西宝高铁兴平段路基组合桩地基处理技术

张华莹

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

西宝高铁兴平段路基组合桩地基处理技术

张华莹

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

西安至宝鸡高铁兴平段路基位于关中平原西部渭河二级阶地上，地层上部为湿陷性黄土及饱和黄土，下部为砂层及圆砾土层，地下水位埋深较浅，路堤最大填方高度8 m，路基工后沉降难以控制。经综合方案比选，地基采用组合桩处理。本文详细地阐述了组合桩的设计计算方法，通过沉降观测、动态检测及运营实践证明，组合桩地基处理措施有效控制了路基工后沉降，满足无砟轨道铺设要求，使用效果良好。与传统单一桩型复合地基处理效果相比，组合桩具有节约投资、提高地基承载力、有效控制工后沉降等优势。

路基 组合桩 地基处理 沉降

西宝高铁是继郑西高铁后，黄土地区修建的又一条无砟轨道高速铁路，路基工后沉降控制严格。西宝高铁兴平段路基位于关中平原西部渭河二级阶地上，大部分地段地层上部为湿陷性黄土及饱和黄土，下部为砂层及圆砾土层，为确保路基工后沉降满足无砟轨道铺设要求，经综合方案比选，地基采用组合桩处理。组合桩为柱锤冲扩桩与CFG桩组合，与桩间土体形成复合地基，柱锤冲扩桩用于消除黄土的湿陷变形，CFG桩用于提高地基承载力、解决地基的压缩变形［1］。柱锤冲扩桩桩身分层采用不同材料，地下水位附近采用C15干硬性混凝土，其上采用黄土掺8%水泥。

1 工程地质特征

西宝客专兴平段路基起迄里程为DIK519+ 596.97—DIK521+772.78，长度2 425.6 m，路堤最大填土高度为8 m。地层上部为黏质黄土()，厚为9～13 m，具自重湿陷性，湿陷厚度为5.5～9.5 m，湿陷等级为Ⅱ级中等，地下水位附近处于饱和状态;下部为砂层及圆砾土层。地下水主要为第四系孔隙潜水，赋存于下部砂砾土中，地下水埋深为10～13 m，水量充沛。

在此类地基上修筑路基时，为满足路基工后沉降要求，必须考虑因地基湿陷和压缩变形对路基工程造成的危害，选择适宜的地基处理方法尤其重要。

2 地基处理方案比选

为保证方案安全可靠、经济合理，在设计前研究了水泥土挤密桩、水泥土挤密桩+CFG桩、桩锤冲扩桩、桩板结构、组合桩1(柱锤冲扩桩+CFG桩)、组合桩2 (柱锤冲扩桩(桩身分层采用不同材料)+CFG桩)六种处理方案。经沉降检算，前三种方案路基工后沉降无法满足无砟轨道铺设要求，故对后三种方案进行经济技术比较，结果如表1所示。

表1 地基处理方案比较

通过经济比较并考虑地下水位附近采用水泥土材料成桩困难，最终确定采用组合桩2方案。柱锤冲扩挤密桩桩径0.6 m，桩间距1.0 m，桩长10～13 m;CFG桩桩径0.4 m，桩间距2.0 m，桩长13～16 m。平面采用正方形布置，如图1所示。

柱锤冲扩挤密桩桩底以上4 m(地下水位附近)，土体含水量高，呈饱和状态，采用C15干硬性混凝土，其上桩身材料采用水泥与土的混合料，水泥的掺量不小于黄土干质量的8%。施工前应现场取样，进行室内配合比试验，压缩模量应不小于100 MPa。

CFG桩根据设计建议的配合比(表2)进行坍落度和28 d抗压强度试验，以确定施工配合比。

垫层材料采用6%水泥改良土，厚度不小于1.0 m。桩顶垫层内横向铺设两层双向土工格栅。

图1 组合桩处理横断面

表2 CFG桩材料建议配合比

3 组合桩设计

组合桩设计主要需要确定桩的平面布置、桩长、桩径、桩间距、桩体材料、垫层材料及厚度［2］，并依据确定的参数进行复合地基承载力和路基工后沉降检算。

3.1 平面布置

组合桩采用正方形布置，挤密桩在内侧，CFG桩在外侧，CFG桩孔中心间距是挤密桩的2倍，如图2所示。

图2 组合桩平面布置

3.2 桩长

组合桩中CFG桩主要用于提高承载力和控制地基压缩变形，桩端应位于持力层上，设计桩端位于密实细砂或中砂层内。柱锤冲扩桩主要用于消除上部黄土的湿陷性，桩长以黏质黄土与砂层的分界线控制。

3.3 桩间距［3］

挤密桩采用正三角形布置时，桩间距按照以下公式进行计算

式中:S为桩间距，m;a为系数，三角形布桩取0.95，正方形布桩取0.89;D为挤密填料孔直径，m;d为预钻孔直径，m;ρd0为地基挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度，g/cm3;ρdmax为击实试验确定的最大干密度，g/cm3;η¯c为经成孔挤密后桩间土的平均挤密系数。

挤密桩桩位采用正方形布置时，根据处理效果与正三角形布桩相等的原则，桩间距

式中，S'为正方形布置时的桩间距，m。

根据现场勘察和试验，确定计算参数:ρd0为1.286～1.411 g/cm3，ρdmax为1.700～1.750 g/cm3，η¯c取0.93，D=0.6 m，d=0.4 m。

由式(1)和(2)计算可得，S'为0.97～1.14 m，实际设计S'取1.0 m。

3.4 桩体强度

桩体混合料试块(边长150 mm立方体)标准养护28 d抗压强度平均值Pf:CFG桩Pf≥15 MPa，柱锤冲扩桩Pf≥2 MPa。

单桩竖向容许承载力［P］按照以下公式进行计算

式中:Ap为桩身截面积，m2。

由式(3)可得，CFG桩［P］=628.4 kN，柱锤冲扩桩［P］=188.5 kN。

3.5 垫层材料及厚度

地基表层为湿陷性黄土，为防止地表水下渗，桩顶垫层材料采用6%水泥改良土，垫层厚度1.0 m。

3.6 复合地基承载力检算［4］

复合地基承载力由CFG桩部分的承载力、挤密桩部分的承载力和桩间土的承载力按照一定的原则叠加形成。

复合地基容许承载力σsp计算公式为

式中:σs为桩间土容许承载力，kPa;m1，m2分别为CFG桩和挤密桩的置换率;P1，P2分别为CFG桩和挤密桩单桩容许承载力，kN;Ap1，Ap2分别为CFG桩和挤密桩的横截面面积，m2;λ1，λ2分别为挤密桩和桩间土的强度发挥系数。

将σs=100 kPa，m1=0.031 4，m2=0.282 8，P1= 628.3 kN，P2=186.6 kN，Ap1=0.125 7 m2，Ap2= 0.282 8 m2，λ1=0.33，λ2=0.75代入式(3)，可得到σsp=268.95 kN，满足上部结构承载要求。

3.7 路基工后沉降检算［5］

首先根据处理措施对地层分层并计算各层的复合地基模量，再计算各层面的附加应力及平均附加应力，然后计算各层的沉降量，分析确定合理的计算深度，累加计算深度范围各层沉降量。路基工后沉降为铺轨前后的复合地基总沉降量的差值。

复合地基总沉降量s由三部分(图1)组成:柱锤冲扩挤密桩加固区的土层沉降量s1，CFG桩加固区的土层沉降量s2，CFG桩加固区以下土层沉降量s3。总沉降s=s1+s2+s3。

沉降计算采用分层总和法，根据地基的复合压缩模量进行检算。

根据地质勘察资料，各天然土层的压缩模量平均值:黏质黄土E1－2=4.5 MPa，冲积粉质黏土E1－2= 3.1 MPa，E2－3=3.7 MPa，细砂E1－2=20.0 MPa，E2－3=20.0 MPa，中砂E1－2=25.0 MPa，E2－3=25.0 MPa。

选取不同断面进行总沉降计算，根据计算结果，考虑堆载预压后总沉降完成95%，得出路基工后沉降计算值为12.0 mm＜15 mm，满足无砟轨道铺设要求［6］。

4 组合桩施工质量控制

组合桩施工工序:柱锤冲扩挤密桩施工→全部检测合格→CFG桩施工→全部检测合格→垫层施工。对各主要施工环节必须严格控制。

4.1 柱锤冲扩桩

1)原材料控制

土料自取土场运至料仓后，通过筛土机过筛，确保粒径符合设计要求。土的有机质含量不大于2%。水泥土混和料中水泥含量为土体干质量的8%，含水率控制在17.4%左右，含水率的偏差量不超过2%。

2)钻进速度控制

低转速、低钻压，防斜为主。钻进量为每转10～30 mm，钻具的实际转速为临界转速的1.2～1.3倍。

3)夯击次数控制

用1.5 t的夯锤施工，夯机就位，将夯锤对准桩孔中心，提升8 m高度。夯实次数由下到上为:桩底以上3 m混凝土每层填料夯击12锤，桩底3 m以上至桩顶以下2 m每层填料夯击11锤，从桩顶至桩顶以下2 m范围内每层填料夯击14锤。

4.2 CFG桩

1)原材料控制

粉煤灰的细度(0.045 mm方孔筛筛余百分比)不大于45%，等级不低于Ⅲ级。

粗骨料要求:粒径为5～20 mm，松散重度为14.6 kN/m3，含水率≤1%，含泥量≤2%。石屑粒径≤10 mm，松散密度为1.47 kN/m3，含水率≤1%。

2)施工顺序控制

采用间隔跳打法，横向从线路中心向两侧推进，纵向从分界点顺线路方向推进。

3)泵送控制

桩孔灌料拌合后坍落度控制在180～200 mm。严禁先拔管后泵送混凝土。拔管时钻杆停止转动，严禁边拔管边转动。拔管速度控制在2～3 m/min。

5 组合桩地基处理效果

5.1 桩间距合理性验证

沿线路纵向连续每50 m选取6处样，进行了干密度测试和黄土湿陷性试验，挤密系数均≥0.93(轻型击实)，湿陷系数δs＜0.015，经柱锤冲扩挤密桩处理后，湿陷性已消除，挤密桩桩间距设计合理。

5.2 复合地基承载力

复合地基容许承载力为358 kPa＞268.95 kPa，满足设计要求。

5.3路基工后沉降评估

本段路基工程共设有218个路肩观测桩，109个组合式沉降板。路基主体于2011年6月30日施工完成，2011年7月24日至2012年1月9日运梁车通过，2012年2月26日开始堆载预压，卸载于2012年8月26日—9月22日陆续完成。至评估之日，观测桩观测次数为52次，实测累积沉降量为3.23～16.46 mm，最终预测沉降量为3.55～18.88 mm，预测工后沉降量不大于2.95 mm。沉降板观测次数为45次，实测累积沉降量为5.22～22.47 mm，最终预测沉降量为3.55～18.88 mm，预测工后沉降量不大于2.42 mm。工后沉降预测结果均＜15 mm，满足无砟轨道铺设要求。

5.4 动态检测及运营评价

经中国铁道科学研究院高速铁路系统试验国家工程实验室动态检测，轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和横向稳定性均符合要求;车体横向平稳性、车体垂向平稳性等级均为优。

西宝客专于2013年12月28日开通试运营，运营速度250 km/h。开通运营以来，路基地段线路状况良好，轨道线路平顺。

6 结语

1)路基沉降评估预测最大工后沉降值2.95 mm，远小于设计检算值12 mm。主要是因为本段路基主体施工完成后，运梁车通过加速了铺轨前沉降。实践证明，组合桩适用于下部为饱和黄土的湿陷土层的地基加固。

2)现行相关规范仅有单一桩型复合地基的计算公式和方法，本文通过组合桩设计计算及实践验证，为采用两种以上桩型复合地基的应用提供了新方法和新思路。

3)对CFG桩与柱锤冲扩桩的沉降协同还需进一步研究，可在桩的不同深度设置应力计，来测试两种桩的受力特性及协同情况。

4)桩间土强度发挥系数λ2的取值大小对桩的设计影响很大。加固土层不同，桩间土强度发挥系数差异较大，设计时应根据不同地层情况合理取值。

［1］龚晓南.地基处理手册［M］.3版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］李国春.长短桩复合地基的设计与应用［J］.北方交通，2012 (1):36-38.

［3］中华人民共和国建设部.GB 50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［4］葛忻声，龚晓南.长短桩复合地基设计计算方法的探讨［J］.建筑结构，2002，32(7):3-4.

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

［6］国家铁路局.TB 10621—2014高速铁路设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2015.

Technology of subgrade's foundation treatment by combined piles in Xinping section of Xi'an-Baoji high speed railway

ZHANG Huaying
(China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

T he X ingping section on X i'an-Bao ji high speed railway，laying on the second terrace of western W eihe p lateau，faces the challenge o f subgrade settlem en t，as the collapsible loess and saturated loess com pose the upper layer，w hile sand and gravel soil form the low er layer.T he shallow groundw ater depth and a m axim um filling heigh t of 8 m further pile on the treatm en t task.T he paper com pares the available schem es and p roposes the com bined pile foundation as a preferable solution.It en tails the designing concep t and calculation approach，and on this basis，carries ou t settlem en t observation，dynam ic detection and operation experim ent to prove its validity.T he results show that the schem e effectively controls the settlem ent，creating an enabling environm en t for ballastless-track pavem en t.Com pared w ith w idely-app lied single-pile foundation，this cost-effective solution helps enhance the bearing capacity o f the foundation and brings settlem en t under con trol.

Subgrade;Com bined pile;Foundation treatm en t;Settlem ent

TU472

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.27

1003-1995(2015)06-0105-04

(责任审编葛全红)

2014-10-20;

2015-04-30

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2010G003-F)

张华莹(1971—)，女，陕西西安人，高级工程师。