某車站軟土地基處理

易菊香 黃新文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程概況

該鐵路技術標準：國鐵Ⅰ級,雙線,設計速度目標值為120 km/h,客貨共用(以貨為主)。軌道類型：重型(60 kg/m),無縫線路,預留特重型軌道條件。該車站位于山西省某縣,橫斷面布置2～6股道,填土高約6～12 m,DK486+575～DK487+654段約1 097 m分布著較厚軟土,地下水埋深較淺,需進行地基加固處理。

2 工程地質特征及水文地質條件

2.1 地形地貌

地貌單元屬山前平原地段,場地地形較為平坦,局部陡坎發育，大部分開辟為耕地,種植玉米等農作物,局部為林地,覆蓋率約95%。

2.2 水文地質條件

地下水主要為第四系松散巖類孔隙水及少量基巖裂隙水,水位埋深約1.0 m。根據水質分析報告,地下水為HCO3-Ca型水,地表水為HCO3-SO4-Ca型水。根據《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》(鐵建設[2005]157號)：場區內的地表水及地下水對鋼筋混凝土不具侵蝕性。

2.3 地震動參數

根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB18306—2001),本區地震動峰值加速度0.05g,地震基本烈度Ⅵ,動反應譜特征周期0.45 s。土壤最大凍結深度0.55 m。

2.4 地層巖性

(1)第四系上更新統湖積淤泥(Q3l)：灰黑色,流塑,σ0=30 kPa,Ⅱ級普通土；

(2)第四系上更新統湖積粉質黏土(Q3l)：黃褐色,硬塑,σ0=150 kPa,Ⅱ級普通土；

(3)第四系上更新統湖積淤泥質粉質黏土(Q3l)：灰黑色,軟塑,σ0=90 kPa,Ⅱ級普通土；

(4)第四系上更新統沖洪積粉土(Q3al+pl)：黃褐色,飽和,中密,σ0=150 kPa,Ⅱ級普通土。

3 軟土地基處理原則

軟土的抗剪強度由兩部分組成：軟土本身所具備的天然強度；軟土在上部附加荷載作用下產生的固結強度。在軟土天然地基上,填土產生固結,考慮填筑臨界高度及固結增長的地基強度,通過固結系數計算固結度。軟土路基應進行穩定和沉降檢算,復合地基法采用圓弧法檢算,軟土路堤的穩定安全系數按雙線雙荷考慮時不應小于1.15；不考慮軌道及列車荷載時最小穩定安全系數Kmin≥1.20；考慮軌道及列車荷載時Kmin≥1.15；有運架梁作業時Kmin≥1.05。軟土地基底部存在斜坡時,應檢算路堤沿軟土底部滑動的穩定性,復合地基法應按《建筑地基處理技術規范》進行單樁承載力及復合地基承載力估算。

(1)對深度小于3.0 m的淺層軟土,采取挖除換填滲水土處理。

(2)對處理深度大于3 m的軟土地基,一般采用攪拌樁復合地基加固,當地基夾有較厚硬層,多向水泥攪拌樁施工困難時,可采用CFG樁復合地基加固。

4 地基處理分析

4.1 固結度分析

采用規范平均固結度法計算,多級加荷固結度修正時的荷載增量定義為:填土高×容重。

4.2 穩定性分析

采用有效固結應力法計算穩定；加載與路堤竣工的間隔時間為6月；不考慮地震力；自動搜索最危險滑裂面。條分法的土條寬度為1.0 m,搜索時的圓心步長為1.0 m,搜索時的半徑步長:0.5 m。超載產生的地基附加應力采用虛擬三角菱體法；采用有效固結應力法計算穩定；考慮固結引起C值的提高。

考慮固結時路基穩定性計算

(1)

式中Si=Wdicosαitanφqi+cqili；

ΔSi——由于固結增長的地基強度,ΔSi=WtiUicosαitanφgi；

Wdi、Wti——當第i土條的滑裂面處于地基內時,分別為滑面以上該土條中的地基自重及路堤自重；

li——第i土條底滑面的長度/m；

cqi,φqi——當第i土條的滑裂面處于地基內時,分別為該土條所在土層的快剪黏聚力及快剪內摩擦角；

αi——第i土條底滑面的傾角；

Ui——地基平均固結度；

φgi——第i土條所在土層的固結快剪或三軸固結不排水剪的內摩擦角/(°)；

PT——各土條在滑弧切線方向的下滑力的總和。

4.3 沉降分析

對超過兩線的斷面變形計算時,只計正線雙線荷載；對雙線斷面檢算時只計一線荷載。采用經驗系數法計算地基總沉降,壓縮模量法計算主固結沉降,超載產生的地基附加應力采用虛擬三角菱體法。沉降計算的分層厚度為0.5 m,壓縮層厚度判斷應力比為20.0%。按多層土實際容重計算基底壓力,復合地基樁身壓縮量法計算加固區主固結沉降,計算時考慮彌補地基沉降引起的路堤增高量；工后基準期起算時間:最后一級加載(路面施工)結束時。

復合地基的總沉降量計算

S=ms(S1+S2)

(2)

式中S1——加固區沉降量/m；

S2——下臥層沉降量/m；

mS——沉降經驗修正系數,與地基條件、荷載強度等因素有關,根據地區沉降觀測資料及經驗確定。

對于軟土地基,其值可取1.0～1.2；對于非軟土地基,可根據區域工程經驗取值；對于黃土地基,可參照現行國家標準《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025)有關規定選取。

地基工后沉降量按下式計算

Sr=S-ST

(3)

式中Sr——工后沉降量/m；

S——最終沉降量(或稱總沉降值)/m；

ST——上部建筑物竣工或路基竣工鋪軌完成已經發生的沉降量(或稱施工期沉降)/m。

5 地基加固措施

首先檢算天然地基穩定及沉降是否滿足要求,若不滿足則考慮地基加固。若斷面穩定性不滿足,則采用鋪兩層土工格柵和多向水泥攪拌樁一起加固,樁長進入切深以下2.0 m,且進入硬層0.5 m。檢算后若沉降不滿足要求,則采用CFG樁加固,樁長進入硬層2.0 m，再檢算采用復合地基加固后邊坡穩定性及地基沉降。

以DK486+900斷面為例進行檢算,布置6股道,Ⅰ、Ⅱ線為正線、Ⅲ、Ⅳ線為聯絡線,路堤填高11.27 m,填土重度為19 kN/m3,黏聚力為20 kPa,內摩擦角為25°,本站場列車和軌道荷載換算土柱高度為3.2 m、寬度為3.7 m。

本斷面布置6股道,左側邊坡穩定檢算考慮四荷超載,沉降檢算考慮正線Ⅰ、Ⅱ線荷載,荷載布置見表1，地層信息見表2。

表1 荷載布置及選取

表2 地層信息

5.1 天然地基檢算

考慮超載時穩定計算結果，沉降隨填土厚度及填土附加荷載作用時間的曲線見圖2、圖3；考慮沉降完成比例，根據模量當量值按地基規范GB5007—2002表5.3.5的沉降計算經驗系數知：最終地基總沉降為 0.4×1.062×1.429=0.61 m;滑動圓心=(9.899,12.044) m,滑動半徑=17.243 m,滑動安全系數為0.483,不滿足本線穩定、沉降要求,需要加固。

圖2 天然地基施加超載時刻穩定計算(單位：m)

圖3 天然地基填土-時間-沉降曲線

5.2 復合基地處理

因站場股道多，斷面最寬約70 m,若全斷面采用多向水泥攪拌樁加固,則造價太高。通過檢算,考慮坡腳不穩定范圍內采用多向水泥攪拌樁及兩層土工格柵增強穩定性,路堤正下方范圍采用CFG樁加固控制地基沉降。

(1)多向水泥攪拌樁加固

不考慮軌道及列車荷載時最不利滑動面:滑動圓心=(4.217,16.748) m,滑動半徑=21.946 m,滑動安全系數=1.329>1.2,滿足要求。

鋪兩層土工格柵,離地高度分別為0.2 m、0.3 m,筋帶力作用于切線方向,設計拉力110 kN。考慮超載時穩定檢算結果見圖4。滑動圓心=(5.422,17.478) m,滑動半徑=22.674 m,即滑面切深7.2 m,滑動安全系數：1.152>1.5。因本斷面地層埋深8.2～14.3 m為軟土,其下為硬層,則多向水泥攪拌樁進入硬層0.5 m,即采用樁長14.8 m,間距1.1 m。多向水泥攪拌樁體抗剪強度為300 kPa,樁身強度大于1.2 MPa,試塊(邊長7.07 cm立方體)標注養護90 d立方體無側限抗壓強度大于1.5 MPa,單樁承載力不小于110 kN,復合地基承載力不小于170 kPa。

圖4 復合地基施加超載時刻穩定計算(單位：m)

圖5 復合地基填土-時間-沉降曲線

圖6 復合地基最終沉降量盆形曲線(單位：m)

(2)CFG樁加固

通過檢算,采用CFG樁加固后地基沉降隨填土厚度及填土附加荷載作用時間的曲線見圖5，最終沉降量見圖6。考慮沉降完成比例，根據模量當量值按地基規范GB5007—2002表5.3.5的沉降計算經驗系數，最終地基總沉降： 0.4×1.062×0.291=0.124 m，小于本線區間沉降要求(0.2 m)。因本斷面地層埋深14.3 m以下為硬層,考慮樁長進入硬層2.0 m,則采用CFG樁長16.3 m,間距2.0 m。樁體抗剪強度為1 000 kPa,樁身強度大于10 MPa,樁體混合料試塊(邊長15 cm立方體)標注養護28 d立方體無側限抗壓強度大于15 MPa,單樁承載力不小于330 kN,復合地基承載力不小于175 kPa。

6 結束語

本車站路基橫斷面布置股道多,軟土分布范圍廣,若單一采用多向水泥攪拌樁加固地基,則超出合理的造價,本文根據車站橫斷面布置及地層情況,通過穩定及沉降檢算分析,考慮軟土在上部附加荷載作用下產生的固結強度增長,采用鋪兩層土工格柵增加穩定力矩，以及在邊坡不穩定范圍內采用多向水泥攪拌樁共同保證路堤邊坡穩定性，在路堤正下方采用CFG樁控制地基變形的復合地基處理方法對軟土地基進行加固,較好的滿足了路堤邊坡穩定性及地基沉降的要求,比全斷面單一采用多向水泥攪拌樁更經濟,比全斷面單一采用CFG樁更合理。

[1]鐵道部第一勘測設計院.鐵道工程設計技術手冊：路基[M].北京:中國鐵道出版社,1995

[2]鐵道部.鐵路工程地基處理技術規程[S].北京:中國鐵道出版社,2010

[3]曾國熙.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1988

[4]楊位洗.地基及基礎[M].北京:中國建筑工業出版社,1998

[5]龔曉南.地基處理新技術[M].西安:陜西科學技術出版社,1997