李 瑞, 李永奎, 徐 宇

(中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司, 四川成都 610081)

0 引言

近年來,隨著城市化建設的持續(xù)發(fā)展,在西南山區(qū),為了新區(qū)建設常提前進行移挖作填平整場地,由于缺乏對填料和壓實度的合理控制,場坪范圍經雜亂無章的回填,形成了雜填土地基。由于雜填土地基物質組成成分復雜、回填時間不一、顆粒大小不均并具有較強的濕陷性,使其力學性質具有較大的離散性和無規(guī)律性,給巖土工程設計和施工帶來了難題[1-2],因此,對于雜填土地基需單獨研究。

目前,國內學者對雜填土地基處理方式的研究文獻較多,周軍紅等[3]研究發(fā)現(xiàn),低能級滿夯、夯實擴底灌注樁以及鉆孔夯擴擠密樁形成的組合型地基處理方式,可應用于坐落在深厚雜填土上高層建筑的地基處理;張峰等[4]研究發(fā)現(xiàn)通過沖擊成孔后插入鋼筋籠,在管內泵壓混凝土的成樁施工工藝,可解決雜填土地基復合地基施工困難的問題;謝劍峰等[5]以某開發(fā)小區(qū)回填面積約11萬m2的大坑為例,通過分區(qū)分層進行普通能級強夯的地基處理方式,利用雜填土成功填筑了深度約30 m大坑;劉波等[6]以位于北京西郊砂石坑內的五環(huán)主路及部分立交匝道工程為例,成功采用了強夯、夯擴樁(渣土等建筑材料)和擠密樁(砂石和碎卵石等)方案對回填厚度 20～30 m雜填土地基進行了加固處理;李浩等[7]以咸陽市上林路K2+420～K2+560段雜填土地基處理為研究對象,采用強夯進行地基加固,強夯后雜填土承載力由80 kPa提升至214.67 kPa,滿足工程對承載力的要求。

綜上所述,雜填土是工程上常接觸的一種特殊土,但不同狀態(tài)、不同地區(qū)的雜填土其力學特性差異較大,對于具體工程需單獨分析,同時,目前對雜填土的研究主要集中在建筑地基處理,對于鐵路地基處理尤其是鐵路邊坡處理形式報道較少。本文以西南某鐵路為例,簡單剖析對于大范圍深厚雜填土的鐵路地基和鐵路邊坡處理方式,其研究成果有利于為類似工程提供設計參考。

1 工程實例

1.1 工程簡介

工程位于四川境內,因場地被大規(guī)模雜填土回填,導致新建某Ⅱ級鐵路需以深路塹的形式穿過約1.5 km長的雜填土范圍,雜填土厚度20～30 m,其中部分段落雜填土范圍的塊石粒徑可達0.5～1.0 m,粗顆粒所占比例高達50%～70%,如圖1所示。本段地震動峰值加速度為0.10g,地震動反應譜特征周期為0.40 s,境內省道、鄉(xiāng)道廣泛分布,交通方便。

圖1 雜填土現(xiàn)狀

1.2 工程地質情況

本工程地質從上到下依次為:雜填土、粉質黏土、砂質泥巖。

(1)雜填土(Q4ml):代表斷面中的地層代號是<2-3>,雜色,成分以泥巖、砂巖碎石為主,碎石、塊石粒徑2～100 cm不等,約占50%～85%,黏性土填充,局部含卵石、建渣;局部以黏性土回填為主,松散、稍濕,級配不良,均勻性差,欠固結土,新近填土,回填時間約1年,承載力特征值70 kPa。

(2)粉質黏土(Q4al):代表斷面中的地層代號是<4-2-1>,灰色,軟塑-可塑狀,含少量砂礫,角礫,切面稍粗糙,稍有光澤,干強度中等,韌性中等,承載力特征值150 kPa。

(3)砂質泥巖(J2s):紅褐色、紫紅色,主要由黏土礦物及少量細砂質團塊或條帶組成,局部細砂質含量較重,泥質結構,泥質膠結,巨厚層狀結構,巖質較軟,巖芯破碎,多呈碎塊狀,少量短柱狀。

1.3 水文地質條件

測區(qū)地表水僅受大氣降雨控制,以蒸發(fā)、下滲和徑流等形式排泄,地表水基本不發(fā)育。測區(qū)地下水主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水2種類型?？紫端饕x存于第四系崩坡積碎、塊石土中,接受地表水及大氣降水的下滲補給,水量小;基巖裂隙水主要賦存于下伏基巖裂隙中,接受大氣降水和上部孔隙水的下滲補給,水量貧乏。

2 地基處理

2.1 地基處理形式介紹

對于厚度較大的地基處理,常用的形式分為散體材料樁、柔性樁和剛性樁。柔性樁代表的有水泥土攪拌樁、旋噴樁;剛性樁代表的有水泥粉煤灰碎石樁;散體材料樁代表的有柱錘沖擴樁。

對于雜填土,由于填料物質不一,其顆粒尺寸相差較為懸殊,顆粒之間的孔隙大小不一,常用的地基處理形式都不適用于雜填土。

根據JGJ 79-2012《建筑地基處理技術規(guī)范》,水泥土攪拌樁適用于處理正常固結的淤泥、淤泥質土、素填土、黏性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細砂(松散、中密)、中粗砂(松散、稍密)、飽和黃土等土層,但不適用于含大孤石或障礙物較多且不宜清除的雜填土、欠固結的淤泥和淤泥質土、硬塑及堅硬的黏性土、密實的砂類土,以及地下水滲流影響成樁質量的土層。

高壓旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質土、黏性土(流塑、軟塑和可塑)、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基,但不適用于土中含有較多的大直徑塊石、大量植物根莖和高質量的有機質,以及地下水流速較大的工程,應根據現(xiàn)場試驗結果確定其適用性。

水泥粉煤灰碎石樁適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結已完成的素填土地基。

柱錘沖擴樁復合地基適用于處理地下水以上的雜填土、粉土、黏性土、素填土和黃土等地基,對地下水以下飽和土層處理,應通過現(xiàn)場試驗確定其適用性,但柱錘沖擴樁處理地基的深度不宜超過10 m。

因此,需根據項目周邊情況合理選取適用于雜填土的地基處理形式,選擇經濟性較好的強夯加固。

2.2 強夯

本工程范圍雜填土適用于強夯地基處理,根據雜填土的深度情況,選取代表性斷面進行工后沉降計算,根據工后沉降計算結果顯示,當強夯影響深度超過8 m時,計算出的工后沉降是10～28 cm,本工程鐵路等級是屬于二級鐵路,工后沉降要求是不超過30 cm,滿足工后沉降要求,因此擬采用強夯處理。

2.2.1 選取夯錘和落距

單擊夯擊能等于錘重與落距相乘,根據工后沉降理論分析,當強夯影響深度超過8 m時,鐵路通過強夯處理后的工后沉降可以滿足規(guī)范要求,基于TB 10106-2023《鐵路工程地基處理技術規(guī)程》,對于粗粒土影響深度超過8 m的強夯能級不小于4 000 kN·m,對于細顆粒土影響深度超過8 m的強夯能級不小于6 000 kN·m。由于雜填土性質不均勻,為了保證處理結果的可靠性,綜合選取強夯的能級為6 000 kN·m。在單擊夯擊能相同的情況下,實踐表明,增加錘重W比增加落距h更有效,但錘重越大,對起吊設備要求越高[8-9]。因此,選取錘重42 t圓形夯錘,落距14.3 m,直徑2.5 m。

2.2.2 夯擊遍數(shù)及次數(shù)確定

夯擊次數(shù)是強夯設計中的一個重要參數(shù)。一般狀態(tài)下,由粗顆粒為主的地基土夯擊遍數(shù)少于由細顆粒為主的地基土,根據日本有關資料,對于粗顆粒(碎石、砂礫)為主的地基土,點夯2～3遍,細顆粒(粉土、黏性土)為主的地基土,點夯3～8遍,點夯完成后采用低能級滿夯。由于本項目的雜填土孔隙較大,承載力特征值80 kPa,初步擬定點夯2遍,每孔點夯8次。

根據JGJ 79-2012《建筑地基處理技術規(guī)范》要求,選取強夯試驗區(qū)范圍30 m×50 m。施工單位根據圖紙對實驗區(qū)進行了強夯試驗,對第一個夯擊點直接夯擊8次,強夯完成后單點總沉降3 128 mm,表明雜填土空隙率很高,采用強夯這種處理方式效果顯著,但第一個夯點最后2夯的沉降量是275 mm,不滿足規(guī)范要求的最后2次夯擊沉降不超過100 mm的要求,而且收斂效果欠佳。分析是因為本工程屬于大范圍人工雜填土,對于單獨的一個強夯點來分析,由于缺少周圍土的有效約束,導致沉降收斂困難。因此對強夯試驗方案進行了調整,即:第一步是按照強夯布置情況,對每個夯擊點進行點夯8次,不關注每個點最后2次夯擊沉降量是否達到收斂要求,使試驗區(qū)整個范圍得到預加固,形成一個較大范圍的加固體;第二步是按照強夯順序,對每個點夯位置進行補夯,補夯點的夯擊數(shù)根據最后2次點夯沉降小于100 mm控制。通過這種強夯方式,每個強夯點后續(xù)補夯3～5次后就達到最后2擊沉降量小于100 mm要求,實現(xiàn)了較好的沉降收斂,經濟性較好,提升了強夯的施工效率(圖2)。

圖2 強夯試驗現(xiàn)場

2.2.3 強夯靜載試驗

強夯施工完成7天后選取強夯范圍3個點進行靜載試驗,如圖3所示。圖4是3個靜載試驗點的p-s曲線圖。根據檢測數(shù)據可知,1號、2號和3號檢測點的p-s曲線近似為直線,1號檢測點荷載最大加載量是303 kPa,累計沉降13.26 mm,最大回彈沉降量1.74 mm,回彈率13.1%;2號檢測點荷載最大加載量是303 kPa,累計沉降13.02 mm,最大回彈沉降量1.50 mm,回彈率11.5%;3號檢測點荷載最大加載量是303 kPa,累計沉降13.36 mm,最大回彈沉降量2.00 mm,回彈率15.0%。強夯試驗段3個點的壓力-沉降曲線呈平緩的光滑曲線,其地基容許承載力按相關變形值確定,即本次試驗的強夯試驗段3個點取s/b(或s/d)等于0.015所對應的壓力,經計算s/b(或s/d)等于0.015時相對沉降量為22.5 mm,地基最大沉降量未達到22.5 mm,所以取3個點的地基承載力取最大加載值的一半,即承載力為151 kPa,達到設計要求的150 kPa。

圖3 靜載試驗

3 邊坡處理

對于雜填土,根據TB10035-2018《鐵路特殊路基設計規(guī)范》對于塊石、碎石類填土邊坡,路塹邊坡坡率宜取1∶1.5～1∶2.0,并設置不小于3 m寬的平臺,大面積填方邊坡采用圓弧法進行穩(wěn)定性分析時,邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不小于1.25。對于雜填土路塹邊坡,為了保證鐵路后期的安全運營,常采用緩邊坡+寬平臺的處理方式。本工程的雜填土具有2個特點:①填土孔隙大,強度低;②填土厚度大,整個鐵路邊坡及鐵路側溝平臺下約18 m范圍均是雜填土?；谝陨显?從鐵路邊坡的安全性以及鐵路塹頂場坪的安全考慮,需對邊坡進行穩(wěn)定性分析。擬采用的處理措施是對邊坡進行一定范圍的翻挖,并對翻挖范圍的基底采用強夯加固,其后是通過分層碾壓并鋪設土工格柵進行回填,形成穩(wěn)固體對邊坡進行反壓,提升整個邊坡的穩(wěn)定性。根據理論計算,翻挖回填15 m可達到設計要求,選取代表斷面,進行邊坡穩(wěn)定性分析,如圖5所示。

圖5 翻挖回填15m代表斷面

采用鐵二院自編的穩(wěn)定性分析軟件進行穩(wěn)定性分析,自動搜索出最危險滑面是安全系數(shù)為0.91,根據滑面入口和出口位置的差異,除去最危險滑面后,還分別選取安全系數(shù)為0.95和安全系數(shù)為1.0的滑面(其中安全系數(shù)為1.0的滑面根據出口位置不同共選擇了2條)進行穩(wěn)定性分析。根據潛在滑面經過區(qū)域與翻挖回填平臺的相對距離發(fā)現(xiàn),潛在滑面經過區(qū)域均在翻挖回填平臺下方5.0 m范圍內。對基底采用6 000 kN·m能級強夯后,根據強夯靜載試驗數(shù)據可知,強夯后雜填土承載力可達到150 kPa。因此對強夯影響深度范圍內的雜填土力學指標進行提高后,分析計算4條滑面在不同工況下的安全系數(shù),計算結果如表1所示。一般工況下均滿足安全系數(shù)不小于1.25的要求,地震工況下均滿足安全系數(shù)不小于1.15的要求,暴雨工況下均滿足安全系數(shù)不小于1.15的要求。

表1 代表斷面穩(wěn)定性分析結果

根據相關規(guī)范要求,填土邊坡一般工況下安全系數(shù)不小于1.25,地震工況和暴雨工況下的安全系數(shù)不小于1.15,因此,通過翻挖回填+地基強夯的組合處理方式,能夠滿足規(guī)范對邊坡穩(wěn)定性的要求,設計圖紙如圖6所示。這一結果表明強夯不僅可以用于地基加固,也可通過提升強夯影響范圍巖土層的力學參數(shù),實現(xiàn)治理邊坡穩(wěn)定性問題。

4 結束語

(1)對于深厚雜填土地基,強夯時通過先對強夯面進行一定次數(shù)的點夯,形成一個整體受力區(qū)域,然后再對單個夯點進行補夯,直至達到最后兩夯沉降小于100 mm的要求;通過這種施工組織,有利于更好、更快地實現(xiàn)沉降收斂,具有較好的經濟性;同時,采用強夯可以將雜填土承載力由80 kPa,提升至150 kPa以上。

(2)對于雜填土深厚路塹邊坡防護,通過對邊坡進行一定范圍翻挖回填,并對翻挖回填的地基范圍進行強夯加固的組合處理方式,可以較經濟的實現(xiàn)對雜填土路塹邊坡的治理;同時,強夯不僅可以用于地基加固,也可通過提升強夯影響范圍巖土層的力學參數(shù),實現(xiàn)治理邊坡穩(wěn)定性問題。