客运专线铁路黄土高路堤地基处理的试验研究

付 雄

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北武汉 430063)

以往对黄土的研究,多偏重于对其湿陷性的研究[1-4],对其地基处理、沉降研究较少。为了研究湿陷性黄土地区高填方路基处理的设计方案及其可行性,中铁四院等单位进行了现场试验研究。

1 试验概况及工程地质概况

郑西客运专线采用线下350 km/h标准铺设无砟轨道。线路东起中原中心郑州市，向西经豫、陕两省,到达古城西安市,沿途多为黄土地貌单元,地层主要特征表现为第四系新、老黄土地层的深厚覆盖,是我国也是国际上第一条在黄土地区修建的高速铁路。

郑西客运专线洛阳南站位于洛阳市关林镇南刘村和李屯之间,路基最大填高8.6 m,其中DK119+395.37～DK120+200段路基填高6.6～8.6 m,在湿陷性黄土地区高填方地段采用何种地基处理方案既经济合理,节省投资,又保证路基稳定,有效地控制路基工后沉降,还没有成熟的经验可以借鉴,为本项目设计重难点。

试验工点位于为伊洛河一级阶地区,地形平坦,辟为旱地。地层由上至下依次为Q4al砂质黄土,褐黄色,稍湿,稍密,厚6.6～12.9 m；粉砂,褐黄色,中密,饱和,厚0.1～4.2 m；粗圆砾土,杂色,中密,饱和,厚>8 m。其中砂质黄土均具有湿陷性,为非自重湿陷性黄土场地,湿陷等级Ⅰ级,砂质黄土最大干密度ρdmax=1.84～1.90 g/cm3。地下水不发育。

其中砂质黄土的物理力学指标,ω=23.48%,γ=19.2 kN/m3,γd=15.6 kN/m3,е=0.76,Es1-2=4.06 MPa,Ps=1.52 MPa,σ0=100 kPa。为松软土。

2 地基处理设计方案

对于湿陷性黄土,目前采用的较多的是强夯法、灰土挤密桩等方法[5-7],这些方法虽然有效地消除了黄土的湿陷变形,但对于沉降要求很高的客运专线,还必须同时控制路基的沉降变形,保证路基的工后沉降满足无砟轨道的铺设条件。经过大量的沉降估算,洛阳南站无砟轨道范围内路基采用水泥土挤密桩+CFG桩结合堆载预压进行加固,水泥土挤密桩和CFG桩桩径均为0.4 m,水泥土挤密桩桩间距1.05 m,CFG桩桩间距2.1 m,正三角形相间布置,桩长进入粗圆砾土层不小于0.5 m。无砟轨道范围外路基采用水泥土挤密桩加固,水泥土挤密桩桩间距1.05 m,正三角形布置,桩长进入粗圆砾土层不小于0.5 m。

在桥路过渡段,地基处理采取桩间距过渡。水泥土挤密桩桩间距0.8～1.05 m,靠桥梁侧间距0.8 m,路基侧间距1.05 m,逐渐过渡。CFG桩桩间距1.6～2.1 m,靠桥梁侧间距1.6 m,路基侧间距2.1 m,逐渐过渡。

要求与水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护下90 d龄期的立方体抗压强度平均值不小于3 MPa,要求CFG桩桩体混合料试块标准养护下28 d龄期的立方体抗压强度平均值不小于15 MPa。

桩顶均设褥垫层,褥垫层采用三七灰土填筑,距垫层顶、底面0.1 m处各铺一层土工格栅,土工格栅抗拉强度不小于80 kN/m,形成桩网结构,充分发挥桩间土的作用。

断面形式及挤密桩和CFG桩平面布置见图1。

3 沉降估算

无砟轨道铺设完成后的工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求，工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm[9]。因此,设计的思路就是如何控制路基的沉降，黄土的湿陷变形和压缩变形。本工点结合黄土的工程地质特征,采用水泥土挤密桩联合CFG桩共同处理。水泥土挤密桩在有效地消除黄土湿陷性的同时,改善了桩间土的物理力学性质。桩身材料采用高强度的水泥土，大大提高了地基的强度和刚度,再辅以半刚性的CFG桩,控制路基的压缩变形,满足路基的工后沉降。

图1 地基处理平面、横断面示意(单位：m)

挤密桩桩间距计算。

S=0.95[(ηcρdmaxD2-ρd0d2)/(ηcρdmax-ρd0)]1/2

Sηcρdmanρd0D2d2ηcρdmanD2-ρd0d2ηcρdman-ρd01.110.931915.600.402.8272.070

经计算,当挤密桩桩间距小于1.11 m时,可消除黄土湿陷性。设计时采用挤密桩桩间距1.05 m,CFG桩桩间距2.1 m,挤密桩和CFG桩呈正三角形相间布置,按此方案进行沉降估算。

水泥土挤密桩加固区的复合压缩模量计算采用复合模量法,CFG桩加固区的复合压缩模量根据经CFG桩处理后的地基承载力提高倍数进行计算。

水泥土挤密桩复合地基压缩模量计算

Espi=mEp+(1-m)Esi

水泥土挤密桩Esp/MPasdmEp/MPa1-mEs13.5321.050.40.0991000.9014.0618.8851.050.40.0991000.90110备注三角形布置

水泥土挤密桩单桩承载力特征值

(1)

Ra/kNKupdqsiliqpApRk地层1.2566370.42411.400.125664344第1层1.2566370.4900.654000.125664746第2层545.1321090

Ra=ηfcuAp=0.33×3 000×0.125 66=124.4 kN

(2)

水泥土挤密桩单桩承载力特征值Ra取上述两式中的小值124.4 kN。

水泥土挤密桩复合地基承载力特征值

fspk/kPasdmRaApβ1-mfak备注208.51.050.40.132124.400.12570.90.87100三角形布置

CFG桩复合地基承载力特征值

Ra=ηfcuAp=0.33×15 000×0.125 66=622 kN

CFG桩单桩承载力取上述(1)式和(2)式中的小值545.1 kN。

采用水泥土挤密桩和CFG桩同时加固后的CFG桩：

CFG桩复合地基承载力特征值

复合地基压缩模量计算

其中fak取水泥土挤密桩的复合地基承载力特征值。Es取水泥土挤密桩的复合地基压缩模量。

Esp/MPaEs/MPafspk/kPasdmRaApβ1-mfak/kPa19.713.53304.062.10.40.033545.100.12570.80.97208.5

根据以上计算的复合地基压缩模量值进行沉降计算,客运专线沉降估算采用“ZK”活载,路基荷载按均布荷载考虑,换算土柱宽8.94 m,高1.4 m,土的重度为19 kN/m3。地基的总沉降量采用分层总和法计算

地基应力按布辛内斯克解计算,其中加固区代入复合压缩模量。施工期沉降量对应于非饱和土地基,在保证路基填筑完成以后有12个月的沉降固结期的情况下,路基的固结度可以达到90%以上,沉降计算施工期沉降量按固结度90%考虑。

经对填高较大DK119+395.37～DK120+200段断面进行估算,总沉降量S总=51～70 mm,S施=43～59 mm,S工后=8.0～12.0 mm。满足客运专线铺设无砟轨道要求路基工后沉降不大于15 mm的要求。

4 现场测试分析

本段路基沉降观测断面间距不大于50 m,桥路过渡段处距起点5～10 m、20～30 m、50 m处分别设置观测断面。观测断面在线路中心线布设一组沉降板,沉降板分别埋设在基床底层顶面和地基面处,在两侧路肩设置钢筋混凝土观测桩。

本段路基自2007年8月10日开始三七灰土垫层填筑,路基本体填筑于2007年12月下旬结束,于2008年1月1日开始堆载预压,至2008年1月21日完成堆载预压。地面沉降板自2007年9月6日开始观测,至2008年12月16日持续观测时间超过12个月后开始进行沉降评估。实测的最大沉降量为57.8 mm。典型地面沉降板时间-荷载-沉降曲线见图2。

图2 典型地面沉降板时间-荷载-沉降曲线

地基面沉降板沉降分析结果见表1。

表1 沉降观测预测沉降量

根据沉降曲线分析,预测的最终沉降量最大为60.81 mm,预测的工后沉降量最大为4.03 mm。从沉降速率上分析,路基本体填筑完成至堆载完成期间的沉降速率为0.05～0.37 mm/d,堆载完成至堆载完成3个月后期间的沉降速率为0.027～0.086 mm/d,堆载完成3个月后至结束观测时间的沉降速率为-0.015～0.029 mm/d。路基堆载完成3个月后的沉降量已经很小,基本趋于稳定。

5 结论

(1)试验结果表明,采用CFG桩联合水泥挤密桩处理类似本试验段条件的客运专线铁路黄土地基可以在较短工期内(本试验为堆载完成3个月)满足铺设无砟轨道1.5 cm工后沉降的要求。

(2)在对沉降要求极其严格的客运专线中的高填方湿陷性黄土路基地段,采用水泥土挤密桩联合CFG桩共同处理。水泥土挤密桩在消除黄土湿陷性的同时,改善桩间土的物理力学性质,桩身材料采用高强度的水泥土大大提高了地基的强度和刚度,再辅以半刚性的CFG桩,能很好地控制路基的压缩变形,满足路基的工后沉降。

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[8] 铁建设[2006]158号 客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南[S]

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