擠密樁復合地基在濕陷性黃土地基處理中的應用

劉好正

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

鄭西客運專線是我國中長期鐵路規劃中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%區段為黃土覆蓋,其中濕陷性黃土區段約占線路總長的65%,濕陷性黃土地基處理技術是全線最大的技術難題之一。

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力作用下受水浸泡時,將發生急劇而大量的附加下沉[1]。

1 擠密樁復合地基加固機理

擠密樁復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時的側向擠密作用,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合地基；通過樁頂褥墊層內土工格柵使上部附加應力分布更為合理,地基的沉降變形更為協調。擠密樁加固地基的機理如下。

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的土在水平各個方向產生位移,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力,消除了持力層內大量的壓縮變形和濕陷變形的不利因素。

1.3 化學作用

擠密樁分為灰土擠密樁和水泥土擠密樁兩種。灰土擠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,對周圍土體產生進一步的擠密作用；并且由于放熱作用使土體中部分水分蒸發,加速土體的固結過程；同時生成的因飽和沉淀形成膠體,經過再結晶后構成合成體與土體間緊密膠結而產生較高強度,因而提高了復合地基承載力。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生反應,周圍水溶液逐漸達到飽和,水分子繼續深入顆粒內部但生成物已不能溶解,只能以細分散的膠體析出,懸浮于溶液中形成膠體,從而提高地基承載力。

1.4 “樁-網-土”共同作用

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

2 擠密樁復合地基設計和計算

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,則要達到地基處理效果樁數會增加很多,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計原則》對擠密樁樁徑作出如下一般規定：擠密樁處理深度不超過12 m時,擠密孔直徑0.35～0.45 m,不設預鉆孔；擠密樁處理深度12～15 m時,擠密樁直徑(D)0.5～0.6 m,需設預鉆孔,預鉆孔(d)直徑0.25～0.3 m；當加固深度大于15 m時,應采用柱錘沖擴(孔內強夯)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,樁距設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到一定的平均密實度,而且使單樁承載力滿足設計要求。樁間距(S)在設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；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 復合地基承載力確定

擠密樁復合地基承載力施工過程中通過多樁復合地基載荷試驗確定,設計時需要按下式進行估算并指導施工檢測參照

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為水泥土無側限抗壓強度；η為樁身強度折減系數；ζ為樁間土承載力提高系數；β為樁間土承載力折減系數；Up為樁周長；Ap為樁截面積；li為樁長范圍內第i層土厚度；qs、qp為樁側阻力、端阻力；α為樁端土承載力折減系數。

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準50 mm,無砟軌道工后沉降不超過扣件允許的沉降調高量15 mm,因此無砟軌道部分路基設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。它包括加固區沉降量S復合及加固區下臥層沉降量S下

S總=S復合+S下

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

S下=∑(S1+S2+…+Sn)

計算深度至附加應力為自重應力的0.1倍處。

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

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為沉降計算經驗系數,無地區經驗時參照《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025—2004)表5.6.2取值。

加固區復合地基模量Espi計算時,將復合地基加固區看做一個整體,采用置換率加權模量作為復合模量,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,地形平坦開闊,辟為旱地,發育少量黃土沖溝,溝深多在6～8 m,溝壁陡直。根據2004年定測地質鉆孔揭示地層為：Q3al+pl砂質黃土,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；經過多個鉆孔取樣進行濕陷性試驗,濕陷性黃土層厚度10.0～12.0 m,自重濕陷系數δsz=0.015～0.097,濕陷系數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。物理力學指標如下：

(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 地基處理設計計算

3.2.1 加固措施選擇

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

3.2.2 擠密樁樁間距選擇

根據2.3公式進行擠密樁樁間距計算。經計算，擠密樁樁間距應小于1.19 m,設計中樁間距選用1.1 m。

3.2.3 沉降計算

根據2.5所列公式進行復合地基模量計算和工后沉降計算，如表2、表3所列。

表2 復合地基模量計算

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無砟軌道部分地基處理采用水泥土擠密樁復合地基，站線采用灰土擠密樁復合地基對濕陷性黃土地基進行處理。具體工點設計措施如下。

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排水溝外側邊緣以外。

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,按正三角形進行布樁,橫向加固范圍至路堤兩側排水溝外側邊緣以外。

水泥土擠密樁的強度要求室內無側限抗壓強度不小于3 MPa,現場載荷試驗單樁承載力不小于194.39 kN,復合地基承載力不小于317.17 kPa(其中橋路過渡段復合地基承載力不小于393.80 kPa)。灰土擠密樁采用“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平均壓實系數λc不小于0.96。

擠密樁采用預鉆孔法,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,樁頂墊層內鋪設一層復合土工膜,設4%的橫向坡將滲水引到路基范圍外。

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

工點設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 復合地基施工

4.1 施工準備

施工前對地下水位和地基土的含水率分段進行測定驗證,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,則需進行變更設計。

選點進行成孔、夯填和擠密效果試驗,試驗結果顯示：水泥摻入比12%、“三七”灰土可滿足設計水泥土擠密樁和灰土擠密樁的設計要求,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,原設計灰土擠密樁不滿足《建筑地基處理技術規范》(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、塌孔現象普遍。為解決以上問題,由施工、設計、咨詢和建設單位共同研究決定：對于原設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過大工后沉降影響路基上部結構,將地基處理措施改為水泥土擠密樁；采用洛陽鏟預鉆孔(φ250 mm)再錘擊沉管(φ500 mm),成孔順序嚴格按照從路基中間向兩側間隔2孔進行。改變處理措施和工藝進行施工后,檢測結果滿足設計要求。

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提升式夯實機,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。成樁后樁頂高于設計高程150 mm部分鏟除平整。

一個施工區間成樁達到齡期進行復合地基承載力和單樁承載力試驗,滿足設計要求后,進行灰土墊層施工。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,避免刺破或機械碾壓造成土工格柵破壞。

復合土工膜在灰土褥墊層中鋪設,位于墊層中兩層土工格柵之間,鋪設時由路基中心向路基外設4%的流水坡度。復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

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

5.1 觀測點布置原則

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

觀測斷面,在線路中心線布設一組沉降板,沉降板分別埋設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處埋設一個沉降板,路肩兩側布設變形觀測樁。如圖2所示。

圖2 沉降觀測斷面觀測標志布置示意

5.2 觀測資料整理

根據觀測資料,及時完成有關圖表的繪制,主要包括：

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

圖3 沉降與時間關系曲線

圖4 Σsn-Σ(sn+sn+1)曲線

5.3 評估標準

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

5.4 沉降觀測評估結果

根據沉降觀測數據進行曲線擬合,采用雙曲線法、三點法、指數曲線法及星野法可以得出沉降預測數值,一般采用雙曲線法。

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

圖5 沉降觀測曲線

6 結論及建議

根據沉降評估結果,該段路基預測的工后沉降量均滿足小于15 mm的設計要求。

經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。

擠密樁復合地基處理濕陷性黃土地基,成本低、環境污染小、承載力高,并且質量容易控制。

擠密樁復合地基在鄭西客運專線設計、施工中積累了豐富的理論基礎和成熟的施工經驗,對于濕陷性黃土地區工程建設具有重要的指導意義。

目前在包括鄭西客專的高速鐵路、客運專線車站設計時,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構上是不可分割的整體,處理措施的較大差異將為上部結構的不協調變形埋下隱患。因此,建議對于上部結構屬于不可分割的整體構筑物進行地基處理時,其處理措施盡量保持協調一致,為工程的長久正常使用打下堅實的基礎。

[1] 喬平定.黃土地區工程地質[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理和影響因素[J].武漢科技大學學報,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用[J].鐵道建筑,2008(2).