浅谈铁路地震液化路基处理方法

刘德柱

摘要本文对铁路地震液化路基的处理方法及设计进行了总结，并结合具体工程就挤密碎石桩在地震液化路基中的应用做了进一步说明。

关键词：地震液化 碎石桩 抗震稳定性

中图分类号：X731文献标识码： A 文章编号：

1、地震液化的机理

土是一种多相多孔的固体状介质，一般情况下处于一种稳定的结构状态，当土体受振动作用或在地震作用下，受力的方式和大小发生了很大的变化，这就将使土体内部固相和液相的受力状态发生改变，导致土结构的破坏。饱和砂土、粉土在地震作用下受到反复剪应力作用，使颗粒产生滑移，改变排列状态而趋于密实；同时，因地震历时短暂和排水不畅，土中的孔隙水压力升高，有效应力相应降低，在极端情况下，不仅全部外力由水来承担，而且砂土的重量也加到水上，形成了颗粒的悬液。从而导致土体不再能抵抗它原来所能安全承受的作用剪应力，形成液化流动破坏。

2、地震液化的主要处理措施

地震液化的处理措施是对液化路基的综合治理，应根据铁路等级和地基的液化等级等采取不同的加固措施，从而保证铁路的安全运营及后期的养护便利。

液化土路基设计前需进行稳定检算，稳定不满足要求时，需放缓边坡设置反压护道或对可液化得土层进行处理以确保路基的抗液化稳定性。处理地震液化路基常用的方法主要有以下几种：

（1）挖除换填法就是将可液化土挖除用非液化土进行分层填筑，同时以人工或机械方法分层压、夯、振动等使之达到要求的密实度。这种方法不仅挖去了浅层可液化的地层，而且上部回填的土层还有利于防止下部砂层的液化破坏。一般当可液化地层距地表不大于3米采用挖除换填处理。

（2）强夯法是通过重锤从一定的高度自由落下，以重锤自由下落产生的冲击波给地基以冲击和振动。在夯锤反复作用下，饱和土中将引起很大的超孔隙水压力，随着夯击次数的增加，超孔隙水压力也不断提高，致使土中有效应力减少。当土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力或等于上覆土压力加上土的粘聚力时，土中的有效应力完全消失，土的抗剪强度将为零，土颗粒将处于悬浮状态。此时由于 骨架联接完全破坏，土体强度降到最低，使饱和土体中水流阻力也大大降低、渗透系数大大增加。而处于很大的水力梯度作用下的孔隙水，就能沿着土中已经由夯击而产生的裂隙面或者击穿土体中的薄弱面迅速排出，超孔隙水压力快速消散，加速饱和土体的固结，使土体的抗剪强度和变形模量明显增加，从而提高地基的强度、降低土层的压缩性、改善其抵抗振动液化的能力。

（3）对于液化地层较厚采用挖除换填等处理措施无法满足稳定要求时，一般采用挤密砂桩或挤密碎石桩等加固，对于砂土液化还可以采用振冲密实法处理。

①挤密砂桩、挤密碎石桩处理地震液化一般采用振动沉管成桩法施工。是利用振动作用先将一个钢管打入地基，然后从管内将粗粒料抛入，一边震动一边将管上提，一边将砂夯实，对桩间土的可液化土层起到挤密和振密的作用，土层的密实度增加，结构强度提高。同时砂石桩作为良好的排水通道，可以加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力的消散，降低孔隙水压力上升的幅度，从而提高桩间土的抗液化能力。

②振冲密实法就是依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列，孔隙减少，使土体变得密实，从而提高地层的抗液化能力。但由于粉土颗粒较细，在振动作用下极易产生宽广的流态区，不仅不会使土变密实反而变得更加松散，因此对于粉土液化，振冲法并不适用。同时群孔振冲要比单孔振冲的挤密效果要好很多。

此外放缓边坡设反压护道、碎石垫层夹铺土工格栅等也能很好的加强可液化地基的稳定性。

同时对于液化路段的填料应选用抗震稳定性好的填料避免采用粉土、粉砂等做填料，否则应进行改良后再进行填筑。

3、地震液化路基设计

地震液化路基在设计前应充分考虑铁路等级、地震烈度、液化地层的埋深及厚度、路堤填土高度等因素，对处理方案进行综合比选，在做到安全可靠的前提下优先选择技术先进、经济合理的处理措施。

（1）液化土地基上的路堤满足以下任一条件者可不采取加固措施。

①Ⅰ、Ⅱ级铁路路堤填土高度小于3m，工企铁路路堤填土高度小于4m；

②Ⅰ、Ⅱ级铁路路堤填土高度小于5m，工企铁路路堤填土高度小于6m，且设防烈度为7度、8度、9度时，地面以下分别为5m、6m、7m深度范围液化土层累计厚度小于2m；

③上覆非液化土层厚度du或地下水位深度dw大于下表的规定：

对于不满足以上条件的路基均需进行特殊设计并进行稳定检算，确保加固后的路基满足稳定要求。

（2）地震液化路基加固设计

①确定加固深度

一般要求加固至液化地层底。在液化层较厚的情况下，也可以采用部分消除地基液化的措施，但处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判别深度为15m时液化指数不大于4，当判别深度为20m时液化指数不大于5。

②确定加固宽度

强夯一般路堤坡脚外不小于3m，采用振冲加密法，挤密砂桩或挤密碎石桩等加固时路堤坡脚外不小于基地下可液化土层厚底的1/2。

③路堤与地基稳定性验算

路堤与地基稳定性验算时，采用圆弧条分法，水平地震力和稳定系数的计算由下式确定：

a．作用于各条土块质心处的水平地震力应按下式计算：

—第i条土块质心处的水平地震力（kN）；

—水平地震作用修正系数，取0.25；

—设计地震动峰值加速度（m/s2）；

—第i条土块的质量（t）。

b．稳定性检算：

稳定系数应按下式计算：

K—稳定系数；

—第i土条滑裂面处土的固结快剪粘聚力（kPa）；

—第i土条滑裂面处土的固结快剪摩擦角（度）；

—第i土条自重在滑弧法向的作用力（kN），；

—第i土条滑裂面的长度（m）；

—第i土条在滑弧切线方向产生的下滑力（kN），；

—第i土条在滑弧切线方向产生的水平地震力（kN），；

—为第i土条滑面以上土的自重；

r—滑弧半径（m）；

y—土块质心至滑弧圆心垂直距离（m）。

液化土地基检算时，应对液化土层的力学指标，包括弹性抗力、摩擦力和摩擦角、抗剪强度等力学指标进行折减，具体折减系数见下表：

液化土力学指标折减系数：

注：为标准贯入、静力触探试验点的深度；为抗液化指数。

取值按下式计算：

采用标准贯入试验时：

采用静力触探试验时：

路基稳定安全系数K的取值应符合以下规定：

D类工程路基边坡高度小于或等于15m时，K不应小于1.10；C类工程和边坡高度大于15m的D类工程，K不应小于1.15。

4、工程实例

（1）工程概况

淮安盐化工铁路DK1+000～DK1+600位于黄泛冲平原区，地势宽广平坦，地表水系发育，河流纵横，交织成网，路基最大填方高度约8m。钻探资料显示上覆填土约为1～1.5m，以下为Q4al2稍密粉土，层厚13～14m，天然含水量24.1%～29.9%，饱和度93.6%，液限28.4～30.3，承载力90～100kPa。通过标贯试验判别整个粉土层均为可液化地层，最小抗液化指数Fi仅0.5。经稳定检算，路基稳定不满足规范要求因此地基需进行加固处理。