路基填筑引起水泥攪拌樁復合地基變形監測分析

項瑞聰，楊龍才，王炳龍

（同濟大學1. 道路與交通工程教育部重點實驗室；2. 上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海201814）

近年來，我國的鐵路建設取得了跨越式發展。 即便目前大量高速鐵路線路采用“以橋帶路”的形式修建，仍有約30%為路基結構，城際鐵路和客貨共線鐵路更是較多地采用路基形式作為軌下基礎。

同時，我國軟土地區分布較廣，特別是東南沿海地區的軟土強度低，工程性質差。 路基填筑作為一種堆載形式，會引起地基及鄰近地層發生沉降和側向變形，尤其是在軟土地區。 一方面，鐵路路基對沉降控制較為嚴格，為確保列車安全、舒適、平順地運行，路基的工后沉降需控制在較小范圍內。 另一方面，堆載引起的地層側向變形會造成鄰近結構物的樁基產生彎矩和變形，從而影響上部結構的穩定與安全[1-2]，甚至引發工程事故，如：長期堆載引起上海某工業廠房屋頂坍塌[3]、天津中板廠原料車間地面堆載致使廠房的樁基折斷[4]及公路路基填筑引起連云港某互通區跨線橋墩柱偏移事故[5]。 關于土在堆載作用下沉降變形的研究較多，而側向變形相對于豎向變形更為復雜，影響因素多，目前研究不足。

為控制鐵路路基工后沉降和鄰近重要結構物的變形，需對軟土地基進行加固處理，目前水泥攪拌樁較多地應用于加固鐵路軟土路基。 目前關于水泥攪拌樁復合地基沉降特性的研究較多[6-8]，但是路基填筑作用下水泥攪拌樁復合地基的側向變形規律和鄰近地層側向位移場尚不明確，基于控制鄰近結構物變形如何設計水泥攪拌樁加固方案、如何控制路基填筑速率等問題有待進一步研究。

本文依托海積軟土地區新建鐵路路基填筑施工案例，對水泥攪拌樁復合地基的沉降和側向變形開展現場監測并對監測結果進行分析，研究路基填筑作用下水泥攪拌樁復合地基沉降和側向變形特性，確定鄰近地層側向位移場，并為路基填筑速率的控制和水泥攪拌樁加固方案設計提供建議。 本研究可為海積軟土地區鄰近重要結構物的路基填筑工程設計與施工提供有益參考。

1 工程概況

現場試驗段位于浙江省樂清市虹橋鎮境內，周邊地勢平坦，附近多村莊及農田。 該區域含有淤泥質軟土層，含水量較高，壓縮性較強，強度較低，滲透性較差，屬于典型的海積軟土地區，地下穩定水位埋深為0.4～1.0 m。 土體物理力學性質統計如表1。

新建鐵路為Ⅱ級單線有砟鐵路，設計速度為80 km/h。 路基填筑高度為4.8 m，路基面寬度為13.5 m，路基邊坡坡率為1∶1.5。路基填筑采取橫斷面全寬、縱向分層填筑的方式。 填筑區段完成一層卸土后，人工輔助推土機進行攤鋪平整，最后光輪壓路機配合重型振動壓路機碾壓進行填土壓實作業。 地基加固方式為水泥攪拌樁加固，加固設計方案為：樁徑0.5 m，樁間距1.5 m，處理深度約為6 m，穿透淤泥層，水泥摻入比約為15%。 路基及水泥攪拌樁加固方案見圖1。

表1 施工現場巖土參數Tab.1 Geotechnical parameters at construction site

圖1 路基、水泥攪拌樁加固方案及測點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of subgrade, cement mixing piles reinforcement scheme and measuring points layout

2 監測方案

采用分層沉降儀對路基填筑期間復合地基進行沉降監測。 DK50+542 斷面新建路基中心處布設分層沉降監測孔，編號為FCⅠ。

采用QXY600-30 型固定測斜儀對路基填筑期間復合地基及鄰近地層進行側向變形監測。DK50+532 斷面距路基坡腳2.0，7.3，17.3 m 處分別布設3 個測斜監測孔， 編號為CXⅠ，CXⅡ及CXⅢ；DK50+542 斷面距路基坡腳2.0，12.7，17.5 m 處分別布設3 個測斜監測孔，編號為CXⅣ，CXⅤ及CXⅥ。

分層沉降監測共計1 孔，10 測點；測斜監測共計6 孔，32 測點。 監測點布設位置見圖1。

3 監測結果分析與討論

3.1 地基沉降特性

DK50+542 斷面處，路基填筑作用下水泥攪拌樁復合地基沉降沿深度變化曲線見圖2（a），各土層的壓縮量見圖2（b）。 地基總沉降為271 mm，隨著深度增大，沉降和土層壓縮量顯著減小，深度20 m 以下處土體沉降在15 mm 以下。 地基加固區主要為壓縮性較強的素填土和淤泥層， 壓縮量為152 mm， 占總沉降的56.1%；下臥層主要為細圓礫土和含礫粉質黏土，壓縮量為119 mm，占總沉降的43.9%，說明本試驗段水泥攪拌樁復合地基加固區的壓縮變形是構成地基總壓縮變形的主要部分。

圖3 為地基各分層沉降隨加載時間變化曲線，圖4 為深0.18 m 處地基沉降速率隨加載時間變化曲線。地基不同深度處沉降發展規律類似，此處分析DK50+542 斷面深度為0.18 m 處地基，其沉降發展規律可分為4 個施工階段來分析：

1） 路基填筑至0.55 m。 此階段沉降變形和沉降速率均較小，沉降為4 mm，最大變形速率僅為0.2 mm/d

2） 施工間歇期。 此階段沉降仍在增長并逐漸收斂，沉降增長至29 mm，沉降速率較小并逐漸收斂，最大沉降速率僅為0.7 mm/d。

3） 連續填筑期，路基由0.55 m 連續填筑至4.85 m，期間無較長的施工間歇，共計178 d。 隨著路基逐級填筑，沉降隨之增加。 填筑完成時，沉降增長至265 mm。 沉降速率相對較快，最大為2.4 mm/d，平均1.3 mm/d。

4） 路基靜置期。 路基填筑完成后，沉降仍在增長并逐漸收斂，沉降速率很快收斂。 路基填筑完成后第39 d，沉降為271 mm，平均沉降速率僅為0.2 mm/d。

圖5 為水泥攪拌樁復合地基加固區與下臥層壓縮量比值隨加載時間變化曲線。 由圖可知， 當路基填筑至約0.55 m 及后面的間歇期，該比值均保持在0.5 以內，說明當填筑荷載較小時，水泥攪拌樁復合地基的壓縮主要由下臥層的壓縮變形引起。 隨著路基填筑至標高，該比值逐漸增大；填筑完成后該比值基本保持不變，為1.3 左右。說明當填筑至一定高度后，地基加固區的壓縮變形發展迅速，并成為地基壓縮的主要部分。

圖2 DK50+542 斷面地基沉降Fig.2 Foundation settlement of DK50+542 section

圖3 DK50+542 斷面地基分層沉降時程曲線Fig.3 Foundation settlement time-history curve of DK50+542 section

圖4 DK50+542 斷面深0.18 m 地基沉降速率時程曲線Fig.4 Time-history curve of settlement rate of 0.18 m deep foundation of DK50+542 section

圖5 DK50+542 斷面加固區與下臥層壓縮量比值時程曲線Fig.5 Time-history curve of compression ratio of reinforcement zone and underlying layer of DK50+542 section

基于實測數據采用雙曲線法[9]預測路基填筑作用下地基未完成的工后沉降，結果見表2。 經預測，地基在路基填筑完成后發生的工后沉降為9.8 mm，平均沉降速率為9.1 mm/年。 我國《鐵路路基設計規范》（TB 10001-2016）中規定200 km/h 以下的Ⅱ級有砟鐵路的路基工后沉降控制限值為300 mm，沉降速率控制限值為60 mm/年[10]，監測斷面處路基填筑施工引起的地基工后沉降和沉降速率遠小于控制指標。

表2 路基填筑作用下地基工后沉降預測 mmTab.2 Prediction of post-construction settlement of foundation under subgrade filling

3.2 地基側向變形特性

路基填筑作用下水泥攪拌樁復合地基側向變形沿深度變化曲線見圖6。 路基填筑會引起坡腳外地基土向遠離路基方向發生側向變形。 距坡腳2 m 處地表處側向變形約為140 mm，側向變形沿深度變化曲線呈“弓”形，即隨著深度增加，側向變形先增大后減小，最大側向變形發生在地表以下約3 m 處， 位于②2淤泥層中，DK50+532、DK50+542 斷面最大側向變形分別為281 mm 和254 mm。 素填土和淤泥層側向變形顯著，下部細圓礫土層和含礫粉質黏土層側向變形迅速減小。0.6 mm/d，變形速率較小并逐漸收斂。

圖6 地基側向變形量Fig.6 Lateral deformation of foundation

圖7 為地基側向變形隨時間變化曲線， 圖8為地基側向變形速率隨時間變化曲線。 2 個監測斷面不同水平距離處地層側向變形發展規律類似， 此處分析DK50+532 斷面距坡腳2 m 處地基，其側向變形發展規律可分為4 個施工階段來分析：

1） 路基填筑至0.55 m。 此階段側向變形和變形速率均較小，側向變形為4 mm，最大變形速率僅為0.8 mm/d。

2） 施工間歇期。 此階段側向變形仍在增長并逐漸收斂，側向變形增長至13 mm，最大變形速率僅為

3） 連續填筑期，路基由0.55 m 連續填筑至4.8 m，期間無較長的施工間歇，共計184 d。 隨著路基逐級填筑，側向變形隨之增加。 填筑完成時，側向變形增長至266 mm。 變形速率較大，最大為4.6 mm/d，平均1.4 mm/d。

4） 路基靜置期。路基填筑完成后，側向變形仍在增長并逐漸收斂，變形速率很快收斂。路基填筑完成后第60 d，側向變形為281 mm，平均變形速率僅為0.2 mm/d。

圖7 地基側向變形時程曲線Fig.7 Time-history curve of lateral deformation of foundation

圖8 地基側向變形速率時程曲線Fig.8 Time-history curve of lateral deformation rate of foundation

3.3 鄰近地層側向位移場

DK50+532 和DK50+542 斷面相距較近，路基高度和地質條件一致； 因此可將CXⅠ～CXⅥ測斜孔各測點的側向位移繪制入一幅等值線圖中， 得到路基填筑作用下鄰近地層側向位移場，見圖9。 鄰近地層不同水平距離處側向位移沿深度分布規律一致，即先增大后減小，最大值在深度3 m 處。 水平方向上，隨著距離增大側向位移明顯減小， 等值線深度方向上較水平方向密集，可見側向位移在深度方向上較水平方向收斂快。同時可確定該現場工程條件下路基填筑施工引起鄰近地層側向位移的影響范圍， 即路基坡腳16 m 外或深度7 m 以下地層側向位移小于2 cm，可以不考慮路基填筑施工對該區域結構物的影響，路基坡腳7 m 內、深度5 m 以上地層側向位移大于100 mm，受路基填筑施工擾動較大。

3.4 路基填筑速率控制建議

軟土地基上填筑路基需嚴格控制地基穩定性以保證工程安全[11]。 目前我國相關規范[12]采用地基沉降速率10 mm/d、 坡腳側向變形速率5 mm/d 作為控制指標。 地基的變形速率與路基填筑速率有密切關系[13]，為保證地基穩定性需對填筑速率進行控制。

由圖4 可知路基填筑期間地基沉降速率最大值為2.4 mm/d，小于沉降速率控制指標。 由圖8 知兩監測斷面距坡腳2 m 處地基側向變形速率最大值均達4.6 mm/d， 與5 mm/d 的控制指標較為接近。 選取幾個特殊施工節點分析如表3，可見地基側向變形速率不僅取決于填筑速率，還與填筑高度相關，當路基填筑至較大高度時，較小的填筑速率也會引起較大的側向變形速率。

圖9 鄰近地層側向位移場等值線圖（單位：mm）Fig.9 Contour map of lateral displacement field in adjacent strata (Unit: mm)

表3 地基側向變形速率與填筑高度、填筑速率關系Tab.3 Relationship between lateral deformation rate of foundation and filling height and filling rate

由上分析可知，路基填筑作用下水泥攪拌樁復合地基的坡腳側向變形速率較地基沉降速率更接近于控制指標，路基填筑速率的控制應以控制坡腳側向變形速率為主。 地基側向變形速率與填筑速率和填筑高度相關，當路基填筑至較大高度時，應適當降低填筑速率。

3.5 水泥攪拌樁加固方案設計要求及建議

水泥攪拌樁加固方案設計應該基于控制路基工后沉降和鄰近結構物側向變形2 個角度。

路基工后沉降由路基填土壓密下沉、 行車引起的累計塑性變形和地基產生的路基工后沉降三部分組成，截至目前的研究經驗，路基填土壓密下沉、行車引起的工后沉降很小，可不計入路基工后沉降，控制路基工后沉降主要是控制地基的工后沉降[14]。 不同類別的鐵路對路基工后沉降的控制標準不同，我國《鐵路路基設計規范》（TB 10001-2016）中給出了不同類別鐵路的路基工后沉降控制標準，見表4。 可見，在本試驗段的現場施工條件下，該水泥攪拌樁加固方案可滿足各鐵路類別的路基工后沉降的控制要求。

表4 路基工后沉降控制標準Tab.4 Control standard of settlement for post-construction subgrade

當新建路基鄰近變形控制嚴格的結構物時，還需控制路基填筑施工對鄰近結構物的影響。 結合本施工案例和表4，當路基工后沉降控制要求較易滿足時，水泥攪拌樁加固方案的設計應以控制路基填筑施工對鄰近結構物的影響為主，可參考本施工案例中鄰近地層側向位移場（圖9），同時結合鄰近結構物與新建路基距離、結構物的變形控制要求來進行水泥攪拌樁加固方案設計。

4 結論

1） 現場施工條件下，路基填筑引起海積軟土地區水泥攪拌樁復合地基沉降特性為

地基總沉降為271 mm。 隨著深度增大， 沉降和土層壓縮量顯著減小。 地基加固區壓縮量占總沉降的56.1%，加固區與下臥層壓縮量之比逐漸增大，最后穩定在1.3 左右。 路基連續填筑期間沉降速率相對較快，最大值為2.4 mm/d ，路基填筑初期和靜置期的沉降速率很小。 監測斷面處路基填筑施工引起的地基工后沉降和沉降速率遠小于控制指標。

2） 現場施工條件下，路基填筑引起起海積軟土地區水泥攪拌樁復合地基側向變形特性為

坡腳外地基土向遠離路基方向發生側向變形，側向變形沿深度變化曲線呈“弓”形，最大值發生在地表以下約3 m 處淤泥層中，素填土和淤泥層側向變形顯著。 路基連續填筑期間側向變形速率較大，最大為4.6 mm/d，路基填筑初期和靜置期的側向變形速率很小。

3） 得到了現場施工條件下，路基填筑引起的鄰近地層側向位移場，側向位移在深度方向較水平方向收斂快，路基坡腳16 m 外或深度7 m 以下地層側向位移小于2 cm，路基坡腳7 m 內、深度5 m 以上地層受路基填筑施工擾動較大。

4） 路基填筑作用下水泥攪拌樁復合地基的坡腳側向變形速率較地基沉降速率更接近于控制指標，路基填筑速率的控制應以控制坡腳側向變形速率為主。 地基側向變形速率與填筑速率和填筑高度相關，當路基填筑至較大高度時，應適當降低填筑速率。

5） 本施工案例中水泥攪拌樁加固方案可滿足各鐵路類別的路基工后沉降的控制要求， 當路基工后沉降控制要求較易滿足時，水泥攪拌樁加固方案的設計應以控制路基填筑施工對鄰近結構物的影響為主。