客運專線鐵路軟土地基加固處理方案選擇與設計

張利國

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

軟土是指近代水下沉積的飽和松軟的黏性土,一般的把天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的細粒土判定為軟土,包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等。軟土天然含水量等于或大于液限,一般大于40%,最高可達90%,孔隙比大于1。其壓縮性高,壓縮模量一般在1～5 MPa。軟土因其承載力很低,并且在上部施加荷載后會產生較大的沉降變形,所以在修筑路堤之前要進行適當的處理，方能滿足鐵路客運專線路基的設計要求。

由于客運專線對沉降變形的苛刻要求,在初步設計之前的勘察選線中,對于深厚軟土地段首先要進行選線研究和路改橋的技術經濟比較,在進行綜合比較中選擇地基處理方案。而在線位相對確定的條件下,地基處理方案的選擇又直接受地質條件、軟土的性能及工程變形要求決定。

2 軟土地基加固處理方案的選擇

選擇加固處理方法時,必須查明地形和地質條件,根據路堤高度、填料及工期結合路基穩定及變形控制要求,同時綜合考慮施工條件、周圍環境等諸多因素選擇技術可行,而且經濟適用的方法。

地層條件及土性參數是選擇地基處理方案的首要依據,首先根據地層條件和處理深度,地基處理分為淺層處理和深層處理兩種。淺層處理主要包括換填、壓實或夯實、風干、拌填混合材料及鋪設土工材料等,用于處理埋藏淺、厚度小的軟土層。實踐證明,淺層軟基處理的設計和施工都較易操作,處理效果也容易保證。

深層處理主要采用排水固結法和復合地基法,由于鐵路客運專線對路基變形控制的要求十分嚴格,多采用復合地基處理方法。

深厚軟土地基加固深度應穿透軟土,避免懸浮樁。加固樁型可采用預制樁及加固土樁,軟土地基CFG樁質量控制較為困難,應慎用；粒料樁變形相對較大,一般所需工期較長,在客運專線鐵路中應用較少。

預制樁加固地基一般應設置筏板基礎或設置樁帽結構以利樁身能力發揮。筏板結構一般應設置0.1～0.3 m厚褥墊層以保證各樁受力及變形協調。樁帽的設置有利于土拱的形成,其上一般設置墊層加筋結構。

加固土樁技術近年來在我國獲得長足發展,多向攪拌技術的發明和摻砂技術的采用解決了樁體強度控制和提高技術難題,為加固土樁的廣泛應用提供了良好的支撐。加固土樁樁頂一般設置墊層加筋結構以調整樁土受力。

3 軟土地基加固方案設計

軟土地基加固方案設計一般步驟：

(1)根據地質勘察報告,確定樁間土承載力；

(2)根據地質勘察報告,確定樁端持力土層,初步確定樁長,并計算單樁承載力；

(3)根據施工工藝,確定樁徑；

(4)計算不同樁間距時的復合地基承載力；

(5)根據復合地基承載力要求確定樁間距；

(6)計算復合地基變形；

(7)判斷變形是否滿足要求(如不滿足,需調整樁長與樁間距)。

復合地基設計中幾個重要設計參數的確定。

(1)樁型選擇：一般根據地層地質條件及施工機械情況通過經濟技術比較確定,軟土地區宜優先采用質量易于控制的預制樁加固方案。

(2)樁長：應根據上部結構對承載力和變形的要求通過計算確定樁長,并宜穿透軟弱土層到達承載力相對較高的土層,在深厚軟土層中應避免采用“懸浮”樁。

(3)樁徑：一般采用500 mm,或通過經濟技術比較確定。

(4)樁間距：樁間距的大小取決于設計要求的復合地基承載力和變形。一般設計要求的承載力大時,間距取小值,但必須考慮施工時相鄰樁之間的影響,就施工而言希望采用較大樁距,因此應綜合考慮。

(5)墊層厚度：一般采用0.4～0.6 m。

4 復合地基變形檢算

客運專線鐵路軟土路基設計時,沉降檢算是一個十分關鍵的環節。由于客運專線鐵路路基沉降控制標準高,地基處理多采用CFG樁、管樁、灌注樁等半剛性或剛性樁進行加固。按復合地基,荷載通過基礎將一部分荷載直接傳遞給地基土體,另一部分通過樁體傳遞給地基土體。在荷載作用下,增強體與天然地基土體通過變形協調共同直接承擔荷載作用是形成復合地基的基本條件[1]。圖1反映的是目前客運專線路基沉降控制中常采用的的幾種地基加固形式情況。

圖1 客運專線路基地基加固常用形式

在路堤荷載作用下,剛性筏板基礎可以保證樁和土共同直接承擔荷載,可更充分發揮樁的承載潛能,如圖1(a)所示。為了保證樁和樁間土共同承擔荷載,可在剛性筏板基礎下設置一定厚度的柔性墊層,通過柔性墊層的協調,可以減少樁土荷載分擔比,充分發揮樁間土的承載潛能,如圖1(b)中所示。還可在路堤下直接設置碎石加筋墊層來提高樁土荷載分擔比,在京滬高速鐵路設計中在樁頂加帽使樁的承載潛能得以更充分的發揮,如圖1(c)所示。加固樁采用CFG樁、低強度素混凝土樁、預制管樁、鋼筋混凝土灌注樁。

地基沉降一般采用分層總和法計算,對于飽和土地基按照太沙基固結理論進行計算,對于非飽和土地基按照《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2002)[2]進行計算,復合地基加固下臥層沉降計算時應考慮應力擴散影響,對于地基土層沉降變形完成時間,采用理論分析(包括規范經驗)和施工時現場實測的方法,通過精確的沉降觀測來推算。目前設計多采用復合模量法或樁基方法疏樁理論進行沉降計算。

4.1 天然地基的沉降計算

天然地基的總沉降量一般情況下可由瞬時沉降與主固結沉降之和計算。此外,對于泥炭土、富含有機質土和高塑性黏土地層,可視情況考慮計算次固結沉降。地基的總沉降除了按前述的分瞬時沉降、主固結沉降、次固結沉降3部分計算,也可以采用沉降系數與主固結沉降計算。計算過程可參考相關手冊。

4.2 復合地基變形計算

(1)直接計算法

式中S——復合地基最終沉降量，mm；

ψ——復合地基沉降折減系數；

P0——對應于荷載標準值時的基礎底面處附加壓力，kPa；

αh——基礎底面至復合地基底面平均附加應力系數；

h——由基礎底面算起的復合地基的厚度，m；

Esp——復合地基變形模量，MPa,可由載荷試驗直接測得。

當復合地基的厚度小于地基壓縮層厚度時,應同時計算下臥層變形。

(2)復合模量法

復合模量法是通過復合求和計算,由樁與土的模量求出復合地基的模量,再按直接計算法求復合地基變形

Esp=mEp+(1-m)Es

式中Ep——樁的變形模量或壓縮模量；

Es——天然地基的變形模量或壓縮模量；

Esp——樁土復合體的模量；當Es為變形模量時,復合后的Esp亦為變形模量,當Es為壓縮模量時,復合后的Esp亦為壓縮模量。

m——置換率(以小數表示)。

(3)沉降折減法

利用沉降折減法需先根據樁間土的變形參數,按天然地基計算其最終沉降量S0,折減系數可根據沉降觀測資料對比確定,也可按下面的計算式求出

S=βS0

式中S0——與樁間土同性質的天然地基最終沉降量；

β——沉降折減系數,0<β<1；

n——樁土模量比,由試驗測定,也可以參照當地或類似試驗工程的試驗資料確定。無資料時,對于粒料樁地基可取2～5,對于加固土樁地基可取3～6,當樁底土質好、樁間土質差時取高值；否則取低值。

4.3 地基沉降計算

一般情況下,水泥土樁、CFG樁加墊層、CFG樁帶帽加墊層、剛性筏板基礎下加柔性墊層等均可以按復合地基進行沉降檢算[4～5]。但當加固樁采用預制管樁或鋼筋混凝土灌注樁等剛性樁時,宜按復合樁基進行沉降檢算。

地基的沉降包括加固區的變形和下臥層的沉降兩部分。加固區的變形計算根據不同的地基處理措施選擇不同的方法,下臥層的沉降按照天然地基的沉降計算方法進行計算。當檢算結果不滿足設計要求時,要根據路基沉降控制分析結果調整設計方案。

5 實例

(1)工程概況

某客運專線軟土路基地段位于東北沿海地區,地層為素填土、黏土、粉質黏土、粉土、淤泥、淤泥質粉質黏土、粉質黏土和粉砂。其中,淤泥,褐灰色,流塑,呈透鏡狀分布,層厚0.50 m；淤泥質粉質黏土,褐灰色,流塑,呈透鏡狀分布,層厚0.7～3.10 m。淤泥和淤泥質粉質黏土為軟土。

本段路基填高6 m,基底寬度為32 m,路堤基床表層填筑級配碎石,厚0.4 m；基床底層及以下填筑A、B組土。路堤兩側采用拱形骨架護坡結合種紫穗槐防護。基底采用樁基加固。基床底層施工完成后,實施堆載預壓。路基橫斷面設計如圖2、圖3所示。

圖2 樁網路基標準橫斷面形式(A斷面)

圖3 樁板路基標準橫斷面形式(B斷面)(單位：m)

(2)路基加固沉降檢算分析

按《客運專線無砟軌道鐵路設計指南》[6]的相關規定,路基工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15 mm；沉降比較均勻、長度大于20 m的路基,允許的最大工后沉降量為30 mm,并且調整軌面高程后的豎曲線半徑應能滿足下列要求

式中Rsh——軌面圓順的豎曲線半徑，m；

Vsj——設計最高速度，km/h。

對不同樁型復合地基分別采用理正軟件、復合地基沉降計算模板進行計算。根據本地區工程特點,計算主要參數選取如表1所示。

表1 主要計算參數

檢算結果顯示：攪拌樁、砂漿樁、旋噴樁復合地基均不能滿足變形要求,考慮工前已完成總沉降的50%～70%,采用CFG樁復合地基的沉降控制即可達到設計要求。見表2。

表2 不同樁型沉降檢算結果

路基沉降在橫斷面方向一般表現為“鍋底”狀,其中心區域沉降明顯大于兩側坡腳。根據京津城際鐵路的監測結果,在樁頂設置剛性筏板可以大大平緩這種不均勻沉降,同時使工后沉降也有所減少[7]。因此,在客運專線軟土路基設計中可優先考慮樁板形式。

(3)樁型及路基結構形式選擇

經計算和技術經濟比較,本段路堤基底最終采用CFG樁加固,樁徑0.4 m,縱向間距1.5 m,橫向間距1.20～1.50 m,樁長25～27 m,樁頂設置0.15 m厚的碎石墊層,碎石墊層頂設置厚0.5 m的C30混凝土板,基床底層施工完成后,實施堆載預壓。通過沉降觀測變形來看,地基加固處理達到了設計的預期效果。

6 結論

選擇地基處理方案時要做到因地制宜,根據地層條件、施工條件和工程技術要求來綜合確定。首先考察地基條件的適宜性,軟弱層淺埋地段,可采用換填法,對于深厚松軟土路段則適宜采用復合地基,重點在于樁型、樁徑、樁長及樁間距的優化選擇。

水泥土樁、CFG樁、低強度素混凝土樁復合地基在內陸盆地及東北部沿海地區的軟土處理有很強的適應性,在京津城際和京滬高速鐵路的路基設計中,采用樁上剛性筏板和樁帽在地基加固及變形控制方面取得了良好效果。當采用預制管樁或鋼筋混凝土灌注樁等剛性樁時可使路基變形得到更充分的控制。

在軟土地基加固處理設計中不僅要遵循一般規律,而且要重點考察當地的特點和工程的具體要求,使各項參數的選取符合當地的實際。有必要進行經濟條件下的方案比較,使設計指標在經濟技術條件下都達到最優。

[1] 龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社,2002．

[2] GB50007—2002,建筑地基基礎設計規范[S]．

[3] 屈曉輝,崔俊杰.客運專線鐵路路基設計技術[M].北京：人民交通出版社,2008．

[4] 鄧躍光,黃榮.CFG樁復合地基的原理和設計[J].地質災害與環境保護,2002(3)：69-72．

[5] 丁桂伶,王連俊,劉升傳.柔性基礎下褥墊層厚度對帶帽CFG樁符合地基特性分析[J].巖土工程學報,2009,31(7)：997-1001．

[6] 鐵建設函[2005]754號,客運專線無砟軌道鐵路設計指南[S]．

[7] 崔維孝,趙成剛.深厚壓縮層地基條件下路基沉降控制[J].鐵道工程學報,2007(12)：28-31．