高速铁路软基处理方法及应用现状研究

潘 霄 李建国 肖 利

(1.长江勘测规划设计研究院,湖北 武汉 430010;2.中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031;3.长江科学院,湖北 武汉 430010)

我国软土分布相当广泛,在拟建的几条高速铁路中,有很大部分位于具有高压缩性的软土地区。在软土地基上修建高速铁路,存在稳定与变形问题,需要对地基进行适当的加固和处理。

本文主要介绍了目前我国常用地基处理方法及其在高速铁路工程中的应用情况,同时对各种方法的适用性进行了简要探讨。

1 常用地基处理方法

目前,国内铁路路基工程中常用的软基处理方法主要有:换填法、强夯法、排水固结法、复合地基法等。另外,随着高速铁路的修建,钢筋混凝土桩网(板)结构也已应用到铁路工程中。

1.1 换填法

换填法就是将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖除,然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填,同时以人工或机械方法进行分层压、夯、振动,使之达到要求的密实度,成为良好的人工地基。当地基软弱土层较薄,且上部荷载不大时,也可直接以人工或机械方法进行表层压、夯、振动等密实处理,同样可以达到换填加固地基的效果。

换填法适用于浅层地基处理,包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗浜、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。

1.2 强夯法

强夯法又名动力固结法或动力压实法。该方法是反复提升重锤(一般为10～40t)使其自由落下(落距一般为10～40m),利用夯锤自由落下产生的冲击波使地基压实,从而提高地基的强度并降低其压缩性。

强夯法适用于处理碎石土、砂土、粉土、粘性土、杂填土和素填土等地基。它不仅能提高地基土的强度、降低其压缩性,还能改善其抗振动液化的能力和消除土的湿陷性,所以常用于处理可液化砂土地基和湿陷性黄土地基等。

1.3 排水固结法

排水固结法的加固原理是:软土地基在附加荷载作用下,逐渐排出孔隙水,使孔隙比减小,产生固结变形。在这个过程中,随着土体超孔隙水压力逐渐扩散,土的有效应力增加,并使沉降提前完成或提高沉降速度。通常,排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成,两者缺一不可,在铁路软土地基处理中,对于高填路段,利用路堤填土的荷载即可满足加压要求;对于低填方路段或地基土层为欠固结土时,就要考虑采用堆载预压来加速土层的固结。

排水固结法是处理软粘土地基的有效方法之一,适用于处理各类淤泥、淤泥质粘土及冲填等饱和粘性土地基。

1.4 复合地基法

复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体(桩),并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载。按成桩后的桩体刚度,复合地基可分为散体桩、柔性桩、半刚性桩和刚性桩复合地基。

1.4.1 碎石桩

碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩。其加固机理在松散砂土与粘性土中有所不同:在松散砂土中,主要是发挥砂石对砂土的挤密作用、排水减压作用和砂基预振效应;而在粘性土中,主要是对软土(特别是饱和软粘土)的置换作用。根据施工工艺不同,碎石桩可以分为振冲碎石桩、干振碎石桩、沉管碎石桩、强夯碎石桩等,主要适用于处理砂土、粉土、粉质粘土等地基。

1.4.2 水泥土搅拌法

水泥土搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新方法。它利用水泥、石灰等材料作为固化剂,通过特制的深导搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体,在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,固化剂和软土之间产生一系列物理化学作用,形成的抗压强度比天然土高得多,且具有整体性、水稳性的水泥加固土桩体。根据施工方法的不同,水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌法和粉体喷射搅拌法,形成的桩体分别习惯称为搅拌桩和粉喷桩。

水泥土搅拌法是一种有效的地基处理方法,具有成桩效率高、成本低、施工占地面积小、施工现场周围无污染,并且施工过程中无振动、无噪音等特点,最适用于加固各种成因的饱和软粘土,尤其是20m深度范围内没有理想持力层的软土地基。目前,国内采用水泥土搅拌法加固的土质有淤泥、淤泥质土、地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土和粉性土地基。

1.4.3 高压旋喷桩

高压喷射注浆法就是先利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻入土层的预定位置,然后将浆液或水以高压流的形式从喷嘴射出,冲击破坏土体,高压流切割搅碎的土层呈颗粒状分散,一部分被浆液或水带出钻孔,另一部分则与浆液搅拌混合,随着浆液的凝固,组成具有一定强度和抗渗能力的固结体,即通常说的旋喷桩。

所采用的固化剂主要是水泥,并增添了防止沉淀或加速凝固的外加剂。高压喷射注浆法适用于处理淤泥、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。

1.4.4 水泥粉煤灰碎石桩

水泥粉煤灰碎石桩简称 CFG桩,是在碎石、石屑、砂石和粉煤灰中掺适量的水泥加水拌和,用各种成桩机械在地基中制成强度等级为 C5～C25的桩。处理方法是通过在碎石桩体中添加以水泥为主的胶结材料,使桩体获得胶结强度,并从散体材料桩转化为具有某些柔性桩特点的高粘结强度桩。

CFG桩适用于处理粘性土、粉土、砂土和淤泥质地基,既可用于挤密效果好的土,又可用于挤密效果差的土:当 CFG桩用于前者时,承载力的提高既有挤密作用,又有置换作用;当 CFG桩用于后者时,承载力的提高只与置换作用有关。

CFG桩和其他复合地基的桩型相比,其置换作用很突出,这是 CFG桩的一个重要特征。CFG桩在建筑、市政、高速公路等工程中已有广泛应用。以前在铁路工程中较少应用,近期在客运专线中大量使用,已成为处理客运专线软基的主要加固措施。

1.5 钢筋混凝土桩网结构

铁路工程中常用的钢筋混凝土桩网复合地基,一般由以下几个部分组成:

(1)上部填土(路堤);

(2)加筋垫层,通常由两层双向土工格栅及0.6m厚的碎石垫层组成;

(3)钢筋混凝土桩土加固区,一般桩身采用C30钢筋混凝土现场灌注,桩间距2.0～2.5m,而且桩顶设桩帽;

(4)桩土加固区下卧层。

铁路工程中常采用钢筋混凝土桩网复合地基加固深度超过22m、填方高度超过 3m的路堤软土地基。钢筋混凝土桩网复合地基在遂渝、武广高速铁路中均有采用。

1.6 钢筋混凝土桩板结构

桩板结构路基是高速铁路无渣轨道一种新的路基处理措施,它由下部钢筋混凝土桩基、路基本体与上部钢筋混凝土承载板组成,承载板直接与轨道结构连接。该结构综合了板式无渣轨道或双块式轨枕埋入式无渣轨道结构与桩基础的各自特点,充分利用桩一板一土三者之间的共同作用来满足无渣轨道的强度与变形要求。

2 处理方法的适用性分析

2.1 排水固结法

排水固结法地基处理能否满足工程要求,主要取决于地基土层的固结特性、土层厚度、预压荷载和预压时间等因素。如果软土层不太厚或固结系数比较大,不需要很长的时间就可获得较好的预压效果。反之,预压时间可能很长,因此限制了排水固结法的使用。

高速铁路对路基沉降变形有严格的控制标准,对一些抗剪强度过低或有机质丰富的饱和软黏土层,即使采用砂井堆载预压法进行地基处理,其工后沉降量和固结时间仍难以满足路基设计要求。工程实践经验表明,采用袋装砂井及塑料排水板处理地基,其工后沉降难以满足高速铁路地基要求,因此,在采用排水加固法处理高速铁路软基时需非常谨慎。

2.2 复合地基法

搅拌桩、粉喷桩和旋喷桩在秦沈线被普遍使用,主要用于处理淤泥质软黏土路段及过渡段,三者的累积沉降量同属一个范畴,很难分出优劣。

近年来 CFG桩在我国高速铁路软基处理中广为应用,该桩型的处理深度可达20m。研究表明,与水泥搅拌桩(搅拌桩、粉喷桩)复合地基相比,CFG桩复合地基的桩土应力比要大,而且一般而言 CFG桩的桩身质量也比水泥搅拌桩更易得到保证。

但研究表明,水泥搅拌桩和 CFG桩为“悬浮桩”时,下卧层的加固沉降仍较大,应用这种桩型时,一般应谨慎采用“悬浮桩”。

2.3 钢筋混凝土桩网(板)结构

钢筋混凝土桩网(板)结构中的桩通常采用钢筋混凝土现场灌注,桩长一般不受限制,因此当软土层厚度超过20m,在采用其他复合地基结构无法满足要求时,往往采用钢筋混凝土桩网(板)结构。在日本高速铁路改良线路中,有72.7%采用网桩工法(桩网复合地基)。该工法是在软弱地基上打桩,桩底支承在承力层上,桩顶用网眼状钢筋相连结,然后在其上铺设土工布,用以支承填土荷载。工程实践表明,该工法控制沉降十分有效。钢筋混凝土桩网(板)结构的不足之处是成本高,如果其他复合地基能够满足工程要求,一般不予采用。

3 部分铁路地基处理措施统计分析

根据中铁二院关于国内部分拟建、在建及已建客运专线地基处理资料,对于设计时速为 350km/h的客运专线,主要收集了武广、京津城际、京沪、京石、石郑、哈大和郑西等7条线的地基处理资料;对于设计时速为200、250km/h的客运专线,主要收集了达成、遂渝、厦深、海东和胶济等5条线的地基处理资料。分析了各条线路所用地基加固方法所占的百分比情况,从表1可以看出,目前 CFG桩在高速铁路地基处理中应用很广,另外,管桩与深层搅拌桩也占了较大比例。虽然所收集的资料有限,但在一定程度上反映了我国高速铁路地基处理方法的应用现状。

表1 国内部分铁路工程地基处理方法所占百分比统计

4 结 语

高速铁路对线路的平稳性要求极高,根据工程条件选用合适的地基加固措施,对于工程安全至关重要。本文介绍了目前高速铁路工程中常用的地基处理措施,并对各种方法的适用性进行了评述。资料分析表明,CFG桩在我国高速铁路工程中应用很广,在地基处理工程中占了较大比重,有必要加强对其设计方法和加固效果的研究,以确保其在高速铁路工程中的成功运用。