客运专线铁路软土地基加固处理方案选择与设计

张利国

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

软土是指近代水下沉积的饱和松软的黏性土,一般的把天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的细粒土判定为软土,包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。软土天然含水量等于或大于液限,一般大于40%,最高可达90%,孔隙比大于1。其压缩性高,压缩模量一般在1～5 MPa。软土因其承载力很低,并且在上部施加荷载后会产生较大的沉降变形,所以在修筑路堤之前要进行适当的处理，方能满足铁路客运专线路基的设计要求。

由于客运专线对沉降变形的苛刻要求,在初步设计之前的勘察选线中,对于深厚软土地段首先要进行选线研究和路改桥的技术经济比较,在进行综合比较中选择地基处理方案。而在线位相对确定的条件下,地基处理方案的选择又直接受地质条件、软土的性能及工程变形要求决定。

2 软土地基加固处理方案的选择

选择加固处理方法时,必须查明地形和地质条件,根据路堤高度、填料及工期结合路基稳定及变形控制要求,同时综合考虑施工条件、周围环境等诸多因素选择技术可行,而且经济适用的方法。

地层条件及土性参数是选择地基处理方案的首要依据,首先根据地层条件和处理深度,地基处理分为浅层处理和深层处理两种。浅层处理主要包括换填、压实或夯实、风干、拌填混合材料及铺设土工材料等,用于处理埋藏浅、厚度小的软土层。实践证明,浅层软基处理的设计和施工都较易操作,处理效果也容易保证。

深层处理主要采用排水固结法和复合地基法,由于铁路客运专线对路基变形控制的要求十分严格,多采用复合地基处理方法。

深厚软土地基加固深度应穿透软土,避免悬浮桩。加固桩型可采用预制桩及加固土桩,软土地基CFG桩质量控制较为困难,应慎用；粒料桩变形相对较大,一般所需工期较长,在客运专线铁路中应用较少。

预制桩加固地基一般应设置筏板基础或设置桩帽结构以利桩身能力发挥。筏板结构一般应设置0.1～0.3 m厚褥垫层以保证各桩受力及变形协调。桩帽的设置有利于土拱的形成,其上一般设置垫层加筋结构。

加固土桩技术近年来在我国获得长足发展,多向搅拌技术的发明和掺砂技术的采用解决了桩体强度控制和提高技术难题,为加固土桩的广泛应用提供了良好的支撑。加固土桩桩顶一般设置垫层加筋结构以调整桩土受力。

3 软土地基加固方案设计

软土地基加固方案设计一般步骤：

(1)根据地质勘察报告,确定桩间土承载力；

(2)根据地质勘察报告,确定桩端持力土层,初步确定桩长,并计算单桩承载力；

(3)根据施工工艺,确定桩径；

(4)计算不同桩间距时的复合地基承载力；

(5)根据复合地基承载力要求确定桩间距；

(6)计算复合地基变形；

(7)判断变形是否满足要求(如不满足,需调整桩长与桩间距)。

复合地基设计中几个重要设计参数的确定。

(1)桩型选择：一般根据地层地质条件及施工机械情况通过经济技术比较确定,软土地区宜优先采用质量易于控制的预制桩加固方案。

(2)桩长：应根据上部结构对承载力和变形的要求通过计算确定桩长,并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层,在深厚软土层中应避免采用“悬浮”桩。

(3)桩径：一般采用500 mm,或通过经济技术比较确定。

(4)桩间距：桩间距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形。一般设计要求的承载力大时,间距取小值,但必须考虑施工时相邻桩之间的影响,就施工而言希望采用较大桩距,因此应综合考虑。

(5)垫层厚度：一般采用0.4～0.6 m。

4 复合地基变形检算

客运专线铁路软土路基设计时,沉降检算是一个十分关键的环节。由于客运专线铁路路基沉降控制标准高,地基处理多采用CFG桩、管桩、灌注桩等半刚性或刚性桩进行加固。按复合地基,荷载通过基础将一部分荷载直接传递给地基土体,另一部分通过桩体传递给地基土体。在荷载作用下,增强体与天然地基土体通过变形协调共同直接承担荷载作用是形成复合地基的基本条件[1]。图1反映的是目前客运专线路基沉降控制中常采用的的几种地基加固形式情况。

图1 客运专线路基地基加固常用形式

在路堤荷载作用下,刚性筏板基础可以保证桩和土共同直接承担荷载,可更充分发挥桩的承载潜能,如图1(a)所示。为了保证桩和桩间土共同承担荷载,可在刚性筏板基础下设置一定厚度的柔性垫层,通过柔性垫层的协调,可以减少桩土荷载分担比,充分发挥桩间土的承载潜能,如图1(b)中所示。还可在路堤下直接设置碎石加筋垫层来提高桩土荷载分担比,在京沪高速铁路设计中在桩顶加帽使桩的承载潜能得以更充分的发挥,如图1(c)所示。加固桩采用CFG桩、低强度素混凝土桩、预制管桩、钢筋混凝土灌注桩。

地基沉降一般采用分层总和法计算,对于饱和土地基按照太沙基固结理论进行计算,对于非饱和土地基按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)[2]进行计算,复合地基加固下卧层沉降计算时应考虑应力扩散影响,对于地基土层沉降变形完成时间,采用理论分析(包括规范经验)和施工时现场实测的方法,通过精确的沉降观测来推算。目前设计多采用复合模量法或桩基方法疏桩理论进行沉降计算。

4.1 天然地基的沉降计算

天然地基的总沉降量一般情况下可由瞬时沉降与主固结沉降之和计算。此外,对于泥炭土、富含有机质土和高塑性黏土地层,可视情况考虑计算次固结沉降。地基的总沉降除了按前述的分瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降3部分计算,也可以采用沉降系数与主固结沉降计算。计算过程可参考相关手册。

4.2 复合地基变形计算

(1)直接计算法

式中S——复合地基最终沉降量，mm；

ψ——复合地基沉降折减系数；

P0——对应于荷载标准值时的基础底面处附加压力，kPa；

αh——基础底面至复合地基底面平均附加应力系数；

h——由基础底面算起的复合地基的厚度，m；

Esp——复合地基变形模量，MPa,可由载荷试验直接测得。

当复合地基的厚度小于地基压缩层厚度时,应同时计算下卧层变形。

(2)复合模量法

复合模量法是通过复合求和计算,由桩与土的模量求出复合地基的模量,再按直接计算法求复合地基变形

Esp=mEp+(1-m)Es

式中Ep——桩的变形模量或压缩模量；

Es——天然地基的变形模量或压缩模量；

Esp——桩土复合体的模量；当Es为变形模量时,复合后的Esp亦为变形模量,当Es为压缩模量时,复合后的Esp亦为压缩模量。

m——置换率(以小数表示)。

(3)沉降折减法

利用沉降折减法需先根据桩间土的变形参数,按天然地基计算其最终沉降量S0,折减系数可根据沉降观测资料对比确定,也可按下面的计算式求出

S=βS0

式中S0——与桩间土同性质的天然地基最终沉降量；

β——沉降折减系数,0<β<1；

n——桩土模量比,由试验测定,也可以参照当地或类似试验工程的试验资料确定。无资料时,对于粒料桩地基可取2～5,对于加固土桩地基可取3～6,当桩底土质好、桩间土质差时取高值；否则取低值。

4.3 地基沉降计算

一般情况下,水泥土桩、CFG桩加垫层、CFG桩带帽加垫层、刚性筏板基础下加柔性垫层等均可以按复合地基进行沉降检算[4～5]。但当加固桩采用预制管桩或钢筋混凝土灌注桩等刚性桩时,宜按复合桩基进行沉降检算。

地基的沉降包括加固区的变形和下卧层的沉降两部分。加固区的变形计算根据不同的地基处理措施选择不同的方法,下卧层的沉降按照天然地基的沉降计算方法进行计算。当检算结果不满足设计要求时,要根据路基沉降控制分析结果调整设计方案。

5 实例

(1)工程概况

某客运专线软土路基地段位于东北沿海地区,地层为素填土、黏土、粉质黏土、粉土、淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土和粉砂。其中,淤泥,褐灰色,流塑,呈透镜状分布,层厚0.50 m；淤泥质粉质黏土,褐灰色,流塑,呈透镜状分布,层厚0.7～3.10 m。淤泥和淤泥质粉质黏土为软土。

本段路基填高6 m,基底宽度为32 m,路堤基床表层填筑级配碎石,厚0.4 m；基床底层及以下填筑A、B组土。路堤两侧采用拱形骨架护坡结合种紫穗槐防护。基底采用桩基加固。基床底层施工完成后,实施堆载预压。路基横断面设计如图2、图3所示。

图2 桩网路基标准横断面形式(A断面)

图3 桩板路基标准横断面形式(B断面)(单位：m)

(2)路基加固沉降检算分析

按《客运专线无砟轨道铁路设计指南》[6]的相关规定,路基工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm；沉降比较均匀、长度大于20 m的路基,允许的最大工后沉降量为30 mm,并且调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足下列要求

式中Rsh——轨面圆顺的竖曲线半径，m；

Vsj——设计最高速度，km/h。

对不同桩型复合地基分别采用理正软件、复合地基沉降计算模板进行计算。根据本地区工程特点,计算主要参数选取如表1所示。

表1 主要计算参数

检算结果显示：搅拌桩、砂浆桩、旋喷桩复合地基均不能满足变形要求,考虑工前已完成总沉降的50%～70%,采用CFG桩复合地基的沉降控制即可达到设计要求。见表2。

表2 不同桩型沉降检算结果

路基沉降在横断面方向一般表现为“锅底”状,其中心区域沉降明显大于两侧坡脚。根据京津城际铁路的监测结果,在桩顶设置刚性筏板可以大大平缓这种不均匀沉降,同时使工后沉降也有所减少[7]。因此,在客运专线软土路基设计中可优先考虑桩板形式。

(3)桩型及路基结构形式选择

经计算和技术经济比较,本段路堤基底最终采用CFG桩加固,桩径0.4 m,纵向间距1.5 m,横向间距1.20～1.50 m,桩长25～27 m,桩顶设置0.15 m厚的碎石垫层,碎石垫层顶设置厚0.5 m的C30混凝土板,基床底层施工完成后,实施堆载预压。通过沉降观测变形来看,地基加固处理达到了设计的预期效果。

6 结论

选择地基处理方案时要做到因地制宜,根据地层条件、施工条件和工程技术要求来综合确定。首先考察地基条件的适宜性,软弱层浅埋地段,可采用换填法,对于深厚松软土路段则适宜采用复合地基,重点在于桩型、桩径、桩长及桩间距的优化选择。

水泥土桩、CFG桩、低强度素混凝土桩复合地基在内陆盆地及东北部沿海地区的软土处理有很强的适应性,在京津城际和京沪高速铁路的路基设计中,采用桩上刚性筏板和桩帽在地基加固及变形控制方面取得了良好效果。当采用预制管桩或钢筋混凝土灌注桩等刚性桩时可使路基变形得到更充分的控制。

在软土地基加固处理设计中不仅要遵循一般规律,而且要重点考察当地的特点和工程的具体要求,使各项参数的选取符合当地的实际。有必要进行经济条件下的方案比较,使设计指标在经济技术条件下都达到最优。

[1] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2002．

[2] GB50007—2002,建筑地基基础设计规范[S]．

[3] 屈晓辉,崔俊杰.客运专线铁路路基设计技术[M].北京：人民交通出版社,2008．

[4] 邓跃光,黄荣.CFG桩复合地基的原理和设计[J].地质灾害与环境保护,2002(3)：69-72．

[5] 丁桂伶,王连俊,刘升传.柔性基础下褥垫层厚度对带帽CFG桩符合地基特性分析[J].岩土工程学报,2009,31(7)：997-1001．

[6] 铁建设函[2005]754号,客运专线无砟轨道铁路设计指南[S]．

[7] 崔维孝,赵成刚.深厚压缩层地基条件下路基沉降控制[J].铁道工程学报,2007(12)：28-31．