鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降計算方法的探討

高繼濤, 丁兆鋒

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降計算方法的探討

高繼濤, 丁兆鋒

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

目前國內規范對鹽漬土天然地基溶陷沉降計算有明確的規定，但對于經有粘結性的樁基加固后的鹽漬土地基，其溶陷變形計算尚無明確規定，也未發現有相關文獻提及，如何計算經樁基加固后的鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降是擺在設計者面前的一個難題。文章基于溶陷變形前后碎石墊層體積不變、鐵路路基溶陷沉降視為整體均勻沉降等假設條件推導出了樁頂不設置樁帽和樁頂設置樁帽兩種情況下的路基溶陷沉降的計算公式，明確了路基溶陷沉降量與樁直徑、樁帽直徑或邊長以及樁間距的辯證關系，并針對某高速鐵路鹽漬土地基工點給出了算例，上述成果可以為設計者提供參考。

鹽漬土地基； 鐵路路基； 樁基加固； 溶陷沉降

鹽漬土是指易溶鹽含量較高，具有溶陷、鹽脹特性的土。修建在鹽漬土地基上的鐵路路基應充分考慮地基溶陷性對鐵路路基沉降的影響。我國西北地區鹽漬土分布較廣，普速鹽漬土鐵路路基在鹽漬土地基上填筑時，通常采用抬高路堤填高、設置隔斷層等以防為主的治理措施，或采用挖除換填、強夯、碎石擠密樁(散體材料)等以降低鹽漬土地基溶陷性為主的地基加固措施。

高速鐵路路基在鹽漬土地基上填筑時，由于其沉降控制要求嚴格，普速鐵路采取的治理措施很難滿足其設計要求，通常需要采用有粘結強度的樁基，如CFG樁、預應力管樁、鉆孔灌注樁等，進行地基加固。目前國內規范對鹽漬土天然地基溶陷沉降計算有明確的規定，但對于經有粘結強度的樁基加固后的鹽漬土地基，其溶陷變形計算尚無明確規定，也未發現有相關文獻提及，如何計算加固后的鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降是擺在設計者面前的一個難題。

1 溶陷沉降計算方法

1.1 鹽漬土天然地基溶陷沉降

根據《鹽漬土地區建筑技術規范》4.2.5條，鹽漬土天然地基溶陷沉降按下式計算：

(1)

式中:Srx為鹽漬土地基溶陷量(mm)；δrxi為第i層鹽漬土的溶陷系數，根據試驗確定；n為鹽漬土地基可能產生溶陷的土層層數；hi為第i層鹽漬土土層的厚度(mm)。

修建在鹽漬土天然地基上的鐵路路基，其工后沉降應計入鹽漬土地基溶陷沉降量，此時工后沉降可按下式計算：

(2)

1.2 加固的鹽漬土地基溶陷沉降

1.2.1 樁頂設置碎石墊層時

鹽漬土地基經有粘結強度的樁基加固后，且樁頂設置碎石墊層時，樁間鹽漬土溶陷沉降將引起路基沉降增加。為了便于計算，忽略一些不必要的細節，基于一定的假設條件，建立簡化的計算模型(圖1)。

圖1 溶陷沉降示意

基于的假設條件如下：

(1)樁間土溶陷空間被樁頂墊層土體填充，變形前后碎石墊層的體積不變。

(2)路基溶陷沉降視為整體均勻沉降。

基于以上假設條件，可推導得出樁頂設置碎石墊層時，路基溶陷沉降計算公式：

(3)

式中：Smax為路基溶陷沉降量(mm);d為樁身直徑(m)；Se為等效樁間距，等邊三角形布樁時Se=1.05S，正方形布樁Se=1.13S；Srx為樁間鹽漬土溶陷量(mm)，按式(1)計算確定。

式(3)表明，路基溶陷沉降除與天然地基溶陷沉降量有關外，還與樁身直徑以及樁間距有關，樁身直徑越大，樁間距越小，路基溶陷沉降量越小。

此時，路基工后總沉降可按下式計算：

(4)

1.2.2 樁頂設置樁帽及碎石墊層時

鹽漬土地基經有粘結強度的樁基加固后，且樁頂設置樁帽及碎石墊層時，樁帽及樁間鹽漬土溶陷沉降將引起路基沉降增加。為了便于計算，忽略一些不必要的細節，基于一定的假設條件，建立簡化的計算模型(圖2)。

圖2 有樁帽溶陷沉降示意

假設條件如下：

(1)樁間土溶陷空間被樁頂墊層土體填充，變形前后碎石墊層的體積不變。

(2)路基溶陷沉降視為整體均勻沉降。

(3)樁帽底土體脫空后，忽略樁帽間的土體對其填充作用。

基于以上假設條件，可推導得出樁頂設置樁帽及碎石墊層時，路基溶陷沉降計算公式：

(5)

式中：a為三角形布樁時，采用圓形樁帽，a為樁帽直徑；正方形布樁時，采用正方形樁帽，a為樁帽邊長(m)；se為等效樁間距，正方形布樁時，Se=S，三角形布樁時Se=1.05S。Srx為樁間鹽漬土溶陷量(mm)，按式(1)計算確定。式(5)表明，路基溶陷沉降除與天然地基溶陷沉降量有關外，還與與樁帽直徑或邊長以及樁間距有關，樁帽直徑或邊長越大，樁間距越小，路基溶陷沉降越小。

2 算例

某時速300km有砟軌道雙線鐵路路基，從干枯的鹽湖通過，鹽湖土層中含有鹽的結晶，特別是表層0.3～0.6m為鹽殼，鹽漬土屬亞硫酸鹽、亞氯鹽～氯鹽漬土，鹽漬化程度中等～強。地表廣泛分布該層，厚度大于70m。地下水位于地表以下3m，穩定水位變化幅度為±2m。段內表層土為粉質黏土和松軟土，根據溶陷試驗粉質黏土的溶陷系數為0.021，雨水浸潤影響土層厚度為4.5m。

本段鹽漬土路基擬采用CFG樁基進行地基加固，如圖3所示，CFG樁直徑為0.6m，樁間距1.6m，正方形布置，樁頂設置0.5m厚碎石墊層或設置邊長為1m的正方形樁帽及0.5m厚碎石墊層。假設不考慮路基溶陷沉降時，路基工后沉降為28mm，分別求解樁頂設置碎石墊層或樁頂設置樁帽及碎石墊層時，該段路基工后總沉降。

圖3 典型斷面示意

2.1 樁頂設置碎石墊層時

樁頂不設置樁帽時，溶陷沉降計算方法參見1.2.1，溶陷土層厚度取為1.581m。

(1)天然地基溶陷沉降：

(2)路基溶陷沉降：

(3)路基工后總沉降：

2.2 樁頂設置樁帽及碎石墊層時

樁頂設置樁帽時，溶陷沉降計算方法參見1.2.2節。

(1)路基溶陷沉降：

(2)路基工后總沉降：

通過計算表明，CFG樁頂僅設置碎石墊層時，路基工后總沉降(容許值為50mm)不滿足設計要求，樁頂設置樁帽及墊層時，路基工后總沉降滿足設計要求。可見，樁頂設置樁帽可有效地減小鹽漬土地基路基溶陷沉降。

3 結束語

鹽漬土地基上修建高速鐵路路基時，路基工后總沉降應計入路基溶陷沉降，普速鐵路采用的加固處理措施很難滿足高速鐵路工后沉降要求，應采用有粘結強度的樁基對鹽漬土地基進行加固。目前國內規范對鹽漬土天然地基溶陷沉降計算有明確的規定，但對于經有粘結強度的樁基加固后的鹽漬土地基，其溶陷變形計算尚無明確規定，也未發現有相關文獻提及，此時，如何計算路基溶陷沉降是一個難題。

本文基于溶陷變形前后碎石墊層體積不變、路基溶陷沉降視為整體均勻沉降等假設條件推導出了樁頂設置墊層和樁頂設置樁帽及墊層兩種情況下的鹽漬土地基溶陷變形的計算公式，上述計算公式原理簡單，使用方便。根據路基溶陷沉降計算公式以及算例計算結果可知，鹽漬土地基鐵路路基溶陷沉降量與樁直徑、樁帽直徑或邊長以及樁間距有關，樁直徑越大、樁帽直徑或邊長越大，樁間距越小，路基溶陷沉降量越小。因此當路基工后總沉降不滿足設計要求時，可通過加大樁直徑、樁帽直徑或邊長，減小樁間距的方式來減小路基溶陷沉降量。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50942-2014鹽漬土地區建筑技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2014：13-14.

[2] 中國石油天然氣集團公司.SY/T0317-2012鹽漬土地區建筑規范[S].北京：石油工業出版社，2012：11-13.

[3] 張洪萍. 鹽漬土的工程性質及防治 [M].北京：國防工業出版社，2012：65-90.

[4] 成佳麗. 鹽漬土地區路基地基處理措施研究[D].西安：長安大學，2012.

[5] 汪為巍, 楊保存, 王榮. 南疆鹽漬土地區城區道路病害規律研究[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(增刊1): 253-258.

[6] 賴天文.內陸鹽漬土地區鐵路路基的CFG樁復合地基試驗研究[D].蘭州：蘭州大學，2012.

高繼濤(1981～)，男，工學學士，工程師，主要從事路基工程設計工作。

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[定稿日期]2016-12-01