碎石桩在甘泉堡神信铁路专用线软土地基处理中的应用

吴玉明

摘 要：在新疆甘泉堡神信铁路路基设计中，大范围采用碎石桩处理软土地基，并取得了成功，较好地解决了铁路穿越甘泉堡地区大面积软土地基的问题。文章结合试验段路基，阐述了碎石桩处理软土地基的加固原理，介绍了碎石桩处理软土地基的设计、施工工艺及质量检测，通过软土地基处理前后检测结果的对比分析，对碎石桩处理软土地基的效果进行了评价，为该地区其它类似工程的设计与施工有较好的借鉴意义。

关键词：软土地基；碎石桩；施工工艺；质量检测

1 碎石桩处理软土地基的加固原理

碎石桩加固软土地基主要是与天然软土地基形成一种复合地基，从而提高地基承载力、减少沉降量、提高地基土体的抗剪强度，增强了地基土地的抗滑稳定性。碎石桩对软土地基的加固作用主要有置换、挤密、振密、排水、垫层及加筋等。

1.1 置换作用

通过成桩机械将不良地基强制排开并置换，以性能良好的砂石来替换不良的软弱粘性土。而碎石桩的刚度比桩间土的刚度大，在荷载作用下，为了保持桩土变性的协调，地基中的应力向桩身发生集中，从而相应减小了桩间土承受的应力，使复合土体的承载力较原地基有所提高，沉降量得到下降。桩的置换作用的大小主要取决于桩间土对桩体的约束力。

1.2 挤密作用

下沉桩管时桩管对周围土体产生很大的横向压力，将土体中等于桩管体积的土挤向周围土体使之密实；灌注碎石后振动、反插也使周围土体受到挤密，从而提高了地基强度。侧向约束力对碎石桩性状影响至关重要，如桩侧土对碎石柱的约束力很小，不但形不成应力向桩体集中，而且还影响碎石桩对桩间土的挤密作用。

1.3 振密作用

碎石桩主要靠桩的挤密和施工中的振动作用使桩周围土的密度增大，从而使地基的承载能力提高，压缩性降低。当被加固土为液化地基时，由于土的空隙比减小、密实度提高，可有效消除土的液化。

1.4 排水作用

在软粘土中，碎石桩是粘性土地基中一个良好的排水通道，碎石桩的反滤性和渗透性都比较好，它能起到排水砂井的作用，使得土体固结排水路径大大缩短，固结速度大大提高。

1.5 垫层作用

对于较厚的软弱土层中，碎石桩不能穿透整个土层，加固过的地基部分对于下卧层起到垫层的作用，垫层将荷载扩散，使扩散到下卧层顶面的应力减弱并使分布趋于均匀，从而提高地基的整体抵抗力，减小其沉降量。

1.6 加筋作用

对于厚度不大的软弱土层，碎石桩可以穿透整个软弱土层并置于其下的硬底层上，桩体在外荷载的作用下就会产生一定的应力集中现象，从而使桩间土承担的压力相应减小，复合地基的承载力会提高，压缩量会减小，稳定性会得到加强，沉降速率会加快，可以提高土体抗剪强度，加固后的复合桩土层能改善土坡的稳定，像抗滑桩一样迫使滑动面远离坡面、向深处转移，这种加固作用即通常所说的加筋作用。

2 工程实例

2.1 概述

新疆甘泉堡神信铁路专用线全长43km，其中路基长42.2km。线路多穿越农田区和水库边缘，沿线特殊岩土主要为软土（个别地段同时具有地震液化现象），长度累计达10.7km，约占路基长度的25%，软土地基处理是本线路基工程的重点和难点，根据地质详勘资料，通过反复技术、经济比较后，对本线软土地基主要采用碎石桩进行加固处理，全线碎石桩长度达90万延米。下面选取本线碎石桩试验性施工段DK14+500～DK14+700段作为工程实例来介绍碎石桩的设计、施工及检测。

2.2 工程地质

2.2.1 工点位于冲、洪积平原，地势南高北低，地形较平坦。本段主要为耕地，种植作物为枸杞，地表植被发育，交通条件较好。工点范围地层主要为第四系全新统至上更新统冲、洪积粉土、软粉土。

（1）粉土（Q3-4al2+pl2）：工点范围内的主要地层，层厚大于10m。褐黄色，土质均一，粉感较重，稍密-中密，稍湿-饱和，Ⅱ级普通土，σ0=120Kpa。

（2）软粉土（Q3-4al2+pl2）：分布于全段范围内，下伏于粉土，顶板埋深1～2m，厚度1.5～4m，潮湿-饱和，稍密，Ps=440～800kPa，Ⅱ级普通土，σ0=60～80Kpa。

2.2.2 不良地质及特殊岩土。不良地质主要为地震液化现象，工点范围内地下水埋深2～4m，地下水位至15m深度间为地震液化层。特殊岩土为软粉土及松软土。

（1）软粉土。下伏于粉土，顶板埋深1～2m，厚度1.5～4m，潮湿-饱和，稍密，Ps=440～800kPa，σ0=60～80Kpa。根据初定测土工试验资料，其物理力学指标分析统计结果如下：e=0.755，ρ=2.01g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=13.1kPa，φ=13.1°，Cv=1.25x10-3cm2/s，CH=1.25x10-3m2/s，φcu=27.7°。

硬壳物理力学指标分析统计结果如下：e=0.693，ρ=1.9g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=12.6kPa，φ=23.0°，Cv=1.40x10-3cm2/s，CH=1.40x10-3cm2/s。

硬底物理力学指标分析统计结果如下：e=0.53，ρ=2.1g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=22.5kPa，φ=24.0°，Cv=1.82x10-3cm2/s，CH=1.82x10-3cm2/s。

（2）松软土。下伏于软粉土层，厚度1～3m，稍密，Ps=840～1450kPa，σ0=90～100kPa。松软土（水位下）物理力学指标分析统计结果如下：e=0.757，ρ=2.03g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=14.1kPa，φ=15.2°，Cv=1.52x10-3cm2/s，CH=1.52x10-3cm2/s，φcu=27.7°。

2.2.3 水文地质特征。地下水位第四系孔隙潜水，地下水位埋深2～4m，水质较差，环境作用等级分别为H2、L2。

2.2.4 地震。地震动峰值加速度0.10g，地震动反应谱特征周期为0.40s，地震基本烈度七度。

2.3 方案设计

2.3.1 设计依据。（1）《铁路路基设计规范》TB10001-2005，《铁路特殊路基设计规范》TB10035-2006，《铁路工程地基处理技术规程》TB10106-2010。（2）地基存在软土及地震液化现象，根据稳定性检算及沉降计算，地基加固处理之前路堤的稳定安全系数为1.17、沉降为0.37m，采用碎石桩加固处理后路堤的稳定安全系数为1.18、沉降为0.22m。

2.3.2 工程措施。（1）路堤基底采用碎石桩加固处理，碎石桩按正三角形（梅花形）布置，桩间距S=1.6m，桩径d=0.8m，桩长L按软土地基处理纵断面图中所示桩底高程控制，处理宽度为路堤坡脚外不小于2.0m，碎石桩桩顶与路堤基底之间设置厚0.5m厚的卵砾石垫层，垫层内夹铺两层经编双向土工格栅，其极限抗拉强度不小于120kN/m，延伸率不大于10%。（2）碎石桩桩体材料应采用不易风化的性能稳定的硬质碎石或卵石，含泥量不大于5%，沉管法施工粒径宜为20～50mm，振冲法施工粒径宜为20～150mm。（3）碎石桩宜从中间向外围施工，采用沉管法施工时桩位水平偏差不应大于0.3倍套管外径，套管垂直偏差不应大于1%。施工过程中，各段桩体应符合密实电流、填料量及留振时间三方面的规定。（4）碎石桩施工后，应将地表以下松散土层挖除或夯压密实后，铺设卵砾石垫层及格栅。

2.4 碎石桩施工工艺。（1）清理平整施工场地，测量放样，布置桩位；（2）移动桩机及塔架，把桩机或桩尖对准桩位；（3）启动振动锤，把桩管下沉到设计的深度；（4）在下沉过程中的同时或在下沉到设计的深度后，向桩管内加入规定数量的碎石料；（5）通过空压机向桩管内充气，当桩管内的充气气压达到桩长所要求的对应的压力后，停止充气；（6）启动振动器，把桩管提升1～2m，在提升的过程中，桩管的出料活门在气压及碎石料的重力作用下自动打开，桩管内碎石料在气压和重力作用下流入钻孔中；（7）降落桩管，利用振动或及桩尖的挤压作用使碎石密实；（8）重复5、6、7三步骤，其中，在步骤5中，充气的气压根据变化的桩长进行调节；（9）当桩机内碎石料用到规定程度时，再向桩管内添加碎石料，重复5、6、7三步骤；（10）桩管提至碎石桩设计顶标高，制桩完成。

2.5 碎石桩施工参数

（1）填料量：直径80cm，碎石桩0.6m3/m；（2）留振时间20S；（3）空振电流和振密电流：根据进场机械设备功率，振密电流与空振电流相减差值不小于30A；（4）反插次数：每提升1.5～2.5m反插1次；（5）提升速度1.5～2.5m/min。

2.6 碎石桩质量检测

碎石桩施工结束后，应间隔14～21天后进行质量检验。质量检验应执行《铁路工程地基处理技术规程》（TB 10106-2010）中相关规定，进行单桩复合地基承载力载荷试验和桩身密实度重型动力触探试验。单桩复合地基承载力检测采用载荷试验方法（快速维持荷载法），桩身密实度检测采用重型圆锥动力触探方法（N63.5）。

2.6.1 单桩复合地基载荷试验

（1）试验设备技术参数

表1 设备技术参数汇总表

（2）载荷试验技术参数。荷载共分8级施加，压板应力按每级30kpa等量递增，第一级压板应力为40kPa最大压板应力250kPa，最大有效荷载630KN，压重平台堆载800KN。

（3）载荷试验数据分析。取P-S曲线上S/D=15‰处（P为压板应力；S为地基沉降量；D为压板直径）所对应的压力值和最大有效荷载的一半，两值的较小值为碎石桩复合地基承载力。本次载荷试验点复合地基承载力不小于125kPa。

2.6.2 重型动力触探试验

受桩间土地质特征、施工质量、成桩恢复期、碎石料粒径等因素的影响，实测重型动力触探数据N63.5离散性比较大，因此，采用重型动力触探判定桩身密实度是否合格还应该结合载荷试验结果综合确定，检测数据如下表2所示。

表2 重型动力触探试验数据汇总表

2.7 检测结果分析

按拟定的施工参数和技术工艺施工，试验性施工段碎石桩复合地基承载力大于120kPa，满足设计要求；直径80cm的碎石桩桩身密实度可以达到稍密、局部中密。检测结果表明：

（1）碎石桩处理软土地基后，复合地基基本承载力得到了有效的提高，达到了提高承载力的目的。

（2）重型动力触探结果表明：实测桩身整体重型动力触探平均击数N63.5均大于5击，桩身密实度整体评价为稍密至中密，结合载荷试验结果综合判定桩身密实度校正后临界合格锤击数为7击/10厘米，表明已经消除液化。

3 结束语

3.1 采用碎石桩处理软土地基，可以改善地基土的物理力学性质，加速软土地基排水固结的速度，沉降得到有效控制，使软土地基承载力大大的提高，同时对地基土的液化有明显的处理效果。

3.2 本次试桩结论为本项目其它软土地段展开大面积的碎石桩施工提供了成功的施工参数和施工工艺，采用碎石桩处理软土地基值得在新疆甘泉堡地区铁路工程中进一步推广应用。

参考文献

[1]铁道部.TB10035-2006铁路特殊路基设计规范[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]铁道部.TB10001-2005铁路路基设计规范[M].北京：中国铁道出版社，2005.