張華瑩

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

西寶高鐵興平段路基組合樁地基處理技術(shù)

張華瑩

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

西安至寶雞高鐵興平段路基位于關(guān)中平原西部渭河二級(jí)階地上，地層上部為濕陷性黃土及飽和黃土，下部為砂層及圓礫土層，地下水位埋深較淺，路堤最大填方高度8 m，路基工后沉降難以控制。經(jīng)綜合方案比選，地基采用組合樁處理。本文詳細(xì)地闡述了組合樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，通過沉降觀測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)及運(yùn)營實(shí)踐證明，組合樁地基處理措施有效控制了路基工后沉降，滿足無砟軌道鋪設(shè)要求，使用效果良好。與傳統(tǒng)單一樁型復(fù)合地基處理效果相比，組合樁具有節(jié)約投資、提高地基承載力、有效控制工后沉降等優(yōu)勢(shì)。

路基 組合樁 地基處理 沉降

西寶高鐵是繼鄭西高鐵后，黃土地區(qū)修建的又一條無砟軌道高速鐵路，路基工后沉降控制嚴(yán)格。西寶高鐵興平段路基位于關(guān)中平原西部渭河二級(jí)階地上，大部分地段地層上部為濕陷性黃土及飽和黃土，下部為砂層及圓礫土層，為確保路基工后沉降滿足無砟軌道鋪設(shè)要求，經(jīng)綜合方案比選，地基采用組合樁處理。組合樁為柱錘沖擴(kuò)樁與CFG樁組合，與樁間土體形成復(fù)合地基，柱錘沖擴(kuò)樁用于消除黃土的濕陷變形，CFG樁用于提高地基承載力、解決地基的壓縮變形［1］。柱錘沖擴(kuò)樁樁身分層采用不同材料，地下水位附近采用C15干硬性混凝土，其上采用黃土摻8%水泥。

1 工程地質(zhì)特征

西寶客專興平段路基起迄里程為DIK519+ 596.97—DIK521+772.78，長度2 425.6 m，路堤最大填土高度為8 m。地層上部為黏質(zhì)黃土()，厚為9～13 m，具自重濕陷性，濕陷厚度為5.5～9.5 m，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)中等，地下水位附近處于飽和狀態(tài);下部為砂層及圓礫土層。地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于下部砂礫土中，地下水埋深為10～13 m，水量充沛。

在此類地基上修筑路基時(shí)，為滿足路基工后沉降要求，必須考慮因地基濕陷和壓縮變形對(duì)路基工程造成的危害，選擇適宜的地基處理方法尤其重要。

2 地基處理方案比選

為保證方案安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，在設(shè)計(jì)前研究了水泥土擠密樁、水泥土擠密樁+CFG樁、樁錘沖擴(kuò)樁、樁板結(jié)構(gòu)、組合樁1(柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁)、組合樁2 (柱錘沖擴(kuò)樁(樁身分層采用不同材料)+CFG樁)六種處理方案。經(jīng)沉降檢算，前三種方案路基工后沉降無法滿足無砟軌道鋪設(shè)要求，故對(duì)后三種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，結(jié)果如表1所示。

表1 地基處理方案比較

通過經(jīng)濟(jì)比較并考慮地下水位附近采用水泥土材料成樁困難，最終確定采用組合樁2方案。柱錘沖擴(kuò)擠密樁樁徑0.6 m，樁間距1.0 m，樁長10～13 m;CFG樁樁徑0.4 m，樁間距2.0 m，樁長13～16 m。平面采用正方形布置，如圖1所示。

柱錘沖擴(kuò)擠密樁樁底以上4 m(地下水位附近)，土體含水量高，呈飽和狀態(tài)，采用C15干硬性混凝土，其上樁身材料采用水泥與土的混合料，水泥的摻量不小于黃土干質(zhì)量的8%。施工前應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)，壓縮模量應(yīng)不小于100 MPa。

CFG樁根據(jù)設(shè)計(jì)建議的配合比(表2)進(jìn)行坍落度和28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定施工配合比。

墊層材料采用6%水泥改良土，厚度不小于1.0 m。樁頂墊層內(nèi)橫向鋪設(shè)兩層雙向土工格柵。

圖1 組合樁處理橫斷面

表2 CFG樁材料建議配合比

3 組合樁設(shè)計(jì)

組合樁設(shè)計(jì)主要需要確定樁的平面布置、樁長、樁徑、樁間距、樁體材料、墊層材料及厚度［2］，并依據(jù)確定的參數(shù)進(jìn)行復(fù)合地基承載力和路基工后沉降檢算。

3.1 平面布置

組合樁采用正方形布置，擠密樁在內(nèi)側(cè)，CFG樁在外側(cè)，CFG樁孔中心間距是擠密樁的2倍，如圖2所示。

圖2 組合樁平面布置

3.2 樁長

組合樁中CFG樁主要用于提高承載力和控制地基壓縮變形，樁端應(yīng)位于持力層上，設(shè)計(jì)樁端位于密實(shí)細(xì)砂或中砂層內(nèi)。柱錘沖擴(kuò)樁主要用于消除上部黃土的濕陷性，樁長以黏質(zhì)黃土與砂層的分界線控制。

3.3 樁間距［3］

擠密樁采用正三角形布置時(shí)，樁間距按照以下公式進(jìn)行計(jì)算

式中:S為樁間距，m;a為系數(shù)，三角形布樁取0.95，正方形布樁取0.89;D為擠密填料孔直徑，m;d為預(yù)鉆孔直徑，m;ρd0為地基擠密前壓縮層范圍內(nèi)各層土的平均干密度，g/cm3;ρdmax為擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度，g/cm3;ηˉc為經(jīng)成孔擠密后樁間土的平均擠密系數(shù)。

擠密樁樁位采用正方形布置時(shí)，根據(jù)處理效果與正三角形布樁相等的原則，樁間距

式中，S'為正方形布置時(shí)的樁間距，m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和試驗(yàn)，確定計(jì)算參數(shù):ρd0為1.286～1.411 g/cm3，ρdmax為1.700～1.750 g/cm3，ηˉc取0.93，D=0.6 m，d=0.4 m。

由式(1)和(2)計(jì)算可得，S'為0.97～1.14 m，實(shí)際設(shè)計(jì)S'取1.0 m。

3.4 樁體強(qiáng)度

樁體混合料試塊(邊長150 mm立方體)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度平均值Pf:CFG樁Pf≥15 MPa，柱錘沖擴(kuò)樁Pf≥2 MPa。

單樁豎向容許承載力［P］按照以下公式進(jìn)行計(jì)算

式中:Ap為樁身截面積，m2。

由式(3)可得，CFG樁［P］=628.4 kN，柱錘沖擴(kuò)樁［P］=188.5 kN。

3.5 墊層材料及厚度

地基表層為濕陷性黃土，為防止地表水下滲，樁頂墊層材料采用6%水泥改良土，墊層厚度1.0 m。

3.6 復(fù)合地基承載力檢算［4］

復(fù)合地基承載力由CFG樁部分的承載力、擠密樁部分的承載力和樁間土的承載力按照一定的原則疊加形成。

復(fù)合地基容許承載力σsp計(jì)算公式為

式中:σs為樁間土容許承載力，kPa;m1，m2分別為CFG樁和擠密樁的置換率;P1，P2分別為CFG樁和擠密樁單樁容許承載力，kN;Ap1，Ap2分別為CFG樁和擠密樁的橫截面面積，m2;λ1，λ2分別為擠密樁和樁間土的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)。

將σs=100 kPa，m1=0.031 4，m2=0.282 8，P1= 628.3 kN，P2=186.6 kN，Ap1=0.125 7 m2，Ap2= 0.282 8 m2，λ1=0.33，λ2=0.75代入式(3)，可得到σsp=268.95 kN，滿足上部結(jié)構(gòu)承載要求。

3.7 路基工后沉降檢算［5］

首先根據(jù)處理措施對(duì)地層分層并計(jì)算各層的復(fù)合地基模量，再計(jì)算各層面的附加應(yīng)力及平均附加應(yīng)力，然后計(jì)算各層的沉降量，分析確定合理的計(jì)算深度，累加計(jì)算深度范圍各層沉降量。路基工后沉降為鋪軌前后的復(fù)合地基總沉降量的差值。

復(fù)合地基總沉降量s由三部分(圖1)組成:柱錘沖擴(kuò)擠密樁加固區(qū)的土層沉降量s1，CFG樁加固區(qū)的土層沉降量s2，CFG樁加固區(qū)以下土層沉降量s3。總沉降s=s1+s2+s3。

沉降計(jì)算采用分層總和法，根據(jù)地基的復(fù)合壓縮模量進(jìn)行檢算。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，各天然土層的壓縮模量平均值:黏質(zhì)黃土E1－2=4.5 MPa，沖積粉質(zhì)黏土E1－2= 3.1 MPa，E2－3=3.7 MPa，細(xì)砂E1－2=20.0 MPa，E2－3=20.0 MPa，中砂E1－2=25.0 MPa，E2－3=25.0 MPa。

選取不同斷面進(jìn)行總沉降計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮堆載預(yù)壓后總沉降完成95%，得出路基工后沉降計(jì)算值為12.0 mm＜15 mm，滿足無砟軌道鋪設(shè)要求［6］。

4 組合樁施工質(zhì)量控制

組合樁施工工序:柱錘沖擴(kuò)擠密樁施工→全部檢測(cè)合格→CFG樁施工→全部檢測(cè)合格→墊層施工。對(duì)各主要施工環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格控制。

4.1 柱錘沖擴(kuò)樁

1)原材料控制

土料自取土場(chǎng)運(yùn)至料倉后，通過篩土機(jī)過篩，確保粒徑符合設(shè)計(jì)要求。土的有機(jī)質(zhì)含量不大于2%。水泥土混和料中水泥含量為土體干質(zhì)量的8%，含水率控制在17.4%左右，含水率的偏差量不超過2%。

2)鉆進(jìn)速度控制

低轉(zhuǎn)速、低鉆壓，防斜為主。鉆進(jìn)量為每轉(zhuǎn)10～30 mm，鉆具的實(shí)際轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的1.2～1.3倍。

3)夯擊次數(shù)控制

用1.5 t的夯錘施工，夯機(jī)就位，將夯錘對(duì)準(zhǔn)樁孔中心，提升8 m高度。夯實(shí)次數(shù)由下到上為:樁底以上3 m混凝土每層填料夯擊12錘，樁底3 m以上至樁頂以下2 m每層填料夯擊11錘，從樁頂至樁頂以下2 m范圍內(nèi)每層填料夯擊14錘。

4.2 CFG樁

1)原材料控制

粉煤灰的細(xì)度(0.045 mm方孔篩篩余百分比)不大于45%，等級(jí)不低于Ⅲ級(jí)。

粗骨料要求:粒徑為5～20 mm，松散重度為14.6 kN/m3，含水率≤1%，含泥量≤2%。石屑粒徑≤10 mm，松散密度為1.47 kN/m3，含水率≤1%。

2)施工順序控制

采用間隔跳打法，橫向從線路中心向兩側(cè)推進(jìn)，縱向從分界點(diǎn)順線路方向推進(jìn)。

3)泵送控制

樁孔灌料拌合后坍落度控制在180～200 mm。嚴(yán)禁先拔管后泵送混凝土。拔管時(shí)鉆桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，嚴(yán)禁邊拔管邊轉(zhuǎn)動(dòng)。拔管速度控制在2～3 m/min。

5 組合樁地基處理效果

5.1 樁間距合理性驗(yàn)證

沿線路縱向連續(xù)每50 m選取6處樣，進(jìn)行了干密度測(cè)試和黃土濕陷性試驗(yàn)，擠密系數(shù)均≥0.93(輕型擊實(shí))，濕陷系數(shù)δs＜0.015，經(jīng)柱錘沖擴(kuò)擠密樁處理后，濕陷性已消除，擠密樁樁間距設(shè)計(jì)合理。

5.2 復(fù)合地基承載力

復(fù)合地基容許承載力為358 kPa＞268.95 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3路基工后沉降評(píng)估

本段路基工程共設(shè)有218個(gè)路肩觀測(cè)樁，109個(gè)組合式沉降板。路基主體于2011年6月30日施工完成，2011年7月24日至2012年1月9日運(yùn)梁車通過，2012年2月26日開始堆載預(yù)壓，卸載于2012年8月26日—9月22日陸續(xù)完成。至評(píng)估之日，觀測(cè)樁觀測(cè)次數(shù)為52次，實(shí)測(cè)累積沉降量為3.23～16.46 mm，最終預(yù)測(cè)沉降量為3.55～18.88 mm，預(yù)測(cè)工后沉降量不大于2.95 mm。沉降板觀測(cè)次數(shù)為45次，實(shí)測(cè)累積沉降量為5.22～22.47 mm，最終預(yù)測(cè)沉降量為3.55～18.88 mm，預(yù)測(cè)工后沉降量不大于2.42 mm。工后沉降預(yù)測(cè)結(jié)果均＜15 mm，滿足無砟軌道鋪設(shè)要求。

5.4 動(dòng)態(tài)檢測(cè)及運(yùn)營評(píng)價(jià)

經(jīng)中國鐵道科學(xué)研究院高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)檢測(cè)，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和橫向穩(wěn)定性均符合要求;車體橫向平穩(wěn)性、車體垂向平穩(wěn)性等級(jí)均為優(yōu)。

西寶客專于2013年12月28日開通試運(yùn)營，運(yùn)營速度250 km/h。開通運(yùn)營以來，路基地段線路狀況良好，軌道線路平順。

6 結(jié)語

1)路基沉降評(píng)估預(yù)測(cè)最大工后沉降值2.95 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)檢算值12 mm。主要是因?yàn)楸径温坊黧w施工完成后，運(yùn)梁車通過加速了鋪軌前沉降。實(shí)踐證明，組合樁適用于下部為飽和黃土的濕陷土層的地基加固。

2)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范僅有單一樁型復(fù)合地基的計(jì)算公式和方法，本文通過組合樁設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)踐驗(yàn)證，為采用兩種以上樁型復(fù)合地基的應(yīng)用提供了新方法和新思路。

3)對(duì)CFG樁與柱錘沖擴(kuò)樁的沉降協(xié)同還需進(jìn)一步研究，可在樁的不同深度設(shè)置應(yīng)力計(jì)，來測(cè)試兩種樁的受力特性及協(xié)同情況。

4)樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)λ2的取值大小對(duì)樁的設(shè)計(jì)影響很大。加固土層不同，樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)差異較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同地層情況合理取值。

［1］龔曉南.地基處理手冊(cè)［M］.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］李國春.長短樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.北方交通，2012 (1):36-38.

［3］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］葛忻聲，龔曉南.長短樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算方法的探討［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2002，32(7):3-4.

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［6］國家鐵路局.TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2015.

Technology of subgrade's foundation treatment by combined piles in Xinping section of Xi'an-Baoji high speed railway

ZHANG Huaying
(China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

T he X ingping section on X i'an-Bao ji high speed railway，laying on the second terrace of western W eihe p lateau，faces the challenge o f subgrade settlem en t，as the collapsible loess and saturated loess com pose the upper layer，w hile sand and gravel soil form the low er layer.T he shallow groundw ater depth and a m axim um filling heigh t of 8 m further pile on the treatm en t task.T he paper com pares the available schem es and p roposes the com bined pile foundation as a preferable solution.It en tails the designing concep t and calculation approach，and on this basis，carries ou t settlem en t observation，dynam ic detection and operation experim ent to prove its validity.T he results show that the schem e effectively controls the settlem ent，creating an enabling environm en t for ballastless-track pavem en t.Com pared w ith w idely-app lied single-pile foundation，this cost-effective solution helps enhance the bearing capacity o f the foundation and brings settlem en t under con trol.

Subgrade;Com bined pile;Foundation treatm en t;Settlem ent

TU472

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.27

1003-1995(2015)06-0105-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-10-20;

2015-04-30

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G003-F)

張華瑩(1971—)，女，陜西西安人，高級(jí)工程師。