铁路软土地基处理方法合理选择试验研究

蒋兴锟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

目前,控制铁路工后沉降的方法及理论繁多,发展速度极快,近年来又发展出了布袋桩、长板短桩等新型软基处理方法[1-3],但基于这些理论的现场试验较少,研究内容较为单一,无法保证具体工程的适用性及经济性,对工程实践缺乏指导意义。

基于对某高速铁路软土路基处理的现场试验研究,对水泥搅拌桩加固法、真空联合堆载预压、超载预压加固法及砂桩等载预压加固法这三种我国常见的软基加固方法中地基沉降量及孔隙水压力进行了监测与分析。在此监测基础上对工后沉降进行了估算,综合比较了这三种处理方法的适用性。

1 试验概况

试验工点地处江苏省昆山市,属太湖湖积平原,地形平坦,有人工鱼塘分布,地面高程2.5 m左右。试验工点范围为0+000～0+850,线路长度850 m,其中：0+000～+038.40、0+833.95～+850为桥梁桩基试验段,0+038.40～+833.95为路基试验段。试验段线路为双线,路基面宽13.8 m,考虑路堤本体沉降及软土地基工后沉降,每侧加宽0.2 m,线间距5.0 m。路堤填土高4.35～5.95 m,路堤边坡坡率为1∶1.5,边坡坡面采用土工网垫固土后喷播植草防护。在路堤填筑过程中,在边坡2.5 m宽度范围内每隔0.3 m铺一层土工格栅。试验于当年5月开始,进行了长期测试,收集并积累了大量详实的测试资料及可靠数据。

1.1 工程地质概况

试验段地基属第四系全新统冲湖积层,表层为黏土,灰黄色,软—硬塑,层厚0.76～3.60 m；其下为淤泥质粉质黏土,深灰色,流塑,含少量腐植质,局部夹有薄层粉砂,具高压缩性、低强度、高触变性的特点,厚3.2～16.5 m；下卧层为黏土、粉土及粉质黏土,软—硬塑。各地层岩性自上而下分别为：①黏土,灰黄色,软—硬塑,含有植物根系,厚0.76～3.60 m,属中等压缩性土。②淤泥质粉质黏土,深灰色,流塑,含少量腐植质,局部夹有薄层粉砂,具高压缩性、低强度的特点,且大多数灵敏度超过16,具高触变性,厚3.2～16.5 m。③黏土、粉质黏土、粉土,局部夹薄层粉砂,呈交错断续沉积,层理清晰,厚4.1～9.8 m。④粉砂上部夹有薄层黏土,可分为上下两层：上层为褐黄色,中密,饱和,厚0～6.7 m,不均匀夹有薄层黏土,分布于0+035～0+535,其N63.5=5～45击；下层为褐黄色,深灰色,中密—密实,饱和,厚大于10 m,工点范围广泛分布,其N63.5=19～48击。

1.2 试验断面土层物理力学指标统计及处理

试验断面土层物理力学指标统计见表1。从表1可得出,试验段地层的含水率及孔隙比较高,特别是第2层淤泥质粉质黏土层(本试验段的控制地层)，其平均值分别达到了44.4％和1.23,灵敏度较高,属典型软土。试验段土层的固结系数在10-4～10-3量级左右。各试验断面的处理方式如表2所示。

表1 试验断面土层物理力学指标统计

表2 各断面软土地基加固设计措施

2 孔压监测与沉降监测结果分析

2.1 水泥搅拌桩处理软基的孔压监测、沉降监测结果及分析

(1)水泥搅拌桩孔压监测结果及分析

水泥搅拌桩超孔隙水压力与荷载随时间的关系变化曲线如图1所示，随路堤填高的增加而增加,停止填筑后,复合地基和下卧层超孔隙水压力逐渐消散减小。一般而言,在路基填筑过程中,地基浅层的孔隙水压力增大较多,深层的孔隙水压力增大较小[4]。

图1 水泥搅拌桩地基孔隙水压力随荷载变化情况

对于水泥搅拌桩地基来说,加固层变形小且完成快,因此下卧层变形的大小和固结历程更为重要。本工点桩体穿透了软弱土层,下卧土层为硬塑黏土和粉砂,根据测试数据,工点下卧层固结速率也很快。综合起来,本工点搅拌桩复合地基固结可不考虑土体固结作用[5]。

(2)水泥搅拌桩沉降监测结果及分析

搅拌桩地基分层沉降仪所测试的地基沉降，随填土荷载、时间的关系曲线见图2。从图2中可知,地基沉降随填土荷载的施加和稳定而呈现出有规律的增加和稳定的过程。

图2 水泥搅拌桩地基深层沉降荷载时间变化曲线

图3 水泥搅拌桩地基沉降荷载时间变化曲线(沉降板)

由图2和图3可知,搅拌桩地基沉降随填土荷载的施加和稳定而呈现出有规律的增加和稳定过程。搅拌桩桩顶中心、桩间中心、桩间土形心沉降规律及沉降数值没有明显差异,这与本试验段设置了50 cm厚加筋碎石垫层有关。

线路中心处沉降量最大,左右两侧沉降沿横断面方向表现出不对称性,左侧沉降小于右侧沉降,这与施工便道位于线路左侧有关。搅拌桩地基最大沉降速率为5.8～7 mm/d。

分层沉降数据汇总见表3。从表3可知,水泥搅拌桩加固区的沉降总量为96.01 mm,占总沉降的72.3％,而下卧层的沉降量为36.76 mm,占总沉降的27.70％,可见下卧层沉降所占比例是较高的,大多在20％以上。

表层土层①的沉降量为总沉降量的20.2％,说明水泥搅拌桩复合地基浅层所受附加应力最大,所产生沉降不容忽视。

表3 水泥搅拌桩处理断面实测分层沉降数据

2.2 真空联合堆载预压加固法处理软基的沉降监测结果及分析

(1)真空联合堆载预压孔压监测结果及分析

真空联合堆载预压加固软土地基孔隙水压力-荷载-时间曲线见图4。孔隙水压力随膜下真空度的变化十分明显。抽真空初期,孔压下降非常快,抽至真空仅5 d,该断面16 m深度内孔压下降17.5～39.5 kPa,之后孔压下降速率减小。在膜下真空度下降期间,孔压均有不同程度的上升。当膜下真空度重新达到80 kPa后,孔压又下降。至正式填筑前,该断面16 m深度内,孔压已下降35.2～78.2 kPa。正式填筑后,各测点孔压又上升,该断面分别最大上升48 kPa,出现在4～8 m深度的软土层中。荷载稳定后,孔隙水压力消散明显。

图4 真空联合堆载预压地基孔隙水压力-荷载-时间曲线

(2)真空联合堆载预压沉降监测结果及分析

在0+276.51～0+515段采用塑料排水板真空联合堆载预压加固处理,加固深度14.5～18.5 m,排水板间距1.2 m，梅花形布置。塑料排水板顶面铺0.8 m厚的砂垫层，内铺设一层土工格栅,要求膜下真空压力不小于80 kPa。

真空联合堆载预压地基分层沉降-荷载-时间的变化曲线见图5。

图5 真空联合堆载预压地基分层沉降-荷载-时间曲线

该断面沉降变化可分两个阶段进行分析：

①在开始抽真空到开始正式路堤填筑期间,属于真空预压阶段，此阶段地基沉降与膜下真空度相对应。开始抽真空后，在8 h内膜下真空度就达到了设计80 kPa的要求。最初5天,沉降速率很快,可达4～6 cm/d，随后沉降速率逐渐变小。当膜下真空度下降期间,沉降速率明显变小。膜下真空度重新达到80 kPa后,沉降速率又变大。至正式开始路堤填筑前,即真空预压时间约两个月后,该断面沉降速率已分别减小到3～5 mm/d，说明真空预压阶段的土体主固结沉降变化速率也是一个渐变收敛过程,与堆载预压规律基本一致。该断面正式填筑时总沉降分别达到85.0 cm(包括路基底部砂垫层及塑料排水板施工引起的少量沉降,约6～8 cm)。

②真空-堆载联合阶段,正式开始填筑后,沉降速率又变大,其大小与填土速率密切相关。如第一年8月1日～8月6日填土速率较快时,其沉降速率大于1.0 cm/d,至当年11月底该断面沉降量分别已达到185.4 cm；真空卸载后阶段(第一年10月31日以后),发生回弹,其值为1 cm。随着基床表层级配碎石的填筑,又发生沉降,但沉降速率明显变小,该断面半个月沉降量仅3～6 mm。

地基面下各深度的沉降量与软土地基类型、软土层厚度的关系十分密切。由于设计塑料排水板的深度已达至软土层底部,主要的沉降量都发生在加固区,加固区下的沉降量所占总沉降量的比例较少。现将至第一年11月17日测得的各部分沉降汇总于表4。

表4 真空联合堆载预压法实测加固区与下卧层各部分沉降

从加固区和下卧层的沉降量可知,由于软土层采用塑料排水板加固,下卧层沉降量较小,为11.3 cm,仅占总沉降的6.1％,这对于工后沉降的控制非常有利。

2.3 砂桩等载预压加固法处理软基的沉降监测结果及分析

(1)砂桩等载预压孔压监测结果及分析

砂桩地基孔隙水压力-荷载-时间曲线见图6。

图6 砂桩等载预压地基孔压-荷载-时间曲线

整条孔压曲线大致可分为三部分：

①加载初期,孔压在加载期的上升及间歇期的下降均不明显，说明荷载较小时对孔压的影响亦不大。

②加载中期,超孔压在加载期的上升及间歇期的下降较明显,说明荷载增大后对孔压的影响加大。

③加载后期,与加载次数对应,台阶多而密,但上升值与加载中期相比要小,原因可能是随着路堤高度的增加,新增荷载传递至地基土中的附加应力有所降低。

从砂桩地基的孔压消散速率Vk与加载速率Vp关系来分析,随着地基土体的固结,比值Vk/Vp随时间增长而降低,说明在单位时间单位荷载作用下,孔压消散量逐渐减小,此亦说明固结排水作用不断减弱。

(2)砂桩等载预压沉降监测结果及分析[6]

0+735断面采用砂桩等载预压加固法处理,砂桩用料为中粗砂,采用振动式(振动重复拔管)和冲击式(双管冲击)两种砂桩施工方法。砂桩顶铺0.6 m厚砂垫层,内铺设一层土工格栅。预压土柱高1.0 m,预压放置时间不少于3个月。

砂桩等载预压处理断面分层沉降仪测试数据的地基土沉降-荷载-时间的关系曲线见图7。

图7 砂桩等载预压地基分层沉降荷载-时间-沉降曲线

随着荷载时间的增加,沉降也逐渐增加。沉降板及剖面沉降测出的沉降随荷载和时间变化规律与分层沉降规律相同。砂桩地基的沉降速率在加载期间增大,而间歇期时,沉降速率又减小,沉降速率曲线呈现出不规则的锯齿状。

分析表明,沉降增长速率Vs随平均加载速率Vp的增加而增加,但Vs/Vp的值则逐渐减小,说明在单位时间单位荷载作用下,砂桩地基的沉降量逐渐减少,即固结排水作用不断减弱。

从不同深度磁环的沉降曲线可以看出，沉降是由地表向下发展并主要发生在软土层。表5是两断面分层沉降测试数据的汇总资料。从中可知,其中0+735断面①、②地层的总分层沉降达233 mm,占总沉降的84.21％,而①、②地层总厚仅为6.75 m；而下卧层的沉降量仅为22.7 mm,占总沉降的8.2％。

表5 砂桩等载预压处理软基实测分层沉降测试数据汇总

3 三种软基处理方法工后沉降估算和经济性对比

3.1 三种加固方法下地基工后沉降估算对比[7-9]

根据加固方法的不同,采用不同方法对工后沉降进行了计算：对于水泥搅拌桩地基，根据以往的过程经验,采用复合模量法进行沉降计算；对于真空联合堆载预压地基、砂桩地基，采用Es及e-lgp等方法进行沉降计算。

(1)水泥搅拌桩地基

参考秦沈客运专线的经验,研究中以双曲线法基本原理为基础,采用复合双曲线法进行沉降预测。经过沉降预测及与实测值的比较,采用复合双曲线法进行施工期间的沉降预测是可行的。经计算,考虑双线单荷列车荷载,搅拌桩复合地基的沉降约为2 cm,加上未考虑列车荷载的工后沉降,搅拌桩地基的工后沉降可满足工后沉降小于5 cm的要求。

(2)真空联合堆载预压地基

工后沉降由两部分组成,即未完成的主固结沉降和次固结沉降。由于下卧层透水性较差的粉质黏土层厚度仅1.3～3.5 m,也很快完成了主固结沉降。至次年6月30日,两断面固结度已达100％,因此工后沉降仅为次固结沉降,为8.6 cm。

(3)砂桩等载预压地基

总固结沉降等于砂桩加固区及加固区以下固结沉降量之和,由于砂桩地基软土较浅,软土厚度仅4 m左右,初步估计工后沉降的平均值为5.09～9.18 cm之间,可以满足工后沉降小于10 cm的要求。

3.2 三种软基加固方法下的技术经济对比

不同地基处理方法技术经济比较见表6。

就技术而言,各种施工工艺均可以满足工程的要求。软土地基经水泥搅拌桩处理后,填筑速率不受稳定性控制,可以加快填筑速率，缩短工期,减少工后沉降明显；采用真空预压联合堆载预压处理软土地基,路堤填筑不受稳定性控制,工后沉降得到减少,但要注意其对周围结构物的影响；采用砂桩等载预压处理软土地基,路堤稳定性基本不受控制,工期较长,工后沉降相对较大,但价格相对低廉,地基具有排水固结和复合地基双重作用。

表6 三种软基加固方法技术经济性对比

4 结论

(1)真空联合堆载预压法和砂桩等载预压法处理的地基下卧层沉降占总沉降的比例小于10％,对工后沉降较有利。

(2)搅拌桩地基工后沉降较小,可以满足工后沉降5 cm的要求,砂桩等载预压地基、真空预压联合堆载地基可以满足工后沉降10 cm的要求。

(3)就经济性而言,砂桩等载预压的单价最小,搅拌桩处理地基的单价最大,真空联合堆载预压处理地基单价居中,但砂桩等载预压处理的工期长,工期不易受控制。

(4)综合各种指标,相对而言,水泥搅拌桩、真空预压联合堆载处理铁路软土路基的优势较明显,建议高速铁路地基处理中优先考虑。

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