杭紹臺高速鐵路硅藻土路基加固施工方案及承載變形特性

摘要：以杭紹臺高速鐵路項目硅藻土路基為研究對象，開展不同樁型試驗方案，確定了最佳加固施工方案，并對施工期間的承載變形特性進行了監測。結果表明：綜合考慮樁體強度、承載力、施工周期和施工成本，認為鉆孔灌注樁+筏板加固方案為最佳的硅藻土地基加固方案;筏板的沉降變形主要集中于路基填筑前期，硅藻土地基的沉降變形主要集中在樁間加固區，下臥層的沉降變形占比較小;樁身軸力沿樁深度方向逐漸減小，樁土應力比隨著填筑高度的增大，呈先減小后增大再逐漸穩定的變化特征。

關鍵詞：杭紹臺高速鐵路;硅藻土路基;加固施工方案;孔灌注樁+筏板;沉降變形

0" "引言

進入21世紀以來，我國的高速鐵路建設取得了輝煌的成績，已基本形成四縱四橫主骨架，對于我國各個地區的經濟社會發展具有重要的推動作用。然而，由于我國幅員遼闊，各個地區的地質地形條件千差萬別，在一些特殊地區不可避免會遇到一些不良地質，如濕陷性黃土、膨脹土、硅藻土等，給工程建設帶來不小的挑戰。

硅藻土是一種孔隙比大、吸附性強、靈敏度高的特殊性工程地質結構，在干濕循環、工程擾動等情況下，原生結構容易發生破壞而喪失結構強度，進而引起邊坡失穩及路基沉陷等不良地質問題[1-5]。目前，關于硅藻土的研究主要集中于物理力學性質，硅藻土路基上開展大規模鐵路工程建設的相關經驗還比較鮮見。

陳建[6]以杭紹臺鐵路飛鳳山隧道為依托，對硅藻土地層中隧道基地處理進行了分析，認為鋼管樁成孔具有成孔速度快、施工效率高的優勢，適宜在硅藻土隧道基底中采用。王飛[7]對不同樁型處理硅藻土路基下的動力特性進行了實驗研究，探討了CFG樁、素混凝土樁和螺桿樁的沉降變形規律。范俊懷[8]等針對杭紹臺鐵路硅藻土地段的線路選線問題進行了研究，最終確定了平面取直、縱斷面取短隧高橋為最佳方案。韓建文，王薇等也對杭紹臺鐵路硅藻土路基開展了試驗研究，對于該地區鐵路建設具有重要的指導意義[9-10]。

本文以杭紹臺高速鐵路項目HSTZQ-3標硅藻土路基為研究對象，對該段路基的加固施工方案和承載變形特性進行了試驗研究，可為硅藻土地區高速鐵路無砟軌道路基的設計、施工提供借鑒。

1" "工程概況

新建杭州經紹興至臺州鐵路站前工程HSTZQ-3標段，內涉及硅藻土的路基共5段，起訖里程范圍DK66+457.47～DK86+724.3，長度合計3112.77m。經室內物理力學及化學試驗分析可知：硅藻土的主要礦物成分為蒙脫石、伊利石及其他礦物體，呈白色、藍色或者黑色狀，粒徑范圍為0～0.5mm，平均密度為1.63g/cm³，平均含水率為59.7%，平均孔隙比為1.23，液限值為74.5%，塑限值為44.2%，膨脹率為45%，耐崩解指數為9.77%，干燥飽和吸水率為81.2%，平均抗壓強度為0.7MPa，黏聚力為61.2kPa，摩擦角為21.2 °，壓縮模量為10.9MPa。

2" "地基加固方案

2.1" "樁型試驗

目前，國內在硅藻土路基上開展大規模鐵路工程建設的相關經驗還比較少，如何選取加固方式還需要進行試驗論證。為驗證不同樁型在硅藻土路基加固中的效果，選取DK84+428.23～DK86+724.3段展開螺桿樁、CFG 樁、素混凝土樁、鋼筋混凝土樁、高壓旋噴樁樁型等5種樁型的加固對比試驗。

試驗方案為：在DK86+004～DK86+080段（硅藻土厚度約為18～26m，地表覆蓋有lt;2m的粉質黏土）進行CFG樁（5根）、轉孔素混凝土樁（4根）和螺旋樁（4根）加固試驗，樁長均為15m，樁徑為0.5m（樁間距）;在DK84+428～DK84+449段（硅藻土厚度25～50m，地表覆蓋2～4m厚的人工填土）進行鋼筋混凝土樁（3根）加固試驗，樁長均為12m，樁徑為1.25m;在DK85+727～

DK85+737段（硅藻土厚度25～40m，地表覆蓋lt;3m的粉質黏土）進行高壓旋噴樁試驗，樁長均為12m，樁徑為1.25m。主要檢測對比不同樁型下的樁身完整性和單樁承載力，結果見表1。

從表1中可以看到：螺桿樁、CFG 樁、素混凝土樁、鋼筋混凝土樁的成樁質量均滿足工程要求。高壓旋噴樁經現場取芯后發現，樁中心25cm范圍內，成樁質量較好，水泥結石還算飽滿。但在樁中心半徑25cm之外，水泥漿液逐漸減少，加固效果顯著降低。這說明高壓旋噴樁并不適用于硅藻土地基。

通過5種樁型的極限承載力對比可知，螺旋樁的極限承載力僅為412kN，無法滿足工程建設要求，其余CFG 樁、素混凝土樁、鋼筋混凝土樁3種樁型的承載力均滿足設計承載力要求。這是因為螺桿樁施工，會對周圍的硅藻土地基產生擠壓擾動效應，導致原有結構發生破壞，使硅藻土中封閉孔隙水釋放出來。同時經水浸泡后硅藻土的塑性變形變大，無法發揮承載特性，從而造成硅藻土的強度大大降低。

施工可行性對比如下：由于工程現場硅藻土中夾雜有玄武巖大塊石，使用CFG樁施工時需要進行引孔，這會增加施工周期和成本，因此不適用;素混凝土樁和鋼筋混凝土樁對地層的適應能力較強，但樁徑為0.5m的素混凝土樁在施工時對旋挖機械性能要求較高，無形之中會增加施工周期和成本。因此綜合考慮各項因素，決定選用鉆孔灌注樁（鋼筋混凝土樁）進行加固施工。

2.2" "加固方案簡介

DK84+428.23～DK86+724.3段路基，采用鉆孔灌注樁（鋼筋混凝土樁）+筏板（協調樁和樁間土變形）進行地基加固，樁徑為1.25m。樁長根據硅藻土厚度進行適當調整，樁平面布置采用正方形，樁間距5m，樁頂上部設1.6m×1.6m托帽，托帽厚0.6m。邊坡防護采用拱形骨架，樁間筏板厚0.6m，筏板混凝土為C40混凝土，主筋為HPB400φ25螺紋鋼。相鄰兩板塊間設置沉降縫，沉降縫寬0.02m，縫內填塞瀝青木板。

3" "施工期間承載變形特性

3.1" "監測情況

在鉆孔灌注樁+筏板加固施工期間，利用沉降板隨機選取兩個測試橫斷面（DK85+880和DK86+400）進行變形監測。沉降板位置埋設在筏板上表面中心點，沉降板周圍填土用人工夯實，沉降管始終高于填料碾壓高度，觀測儀器采用蘇-光 DSZ2 + FS1精密水準儀。

根據監測斷面地層情況，在不同深度（2.5m、7.7m、12m、20m和32m）處埋設單點沉降計，用以監測樁筏復合地基及下臥層豎直方向的變形規律。沿深度方向每隔2m埋設一個智能弦式數碼土壓力，用以監測樁間土受力情況。在鋼筋混凝土樁上每隔2m埋設一個混凝土應變計，以監測樁身軸力的變化規律。監測斷面傳感器布設見圖1。

3.2" "筏板沉降變形

筏板施工完成后，監測得到的兩個斷面處筏板沉降變形隨時間的變化關系見圖2。從圖2中可知：隨著筏板上部填筑厚度的不斷增大，筏板的沉降變形總體呈逐漸增大的變化特征，填筑初期沉降變形變化較大，填筑完成后沉降變形變化逐漸放緩。整個填筑施工過程中，筏板的沉降變形波動較大;這主要是受到基床上大型施工機械和作業設備的振動影響。路基填筑施工完成后，DK85+880斷面處的筏板沉降值為3.3mm，DK86+400斷面處筏板沉降值為2.8mm，均滿足工程設計要求。

3.3" "地基壓縮量

不同地基深度處的樁斷面單點沉降變形監測結果見圖3。從圖3中可以看到：在監測過程中，地基土沉降呈先增大后減小并逐漸趨于穩定的變化特征。這是因為在筏板澆筑完成初期，還未完全硬化，筏板自身不具備承載能力，自重均勻地傳遞給樁和樁間土，導致地基土的沉降變形增大。當筏板逐漸硬化之后，筏板自重更多的分配到鋼筋混凝土樁上，使硅藻土出現膨脹反彈，從而導致地基土的沉降變形減小。當路基填筑施工完成后，地基沉降也逐漸趨于穩定。

隨著地基深度的增加，地基最終的沉降量逐漸增大。由于20m深處是樁加固區與下臥層的交界處，DK85+880斷面和DK86+400斷面的32m處的最終沉降量為3.6mm和3.1mm，20m深度處的沉降分別為3.1mm和2.7mm，下臥層的沉降變形僅為0.5mm和0.4mm。由此表明硅藻土路基的沉降變形主要發生在樁間加固區，且沉降變形滿足設計要求。

3.4" "樁身軸力

路基填筑施工完成6個月后，樁身軸力沿樁深度方向的變化曲線見圖4。從圖4可知：樁身軸力沿樁深度方向逐漸減小，樁身上部軸力大于下部軸力。這是因為筏板下樁間土的沉降變形量大于樁身的沉降變形量，造成樁身上部結構承受負摩阻力，上部結構的軸力大于下部結構。

3.5" "樁土應力比

路基在填筑過程中樁土應力比變化曲線見圖5。從圖5中可知：隨著路基填筑施工的進行，樁土應力比呈先減小后增大再逐漸穩定的變化特征。這是因為在路基填筑初期，樁間土的沉降變形大于樁身的變形。此時筏板自重及其他附加應力主要傳遞給樁體，使得樁土應力比增大。

隨著路基填筑施工的不斷進行，筏板傳遞給樁的荷載越來越大，導致樁身沉降變形增大。此時筏板逐漸將荷載分配到樁間土上，使得樁間土和樁身應力差逐漸減小，因而樁土應力比逐漸減小。路基填筑完成后，樁土應力重新調整到平衡狀態，樁土應力比逐漸趨于穩定。

4" "結語

本文以杭紹臺高速鐵路項目為工程依托，針對DK66+457.47～DK86+724.3段出現的硅藻土路基，開展了現場綜合性試驗，確定了最佳加固方案，并對最佳加固施工方案的路基沉降變形進行了監測，得出如下結論：

通過對螺桿樁、CFG 樁、素混凝土樁、鋼筋混凝土樁和高壓旋噴樁五種樁型試驗發現，高壓旋噴樁的樁體強度分布不均勻，螺旋樁樁體由于存在擠土效應，對自身結構產生破壞，因而承載力不足。CFG樁和素混凝土樁會增加施工周期和成本，因此最終決定采用鉆孔灌注樁+筏板加固方案。

筏板的沉降變形總體呈動態波動增大的變化特征，且前期沉降變形大于后期沉降變形。硅藻土路基的沉降變形主要發生在樁間加固區，下臥層的沉降變形占比較小。樁身軸力沿樁深度方向逐漸減小，隨著路基填筑施工的進行，樁土應力比呈先減小后增大再逐漸穩定的變化特征。

參考文獻

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