軟土路堤水泥土攪拌樁設計及整體穩定性分析

彭　琦

(廣州鐵路(集團)公司深圳工程建設指揮部，廣東深圳　518001)

?

軟土路堤水泥土攪拌樁設計及整體穩定性分析

彭琦

(廣州鐵路(集團)公司深圳工程建設指揮部，廣東深圳518001)

摘要:結合珠三角地區河相沉積軟土特性，選取水泥土攪拌樁作為軟基處理方案，通過現場試樁后確定設計、施工等參數，并根據沿線現場地形地貌特征，提出了鐵路設計中和運營后應注意的要點，為今后珠三角地區的軟土地基處理提供參考借鑒。

關鍵詞:水泥土攪拌樁，承載力，穩定性，反壓護道，地基

0　引言

水泥土攪拌樁是利用水泥(或石灰)等材料作為固化劑，通過特制的攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌，由固化劑和軟土間所產生的一系列物理—化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的柱狀加固體樁，并與樁間土組成復合地基，從而提高地基強度和增大變形模量。

水泥土攪拌樁可用于處理正常固結的淤泥、淤泥質土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動地下水的飽和松散沙土等地基。對泥炭土、有機質含量高的淤泥質土、塑性指數大于25的黏性土，以及夾有塊石、較大粒徑的碎石、卵石的地基，應通過現場試驗確定其適用性。水泥土攪拌樁施工前應進行室內配比試驗，選擇滿足設計強度要求的水泥、外摻劑及其摻量，并進行現場試驗或試驗性施工，確定施工工藝及參數。

鐵路路基穩定性驗算分別檢算路堤施工期及鐵路運營期的穩定系數，以運營期的穩定安全系數作為設計指標，以施工期的穩定安全系數作為驗算指標。路堤施工期荷載應考慮路堤自重和運梁車等施工臨時荷載，運營期荷載應包括路堤自重、列車和軌道荷載。

1　工程概況

某珠三角鐵路佛山段工點處于軟基地段，填土高約7 m，位于泛珠江三角洲地區，處于沖積平原地段，以河相沉積軟土為主，局部位于丘間谷地，表層普遍分布河相(局部為谷地相)沉積軟土，局部夾砂或軟土與砂互層，厚度一般為3 m～21 m。沿線地表魚塘、河溝(渠)廣泛分布，養殖業非常發達。

自上而下地層分布為:一般地表零星分布種植土和人工填土，厚0 m～2 m，主要為漁塘塘埂填筑土或挖塘廢棄土;上部地層為淤泥或淤泥質黏土，灰色～灰黑色，流塑～軟塑，主要由粘粒組成，含有機質，具臭味，厚0 m～21 m;中部為軟塑～硬塑黏性土層及中粗砂、礫砂層。下伏基巖以泥質砂巖夾砂巖、泥巖全風化～弱風化地層為主。上部淤泥或淤泥質黏土具有高含水量、高液限、有機質含量高、強度低、欠固結、易壓縮變形等特點。

地下水為第四系孔隙潛水，埋深0 m～3 m，碳化環境作用等級為T2，化學侵蝕環境條件為H1～H2。地表水、地下水對混凝土大部分無侵蝕性，局部存在酸性侵蝕。土層主要物理力學參數指標見表1。

表1　土層主要物理力學參數指標

2　水泥土攪拌樁設計

單樁豎向承載力的計算，按側摩阻力與端阻力、樁體強度計算并取其較小值:

其中，［P］為單樁容許承載力，kN;Pt為樁身水泥土無側限抗壓強度標準值;α為樁底地基土容許承載力折減系數，取0．5;η為樁身強度折減系數，取0．33;qi為樁周第i層土的容許摩阻力，kPa;li為樁周第i層土的厚度，m;qp為樁端地基土容許承載力，kPa;up為樁身周長，m;Ap為樁身截面面積，m2。

經計算，單樁豎向容許承載力值為78 kN。

復合地基容許承載力宜通過復合地基荷載試驗確定，設計時按下式計算:

其中，σsp為復合地基容許承載力，kPa;σs為樁間土天然地基容許承載力，kPa;β為樁間土承載力折減系數，取0．4;m為置換率，一般取10%～20%;A為一根樁所承擔的復合地基面積，m2。

經計算，復合地基容許承載力值為136 kPa。

經工程類比并檢算確定，工程采用的水泥攪拌樁樁徑為0．5 m，樁間距1 m，按正三角形布置，處理深度應穿過軟土層(入中砂層)至少0．5 m，長度8．5 m～9 m，樁頂設置50 cm的粗砂墊層，中間夾50型土工格柵，采用四噴四攪工藝，攪拌樁無側限抗壓強度不小于1．2 MPa，單樁承載力Ra≥78 kN。

現場經過代表性試樁，并按規范進行檢測后，確定采用PC32．5水泥，水泥摻入量為15%(50 kg/m)，水灰比0．55，采用四噴四攪工藝，鉆進速度V=0．7 m/min～1．1 m/min，提升速度V=0．6 m/min～1．0 m/min，送泵壓力0．4 MPa～0．6 MPa。

3　復合地基整體穩定性分析

穩定性分析采用圓弧滑動法進行檢算(見圖1)，穩定系數Fs按下式計算(不考慮固結):

其中，i，j均為土條編號，i表示土條底部的滑裂面在地基土層內，j表示土條底部的滑裂面在路堤填料內;Pt為各土條在滑弧切線方向的下滑力的總和，Pt=∑Wisinαi+∑Wjsinαj;Si為地基土內(AB弧)抗剪力，kN/m，Si=Wicosαitanφqi+cqili;Sj為路堤內(BC弧)抗剪力，Sj=Wjcosαjtanφqi+cqjlj。

本鐵路為Ⅰ級鐵路，設計時速120 km/h，軌道及列車荷載(中—活載)換算土柱查有關鐵路規范得，γ=19 kN/m3時換算高度取3．2 m，分布寬度取3．7 m。

建立計算模型如圖2所示。

圖1　圓弧滑動法計算示意圖

圖2　路堤穩定性分析模型圖

采取自動搜索最危險滑裂面方法進行計算，可得出最危險滑裂面示意圖(見圖3)。

圖3　最危險滑裂面示意圖

由圖3可以看出，軟土路堤加上超載之后，最危險滑裂面貫穿路堤本體中心與攪拌樁外側加固區，滑動安全系數Fs=1．21，滿足《鐵路工程地基處理技術規程》中V≤120 km/h時，路堤穩定安全系數Fs不得小于1．20的要求。

在路堤坡腳兩側設反壓護道，護道單側頂寬度4 m，高度2 m，得出最危險滑裂面示意圖(見圖4)，最危險滑裂面有向下發展趨勢，同時滑動安全系數Fs=1．40，較不設置反壓護道條件下提高較大。

圖4　最危險滑裂面示意圖（加反壓護道）

4　結語

1)佛山段位于泛珠江三角洲地區，處于沖積平原地段，以河相沉積軟土為主，軟土地質條件非常復雜，水泥攪拌樁在進行大規模施工前要選取有代表性的工點進行試驗性試樁，以驗證其適用性。

2)在采用水泥攪拌樁復合地基進行軟土路堤施工中，應特別注重路堤外圍水泥攪拌樁的施工質量，同時加強路堤填筑過程中的質量管理，確保樁底嵌入相對硬層內不小于0．5 m。

3)為保證路堤側向約束條件，確保鐵路路基的穩定，沿線應盡量控制沿線魚塘過量抽水、曬塘、清淤等行為，條件允許的路段應設置反壓護道等措施。

4)在路堤填筑過程中，加強軟土路堤變形監測，嚴格按照有關規范或設計要求進行監測，根據監測結果控制填土速率，必要時應卸載，待穩定后方可繼續填筑。

Analysis on soft embankment cement-soil mixing pile design and integral stability

Peng Qi
(Shenzhen Engineering Construction Administration，Guangzhou Railway(Group)Corporation，Shenzhen 518001，China)

Abstract:Combining with river soft clay properties in Pearl River Delta Area，the paper selects cement-soil mixing pile as soft foundation treatment scheme，determines design and construction and other parameters through in-situ pile testing，and puts forward railway design and operation points according to morphological features，which has provided some guidance for soft foundation treatment in Pearl River Delta Area．

Key words:cement mixing pile，bearing capacity，stability，back berm，foundation

作者簡介:彭琦(1984-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-23

文章編號:1009-6825(2016)01-0157-03

中圖分類號:U416．12

文獻標識碼:A