向坡將滲水引到路基范圍外。

為控制工后沉降,采用堆載預(yù)壓。路堤填至基床底層頂面后,先在填筑面鋪一層復(fù)合土工布,然后進(jìn)行預(yù)壓荷載填筑,預(yù)壓土高2.3 m。

工點設(shè)計代表性地基處理橫斷面如圖1所示。

圖1 代表性地基處理橫斷面(單位：m)

4 復(fù)合地基施工

4.1 施工準(zhǔn)備

施工前對地下水位和地基土的含水率分段進(jìn)行測定驗證,如在地下水位以下的地基土一般不考慮濕陷性；如含水率和飽和度過高,則需進(jìn)行變更設(shè)計。

選點進(jìn)行成孔、夯填和擠密效果試驗,試驗結(jié)果顯示：水泥摻入比12%、“三七”灰土可滿足設(shè)計水泥土擠密樁和灰土擠密樁的設(shè)計要求,但存在兩個問題：(1)局部地段地基土含水量較大、飽和度較高,地層軟弱,原設(shè)計灰土擠密樁不滿足《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2002)14.1.1條文要求；②因地基軟弱,先施工樁對后期施工樁的擠密作用使樁孔縮徑、塌孔現(xiàn)象普遍。為解決以上問題,由施工、設(shè)計、咨詢和建設(shè)單位共同研究決定：對于原設(shè)計采用灰土擠密樁局部軟弱地基地段,為避免同一斷面上站線范圍出現(xiàn)過大工后沉降影響路基上部結(jié)構(gòu),將地基處理措施改為水泥土擠密樁；采用洛陽鏟預(yù)鉆孔(φ250 mm)再錘擊沉管(φ500 mm),成孔順序嚴(yán)格按照從路基中間向兩側(cè)間隔2孔進(jìn)行。改變處理措施和工藝進(jìn)行施工后,檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4.2 施工流程控制[4]

按照前期試驗段確定的工藝流程,成孔后清底夯實、夯平。進(jìn)行位置、垂直度、孔徑、孔深檢查合格后及時分層夯填,夯填時采用電動卷揚機(jī)提升式夯實機(jī),落錘高度不小于2 m,每層回填虛鋪厚度250 mm,每層夯擊不少于10錘。成樁后樁頂高于設(shè)計高程150 mm部分鏟除平整。

一個施工區(qū)間成樁達(dá)到齡期進(jìn)行復(fù)合地基承載力和單樁承載力試驗,滿足設(shè)計要求后,進(jìn)行灰土墊層施工。墊層中兩層土工格柵分布于墊層的頂、底，攤鋪搭接、固定,并上下各分別留0.1 m厚的灰土層,避免刺破或機(jī)械碾壓造成土工格柵破壞。

復(fù)合土工膜在灰土褥墊層中鋪設(shè),位于墊層中兩層土工格柵之間,鋪設(shè)時由路基中心向路基外設(shè)4%的流水坡度。復(fù)合土工膜需攤鋪平順、搭接牢固,避免在墊層中形成積水窩。

5 沉降觀測評估

借鑒國外及國內(nèi)秦沈客專、京滬高鐵昆山試驗段的施工經(jīng)驗,沉降觀測評估應(yīng)予以高度重視。本工點需對路基沉降進(jìn)行系統(tǒng)的觀測與分析評估,觀測斷面沿線路方向平均間距不大于50 m,地形地質(zhì)條件變化較大地段和過渡段應(yīng)適當(dāng)加密。在路基完成或施加預(yù)壓荷載后應(yīng)有6～18個月的觀測和調(diào)整期(必須經(jīng)過一個雨季),分析評估沉降穩(wěn)定并且工后沉降滿足要求時方可鋪設(shè)無砟軌道。

5.1 觀測點布置原則

在較松軟土路堤兩側(cè)坡腳外2 m處設(shè)圓木觀測樁,在路基兩側(cè)路肩設(shè)置鋼筋混凝土觀測樁,在路基橫斷面中心設(shè)置組合沉降板。

觀測斷面,在線路中心線布設(shè)一組沉降板,沉降板分別埋設(shè)在基床底層頂面和地基面處,對于路堤高度較大的,在距基床底層頂面下3.5 m處埋設(shè)一個沉降板,選擇有代表性的位置在地基處理下部0.2 m處埋設(shè)一個沉降板,路肩兩側(cè)布設(shè)變形觀測樁。如圖2所示。

圖2 沉降觀測斷面觀測標(biāo)志布置示意

5.2 觀測資料整理

根據(jù)觀測資料,及時完成有關(guān)圖表的繪制,主要包括：

每個觀測標(biāo)志點的荷載-時間沉降曲線(圖3)；繪制每個觀測標(biāo)志點的ΣSn-Σ(Sn+Sn+1)曲線(圖4)。

圖3 沉降與時間關(guān)系曲線

圖4 Σsn-Σ(sn+sn+1)曲線

5.3 評估標(biāo)準(zhǔn)

路橋或路隧交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm,過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1/1 000。

5.4 沉降觀測評估結(jié)果

根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,采用雙曲線法、三點法、指數(shù)曲線法及星野法可以得出沉降預(yù)測數(shù)值,一般采用雙曲線法。

根據(jù)施工單位報告提供數(shù)據(jù),自2008年3月9日至2008年9月25日進(jìn)行了不少于的6個月的觀測,實測的最大沉降量為24.424 mm,小于設(shè)計的施工期沉降值33 mm；根據(jù)沉降曲線預(yù)測工后沉降量4.2 mm,小于設(shè)計的工后沉降量。沉降觀測曲線見圖5。

圖5 沉降觀測曲線

6 結(jié)論及建議

根據(jù)沉降評估結(jié)果,該段路基預(yù)測的工后沉降量均滿足小于15 mm的設(shè)計要求。

經(jīng)過鄭西客運專線鋪軌前的沉降觀測和運營情況分析,擠密樁復(fù)合地基對于消除黃土地基濕陷性、控制工后沉降的效果十分明顯。

擠密樁復(fù)合地基處理濕陷性黃土地基,成本低、環(huán)境污染小、承載力高,并且質(zhì)量容易控制。

擠密樁復(fù)合地基在鄭西客運專線設(shè)計、施工中積累了豐富的理論基礎(chǔ)和成熟的施工經(jīng)驗,對于濕陷性黃土地區(qū)工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

目前在包括鄭西客專的高速鐵路、客運專線車站設(shè)計時,正線和站線采用的地基處理措施上普遍存在差異,而正線和站線在上部結(jié)構(gòu)上是不可分割的整體,處理措施的較大差異將為上部結(jié)構(gòu)的不協(xié)調(diào)變形埋下隱患。因此,建議對于上部結(jié)構(gòu)屬于不可分割的整體構(gòu)筑物進(jìn)行地基處理時,其處理措施盡量保持協(xié)調(diào)一致,為工程的長久正常使用打下堅實的基礎(chǔ)。

[1] 喬平定.黃土地區(qū)工程地質(zhì)[M].北京：水利電力出版社,1990.

[2] 劉好正.黃土地基濕陷變形的機(jī)理和影響因素[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報,2006，6(8).

[3] 岳永興，劉好正，等.鄭西客專濕陷性黃土地基處理技術(shù)方案論證報告[R].鄭州：2005.

[4] 王素靈.水泥土擠密樁在鐵路客運專線濕陷性黃土地基加固中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2008(2).