中川铁路饱和黄土地基水泥土搅拌桩静载试验研究

陈世雷，刘永河，杨有海

( 1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州　730070; 2．兰州交通大学铁道技术学院，甘肃兰州　730000)



中川铁路饱和黄土地基水泥土搅拌桩静载试验研究

陈世雷1，刘永河2，杨有海1

( 1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070; 2．兰州交通大学铁道技术学院，甘肃兰州730000)

摘要:依托兰州西至中川机场铁路工程，对饱和黄土地基条件下水泥土搅拌桩进行单桩及单桩复合地基静载荷试验。结果表明:相比天然饱和黄土地基，二灰掺合比为12%～20%的水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值提高约48%～88% ;随着二灰掺合比增大，水泥土搅拌桩单桩承载力及复合地基承载力均增大;随着上部荷载的增加，桩顶与桩间土应力会不同幅度增大，桩土应力比先增大后逐渐减小。通过计算得出，中川铁路饱和黄土地基水泥土搅拌桩复合地基桩间土承载力发挥系数为1. 09。

关键词:饱和黄土水泥土搅拌桩复合地基承载力二灰掺合比

中国黄土主要分布于北纬33°～47°，尤以34°～45°最为发育，总面积约为63. 5万km2，占世界黄土面积的4. 9%左右。随着西部大开发的推进，广大黄土地区的高速铁路密度显著提高，黄土已成为黄土地区修建铁路的主要材料。针对如何提高黄土地基的承载力和水稳定性，减小地基沉降，开展了长期的研究和实践［1］。对于饱和黄土，由于饱和度较大，土体处于软塑至流塑状态，承载力很低，压缩量较大，建在其上的线路、路基会发生较大的沉降和不均匀沉降［2］，因而需要研究适合不同等级铁路要求的饱和黄土地基加固处理技术。

本文依托兰州西至中川机场铁路工程，对饱和黄土地基条件下水泥土搅拌桩及复合地基进行静载荷试验，研究其承载特性，探讨二灰掺合比对水泥土搅拌桩及复合地基承载力的影响，为该地区饱和黄土地基处理积累经验。

1单桩及复合地基承载力计算

单桩竖向承载力特征值计算公式为

式中: Ra为单桩承载力特征值，kN; up为桩的周长，m; n为桩长范围内所划分的土层数; qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa，可按地区经验确定; li为桩长范围内第i层土的厚度，m;αp为桩端端阻力发挥系数，应按地区经验确定; qp为桩端端阻力特征值，kPa，可按地区经验确定，对于水泥土搅拌桩、旋喷桩应取未经修正的桩端地基土承载力特征值; Ap为桩的截面积，m2。

复合地基承载力特征值计算公式为

式中: fspk为复合地基承载力特征值，kPa;λ为单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值; m为面积置换率;β为桩间土承载力发挥系数，可按地区经验取值; fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，可按地区经验确定［3］。

目前水泥土搅拌桩工程设计阶段大多都是采用式( 2)计算水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值。从式( 2)中可以看出，复合地基承载力特征值计算的准确度主要取决于单桩和桩间土承载力特征值及桩间土承载力发挥系数β的合理取值［4］。

2　工程概况

兰州西至中川机场铁路全长60. 515 km。全线路基长35. 923 km，占线路总长的59. 3%，其中利用既有线10. 789 km，新建25. 134 km。该铁路为Ⅰ级双线铁路，其中西固城至中川机场段设计速度为160 km/h。新建铁路部分路段为饱和黄土地基。

选取的试验段位于DK48 + 430—DK49 + 030，总长600 m。该地段地基主要为饱和黄土，试验段浅层地基土的基本物理性质见表1。

该地段采用双向水泥土搅拌桩加固，桩顶设0. 5 m厚的碎石垫层，垫层内铺设一层抗拉强度为80 kN/m的双向土工格栅。所采用的水泥土搅拌桩桩径0. 5 m，桩间距1. 3 m(三角形布置)，桩土面积置换率13. 4%，桩长8～12 m;设计要求单桩承载力特征值Ra≥97 kN，加固后的复合地基承载力特征值fspk≥152 kPa。

表1浅层地基土的基本物理性质

为研究二灰掺合比对复合地基承载力的影响，将DK48 + 580—DK48 + 630，DK48 + 830—DK48 + 880共100 m，掺合比取20%，DK48 + 430—DK48 + 480内选取2段(每段3排水泥土搅拌桩)，掺合比取12%，其余均按设计要求掺合比取16%。根据试验要求对不同掺合比的单桩及复合地基进行静载荷试验。

3　试验结果与分析

共进行3次天然地基静载荷试验、6次单桩静载荷试验和6次复合地基静载荷试验，其中每种掺合比分别选取2根水泥土搅拌桩做单桩静载荷试验，再分别选取2根水泥土搅拌桩做复合地基静载荷试验。

3. 1天然地基静载荷试验

结合试验段工程地质情况，采用浅层平板载荷试验来测定试验段天然饱和黄土地基的承载力。天然地基静载荷试验在试验段选取3个具有代表性的点，编号依次为1#，2#，3#，采用尺寸为0. 96 m×0. 96 m的承压板进行承载力试验。试验测得的天然地基的载荷—沉降( p－s)曲线见图1。

图1天然地基静载荷试验p－s曲线

从图1可以看出，天然地基在载荷＜100 kPa时沉降较小，沉降变化速度也较小;当载荷＞100 kPa时，沉降迅速变大;载荷在200 kPa之内已经达到终止加载的条件。根据规范［5］取沉降与承压板宽度之比s/b = 0. 012时的沉降所对应的载荷值作为天然地基承载力，则3组试验测得天然地基的承载力特征值分别为130. 3，90. 4，91. 0 kPa，天然地基平均承载力特征值为103. 9 kPa。该平均值远远达不到路基设计中复合地基承载力特征值fspk≥152 kPa的要求，故需要对其进行加固处理。

3. 2单桩静载荷试验

在水泥土搅拌桩的龄期达到28 d后，对3种掺合比的水泥土搅拌桩进行单桩静载荷试验。将二灰掺合比为12%的水泥土搅拌桩编号为4#和5#，二灰掺合比为16%的水泥土搅拌桩编号为6#和7#，二灰掺合比为20%的水泥土搅拌桩编号为8#和9#。试验测得的单桩静载荷试验p－s曲线见图2。

图2单桩静载荷试验p－s曲线

从图2可以看出，二灰掺合比为12%的水泥土搅拌桩，当荷载达到约100 kN时沉降曲线发生陡降;二灰掺合比为16%的水泥土搅拌桩，当荷载达到约180 kN时沉降曲线发生陡降;二灰掺合比为20%的水泥土搅拌桩，当荷载达到约220 kN时沉降曲线发生陡降。4#，8#桩的p－s曲线为缓变型曲线，其余4根桩的p－s曲线均为陡降型曲线。

根据规范［5］中按照p－s曲线确定相应单桩承载力特征值的规定，4#桩取桩顶总沉降量40 mm所对应的荷载值为单桩竖向极限承载力，即181. 2 kN，其单桩承载力特征值为90. 6 kN; 5#，6#，7#，9#桩在某一荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，取前一级荷载值为单桩竖向极限承载力，分别为150. 0，197. 0，197. 0，254. 8 kN，其单桩承载力特征值分别为75. 0，98. 5，98. 5，127. 4 kN; 8#桩加载达不到极限荷载，已达到最大试验荷载，桩顶沉降速率达到相对稳定标准，单桩竖向极限承载力取最大试验荷载，即300. 0 kN，其单桩承载力特征值为150. 0 kN。试验结果汇总见表2。

表2水泥土搅拌桩单桩承载力特征值

由表2可以看出，二灰掺合比越高，水泥土搅拌桩单桩承载力越大。二灰掺合比为12%的水泥土搅拌桩单桩承载力特征值不能满足单桩承载力特征值Ra≥97 kN的设计要求。二灰掺合比从12%提高到16%时，水泥土搅拌桩的单桩承载力提升19. 0% ;而二灰掺合比从16%提高到20%时，水泥土搅拌桩的单桩承载力提升40. 8%。

3. 3单桩复合地基静载荷试验

单桩复合地基静载荷试验中使用的承压板直径为0. 9 m，承压板下铺设10 cm厚的碎石垫层，承压板上布置百分表对单桩复合地基沉降进行量测。

1) p－s曲线分析

将二灰掺合比为12%的水泥土搅拌桩单桩复合地基编号为10#和11#，二灰掺合比为16%的水泥土搅拌桩单桩复合地基编号为12#和13#，二灰掺合比为20%的水泥土搅拌桩单桩复合地基编号为14#和15#。试验测得3种二灰掺合比的单桩复合地基静载荷试验p－s曲线见图3。

从图3可以看出，13#单桩复合地基的p－s曲线呈陡降型，主要是由于施工过程中搅拌不均匀导致桩身存在软弱段，其变形大于桩身其他位置。其它5个单桩复合地基的p－s曲线均呈缓变型，水泥土搅拌桩桩身随荷载增加发生弹塑性变形，桩身与桩间土体的局部相对滑动量也随之增加，当荷载增加到一定数值后，桩间土体发生剪切破坏，水泥土搅拌桩达到承载极限［6］。

图3单桩复合地基静载荷试验p－s曲线

根据规范［3］中可按相对变形值确定单桩复合地基承载力特征值的规定，采用沉降与承压板直径之比s/b = 0. 006时所对应的压力计算单桩复合地基承载力特征值，得出的单桩复合地基承载力特征值见表3。

表3水泥土搅拌桩单桩复合地基承载力特征值

从表3可以看出，二灰掺合比越高，水泥土搅拌桩单桩复合地基承载力越大。3种二灰掺合比的水泥土搅拌桩单桩复合地基承载力特征值均可以满足复合地基承载力特征值fspk≥152 kPa的设计要求。相比天然饱和黄土地基承载力特征值，二灰掺合比为12%～20%的水泥土搅拌桩单桩复合地基承载力提高约48%～88%，加固效果显著。

2)桩土应力分析

铺设碎石垫层之前，在桩顶和桩间土上分别布置2只和4只土压力盒用于试验过程中桩顶应力和桩间土应力的量测。以11#单桩复合地基为例，试验测得的桩顶、桩间土平均应力值及桩土应力比随荷载变化曲线见图4。

图4单桩复合地基桩顶、桩间土平均应力及桩土应力比随荷载变化曲线

从图4( a)可以看出:随着上部荷载的增加，桩顶与桩间土分担的荷载都逐渐增大;桩顶分担的荷载大于桩间土分担的荷载，且前者增大速率大于后者。

从图4( b)可以看出:开始加载时随着上部荷载的增加桩体未发生屈服破坏，所施加的荷载主要由桩体承担，桩土应力比随之一直增大;当增加到一定荷载时，继续增加上部荷载，桩体与桩间土共同承担荷载，桩土应力比逐渐减小。因此，桩土应力比会出现先增大后逐渐减小的趋势。

4　桩间土承载力发挥系数β分析

桩间土承载力发挥系数β是反映桩间土承载力发挥程度及桩土共同工作的一个重要参数。β的取值与桩端土层软硬、桩土相对刚度、桩长、褥垫层的设置、桩土置换率、建筑物对沉降的要求及桩间土的受力历史有关［7-8］。桩的沉降越大，桩周软土承载力越能发挥。随着单桩沉降量的增大(这时桩间土沉降量也增大)，桩间土承载力发挥系数β逐渐增大［9］。

利用公式( 2)可以推导出公式( 3)

依据兰州西至中川机场铁路饱和黄土地基条件下水泥土搅拌桩单桩及复合地基静载荷试验结果，利用公式( 3)计算得到该饱和黄土地基桩间土承载力发挥系数，见表4。

表4水泥土搅拌桩复合地基桩间土承载力发挥系数

从表4可以看出，中川铁路饱和黄土地基条件下3种二灰掺合比( 12%，16%，20% )水泥土搅拌桩复合地基的桩间土承载力发挥系数β分别为1. 08，1. 09，1. 11。规范［3］给出了β的取值:对淤泥、淤泥质土和流塑状软土等处理土层可取0. 1～0. 4，对其他土层可取0. 4～0. 8;而计算所得的桩间土承载力发挥系数β值均大于规范中的β值，且＞1。主要是因为:水泥土搅拌桩呈三角形布置，对复合地基桩间土具有一定的侧向约束作用;水泥具有一定的吸水作用，使桩间土部分水分被吸收，加速了桩间土的渗透固结;水泥与土发生一系列的物理化学反应，提高了桩间土的强度［10］。这些因素的影响使得桩间土承载力发挥系数β＞1。结合工程应用情况，得到中川铁路饱和黄土地基水泥土搅拌桩复合地基桩间土承载力发挥系数β为1. 09。

5　结论

1)水泥土搅拌桩能够大大提高饱和黄土地基承载力，加固效果显著。

2)二灰掺合比越高，水泥土搅拌桩单桩及单桩复合地基的承载力越大。

3)随着上部荷载的增加，桩顶与桩间土平均应力会不同幅度增大，桩土应力比先增大后逐渐减小。

4)计算得出中川铁路饱和黄土地基水泥土搅拌桩复合地基桩间土承载力发挥系数β为1. 09，可为该地区其他工程建设提供参考。

参考文献

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(责任审编葛全红)

Static load test study on cement-soil mixing piles in saturated loess foundation of Zhongchuan railway

CHEN Shilei1，LIU Yonghe2，YANG Youhai1

( 1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．School of Railway Technology，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:Based on the railway engineering project from W estern Lanzhou to Zhongchuan airport，static load test on cement-soil mixing piles( on saturated loess foundation) as well as on integrated single-pile foundation were carried out．T he results indicate that in comparison with the foundation of natural saturated loess，the integrated foundation supported by cement-soil mixing piles with a 12%～20% additive ratio of cement and fly ash shows a 48%～88% increase in bearing capacity．And the growth of additive ratio brings up the bearing capacity of both the pile and the foundation at large．As the loading imposed to the upper structure goes up，the stresses at pile top and soil between piles grow by different amplitude，while the stress ratio of pile soil increases at first and falls at the later stage．It can be calculated that in this case the bearing efficiency β of soil between piles stands at 1. 09．

Key words:Saturated loess; Cement-soil mixing pile; Integrated foundation; Bearing capacity; Additive ratio of cement and fly ash

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0106-05

作者简介:陈世雷( 1990—)，男，在读硕士研究生。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题合同( 2013G009-N)

收稿日期:2015-09-10;修回日期: 2015-11-20

中图分类号:TU473．1+1

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．26