高速鐵路路基下伏軟土層復合地基處理技術研究

梁云超、董超月

（中國建筑土木建設有限公司，北京100070）

0 引言

當前隨著經濟的飛速發展，普通的鐵路已無法滿足現階段的社會發展，高速鐵路的發展勢在必行，國家也在積極規劃高速鐵路的建設。而軟土層是高速鐵路建設過程中經常遇到的地質條件，尤其是我國東部沿海地區，軟土分布非常廣泛，但高速鐵路負載很大，軟土層無法對其進行有效承載，易引發路基沉降，進而發生危險，對此各鐵路建設工程人員都在深入研究軟土層復合地基處理技術，為高速鐵路的建設提供非常重要的支撐。

1 軟土層的概念

通常情況下，把含有有機質和礦物質的細粒土，稱之為軟土，其厚度在幾米和數十米之間，通常分布在我國的沿海以及沿湖區域內，在水中沉積而形成的，包括淤泥、泥炭、淤泥質粉土等類型，其特點主要是空隙大、強度低以及含水量高等，無法有效承載較大的壓力。根據其形成原理可以分為四種：其一，濱海沉積，分為濱海相、潟湖相、溺谷相以及三角洲相，重要是臨近海水區域，受到海水、潮汐、波浪、海浪等作用下沉積而成，其土質顆粒微小，孔隙比較大，含水豐富，強度低下；其二，湖泊沉積，從字面意思上可得知其主要是湖泊水中沉積形成，多出現于內陸淡水和咸水盆地，多為粉砂顆粒，具有一定的層理性，但結構松軟，其厚度多為10cm 左右；其三，河灘沉積，其沉積形成是河流所致，由于我國的多數河流受季節影響較大，因此形成情況相對復雜，且成分存在差異，具體的厚度和走向存在一定變化，多是砂石和泥炭組成，厚度則相對較低；其四，沼澤沉積，通常情況下，當地下水或地表水排泄不順暢時，就會在區域內形成沼澤地，長時間就會造成軟土沉積，其特點為位于地表之上，存在淤泥層以及泥炭層等。通常情況下，軟土層的形成多是長時間累積所致，不同的環境下形成的軟土層，其物理特性并不相同，需要對其進行深入的分析，才能設計出合適的處理方案，從而提升路基的承載效果。

2 軟土層地基的危害

現階段我國的高速鐵路速度已經領先于世界，尤其是客運高鐵速度可達380km/h，如此高的運行速度對鐵路路基要求極高，倘若在勘探期間沒有發現軟土層存在，未在施工前進行合理的處理，在施工過程中再對其進行處理，則會影響正常的施工進程，產生較大損失[1]。若沒有針對軟土層進行完善的處理，則會引發工程質量問題，給高速鐵路的運行產生危險。此外，不同類型軟土層，其厚度以及分布也會不同，為勘察人員提供了一定的難度。但是為了高速鐵路的安全運行，需要相關技術人員對沿途進行深入勘察，確定軟土層的詳細情況，同時針對具體的類型進行相應的處理。未對軟土層地基進行有效處理，會導致其無法承受高速鐵路運行過程中的巨大壓力，進而產生流動性，致使路面沉降問題的出現，鐵軌因而出現形變，當列車行駛在此路段上之時，會引發較為嚴重的后果，因此其危害是不容小覷的[2]。

鐵路路堤以及涵洞橋梁軟土路基的危害，高速鐵路路堤雖然不是鐵軌的承載者，但是若未對其軟土路基進行有效處理，會因為高鐵運行的高負荷之下，路堤會出現向外隆起的情況，致使整體的路基出現下陷開裂，影響正常的列車運行安全，嚴重的則可能引發路基坍塌，危害列車運行。當涵洞或橋梁的地基位于軟土層之上時，會導致橋墩下陷以及涵洞墻壁開裂、凹陷等問題，涵洞以及橋梁的主體結構遭受很大影響，無法承受原有的負荷，引發坍塌等問題[3]。

3 復合地基的概念以及特點

將天然地基中的部分土體進行增強或置換，進而形成人工地基。這樣的地基類型就被稱為復合地基，現階段我國的高速鐵路針對軟土層處理的復合地基，主要是采用了樁－網復合地基，其原理是首先在軟土層中設置豎直向上的增強體，此謂“樁”，然后再在軟土層的上部設置水平方向的增強體，此為“網”，如此一“樁”一“網”的結構下，可以增強對路面結構的承載力。不過該方法中的“樁”和“網”并非特指具體的承載結構，而是一系列承載手段的統稱，是一種理念，而且該結構中還有一個不可或缺的主體就是“土”，三者缺一不可。因此無論是設計、施工，都不可忽視這三者的協同作用，只有將三者充分利用起來，才能獲得優良的承載效果，其優點主要有四點：

其一，具有良好的排水、防護等綜合效果。

其二，該方法的運用可提升施工便利性。

其三，可以充分控制該結構的沉降。

其四，降低工程成本。由于樁－網復合地基的眾多優點，令其具有非常廣泛的運用場景，眾多鐵路、公路、堤壩等施工中都運用了該方法，不過該方法的原理相對較為復雜，一些研究尚未成熟，且與設計人員的能力具有很大關系，因此相關技術人員的經驗和理論知識水平，對復合地基的具體效果具有較大影響。

4 高速鐵路路基下伏軟土層復合地基處理技術

4.1 CFG 樁處理方法

當前我國針對軟土層的復合地基處理技術中經常用到的“樁”為CFG 樁，即混凝體類樁，這類樁體的研究是由我國科學研究院提出的，于1988年立項并進行運用，1994年成為全國重點推廣項目，由于其成本低、工期短、便于控制工程質量等優點，被廣泛運用到多種建筑工程中，例如高層建筑、高速公路以及高速鐵路等復合地基建設，其加固機理是利用樁柱特性和擠密雙重作用，首先，CFG 樁體的成分，在承受相應負荷的情況下，其壓縮性要比軟土層小，復合地基的附加應力轉移到樁體之上，有效降低地基沉降問題，而且CFG 樁體的復合地基變形小，促使地基沉降穩定，然后在進行CFG 樁體施工之時，會對周圍的軟土層產生振動和擠壓，從而達到“擠密”的效果，讓其整體效果得到提升，其綜合承載力獲得提升。其次，CFG 樁體施工過程中的排水作用，當樁體在飽和的軟土層施工過程中，沉管和拔管所產生的振動，會讓相應土體產生超孔隙水壓力，改善土層中水含量，提升地基的物理作用，樁體承載力獲得提升。最后是墊層作用，CFG 樁復合地基與傳統的樁基存在不同，傳統的樁基會與土層基礎直接接觸，長期使用之后，會產生一定的沉降，影響其承載力，而復合地基，則擁有顆粒材料組成的散體墊，通過這些材料的流動補償，讓地基土強度獲得補償增強，提升其整體效果。

4.2 置換或灌入固化物處理方法

置換形成復合地基的處理方法，是運用物理性質良好的巖土材料置換掉軟土層中的部分或全部土體，進而促進地基的承載力，降低沉降。該方法的運用主要針對軟土層厚度較低，長度較小者。倘若軟土層的厚度較大，則適用于灌入固化物的方法，該方法是指在軟土層中灌入或拌入一些化學固化漿，例如水泥、石灰等，進而在軟土層中形成增強體，令其擁有良好的承載力，目前純粹的置換和灌入固化物方法已經摒棄，轉而將兩者合二為一，使其得到更加廣泛地運用，且效果較為良好。根據不同的機理，可以將其分為三類。

其一，整體置換和局部置換。倘若地面軟土層擁有良好的平面范圍，且深度和長度符合標準，則可以將其全部挖出，然后整體置換成為其他物理性質良好的土質，局部置換則是將一定深度的軟土層進行挖出，或者進行打樁擠開，然后運用物理性質良好的材料進行填充，進而形成較好的承載力。

其二，靜力置換和動力置換。靜力置換即換填，是將軟土層中的軟土挖掘出來，然后使用品質良好的土質進行回填，而動力置換則是使用夯錘等機械設備將物理性質良好的土質夯入上層地基當中，達到置換的目的，該方法的運用范圍可以是全部或是局部軟土層。

其三，物理置換和化學置換。物理置換下，軟土層僅發生物理變化，例如含水量的減少，減少其流動性，增加承載力量，化學置換，則是利用水泥、石灰等材料，加入軟土層當中，增加其硬度，增強承載力。

4.3 振密、擠密法

通常情況下，針對軟土層所具有的空隙大、流動性良好等特點，可使用振密擠密法，該方法的原理是利用振動或擠壓，讓地基密度升高，進而提升其承載力以及減少沉降，目前運用該方法的處理方式主要有原位壓實法、強夯法、擠密砂石柱以及爆破擠密法等。

其一，原位壓實法是指運用大型壓路設備，在軟土層之上進行反復壓實，將軟土層空隙進行充分減小，增加承載力，這種方法的運用范圍相對較小，主要針對軟土層厚度較小者，且土層位置要高于設計位置。

其二，強夯法則更容易理解，是利用夯實設備反復夯實土層，讓其密度獲得有效提升，這種方法的運用范圍與原位壓實法基本相同。

其三，擠密砂石柱是將砂石柱打入軟土地基當中，利用該柱體擠密軟土層，據我國對該方法的運用中發現，該方法可有效降低原有軟土層的沉降度，適用于要求較高的高速鐵路建設，不過在應用時，需要綜合考慮軟土層情況、施工機械設備以及成樁方法的因素，以防止出現效果不佳的狀況。

其四，爆破擠密法是利用爆破來改變原有軟土層的密度，不過該方法有一定的缺陷，例如具有一定的危險性等，因此該方法已經應用得較少了。

4.4 堆載預壓和排水固結法

傳統的軟土層處理方法就是堆載預壓法，通常情況下是指在軟土層表面，堆填路基材料，經過一段時間的壓載之后，依靠其重力作用，將軟土中的空氣和水分排出，這樣一來軟土的空隙得到減小，水分排出，令其獲得一定的承載能力，不過該方法通常會耗費大量的時間，已經逐漸不適用現階段的高速鐵路施工。因此其運用變得越來越少，但是根據其演變而來的方法卻逐漸獲得更廣泛地使用，例如排水固結法，就是利用了預壓排除軟土中的水分，使其固化成型。根據不同的操作方法，可以將其分為三類：首先，負壓法，也叫真空法，是利用一些機械設備，對軟土層進行抽氣處理，這樣一來土壤中的壓強低于大氣壓強，在其作用下，水分被排除，達到固結的目的，形成復合地基，增強地基的承載能力；其次，常壓法，通常情況下，軟土層中的土壤顆粒周圍的壓強要高于大氣壓強，可以利用這種情況，利用排水坡降，將其中的水分排出土層，主要的運用方法為縱橫盲溝的挖設，此外還可利用毛細作用，排出水分，主要的運用有塑料排水板法，是將帶狀塑料板插入軟土層地基中，然后在路基之上增加負荷，在其作用下，水會從塑料溝槽中流出，從而達到加速固化的作用；最后，超壓法，強夯法就屬于此類。

4.5 反壓護道法

通常情況下，高速鐵路施工現場，路堤兩側通常會有運輸道路，設計人員和施工人員可以充分利用這些道路，讓其成為護道，當列車運行時會對路堤產生的壓力，將路基下的軟土向路基兩側進行擠壓，但是在護道的作用之下，路堤不會因此而被擠出或隆起，進而保護了路基的穩定性，但是具體的護道寬度和高度，需要根據軟土層的實際情況而確定，而且兩側的護道寬度以及厚度并不相同，同樣需要實際情況進行確定，這樣處理的優勢在于施工便捷，可以同路堤同時進行填土壓實作業，但是對土方的需求較大，而且鐵路長時間運營之后，路面仍會出現一定的沉降，需要道路養護人員進行反復處理，增加了他們的工作量，同時還具有一定的危險性。此外，該方法的運用具有較大的局限性，通常僅適用于軟土層厚度較低者，不適用厚度較大者，而且需要鐵路養護人員進行定時檢查路堤沉降情況，以便及時進行處理。

4.6 土工合成材料加固法

現階段，我國的化工業發展非常迅速，化學纖維材料和塑料工業材料獲得長足發展，其材料強度越來越高，已被廣泛應用到各類特殊行業，而這些高強度的土工合成材料可以運用到復合路基建筑當中。利用這些材料橫鋪在路堤之下，位于砂墊層當中，使路基擁有良好的拉力和承載力，從而有效防止軟土層受壓后導致路基兩端隆起的現象。目前主要的運用材料有土工布和土工隔柵，這些材料的優點在于價格低、強度好、整體性好、重量輕、施工簡便、滲透性良好以及耐久度好等特點，因此該方法的運用已經越來越高，且取得了良好的效果[4]。此外，針對不同的軟土層結構，單一的方法往往所取得效果較小，無法充分地提升地基的承載力，為此需要多種方法中和利用，尤其是一些較為復雜的軟土層結構，其厚度和長度較大，僅僅依靠某一種方法，無法有效提升其承載力，若多種方法配合使用，則有效提升復合地基的能力，且高速鐵路的要求非常高，更需要多種復合地基處理方法的共同進行。

5 結語

當前，我國高鐵技術已經領先于全世界，而路基建設是高速鐵路中的重中之重，良好的地基是高鐵穩定平穩運行的基礎，但是軟土層的存在讓鐵路施工難度增加。針對軟土層的概念、危害以及復合地基的概念和特點，進行分析研究，介紹了6 種速鐵路路基下伏軟土層復合地基處理技術，分別是CFG 樁處理方法、置換或灌入固化物處理方法、振密擠密法、堆載預壓和排水固結法、反壓護道法以及土工合成材料加固法，希望通過這些方法可以為高速鐵路建設技術人員提供幫助，從而進一步促進我國高速鐵路事業的長遠發展。