水泥掺量对搅拌桩复合地基沉降的影响分析

叶彩娟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043)

随着我国西北地区经济建设和社会发展，在黄土地区修建的铁路逐渐增多，正在修建或将来拟建设的新线铁路技术标准普遍提高，城际铁路日益发展壮大，路基工程的建设必须满足承载力及沉降控制的要求，保证铁路运营安全、舒适及快捷[1]。在饱和黄土地基上修建铁路，饱和黄土湿陷性已消失或部分消失，土体处于软塑～流塑状态，承载力低，压缩量很大，路基沉降完成时间长，需要采取有效的控制措施。近年来针对黄土地基的沉降观测研究主要集中在湿陷性黄土地基方面，对饱和黄土地基的研究相对较少，而铁路修建过程中面临的饱和黄土地基越来越多，因此对饱和黄土地基的处理措施进行研究具有重要的意义，工程应用前景广阔。

在兰州至中川机场城际铁路建设中，采用水泥掺量为12%，16%，20%的水泥土搅拌桩进行地基处理并观测其沉降。本文运用双曲线法、三点法、Asaoka法[2]预测复合地基沉降，研究水泥土搅拌桩复合地基的加固效果，解决该线路基工程建设中的地基处理技术难题，同时可供类似地基的工程建设参考。

1 试验工点概况

兰州至中川机场铁路是《国家中长期铁路网规划》调整中具有地区开发性、在区域路网中起骨干作用的铁路线，是连接兰州主城区和兰州新区的重要交通纽带。该铁路线路全长60.515 km，Ⅰ级双线铁路，其中西固城至中川机场段设计时速为160 km/h。

试验工点选在DK48+430—DK49+030路堤段，该地段为饱和黄土地基，浅层地基土的物理性质如下：砂质黄土，潮湿～饱和，含水率17.24%～36.33%，孔隙比0.88～0.99，水位埋深2～10 m。采用水泥土搅拌桩加固饱和黄土地基，水泥土搅拌桩的水泥掺量为12%,16%，20%，桩径0.5 m，桩长8～12 m，桩间距1.3 m，桩顶铺设0.5 m厚加筋碎石垫层。

2 饱和黄土地基的特征

试验段地基为典型的饱和黄土，并含有少量的有机质。其特征为：

1)承载力低。黄土潮湿～饱和，饱和为主。潮湿时天然地基基本承载力为100 kPa，饱和时天然地基基本承载力为43～62 kPa。

2)压缩性大。压缩模量为2.0～10.0 MPa，压缩系数为0.20～0.50 MPa-1，黄土具有很大的压缩性。

3)含水率高。试验工点地下水位较浅，黄土含水率为17%～37%。

4)灵敏度高，为5～8。

3 水泥土搅拌桩复合地基沉降观测

为研究不同水泥掺量的搅拌桩复合地基处理效果，在试验段内布置了若干断面进行沉降观测[3]，选取其中3个典型断面的沉降观测数据进行分析。

3.1 沉降观测布置

DK48+480断面、DK48+820断面、DK48+610断面线路中心沉降板编号分别为1#，2#，3#，水泥土搅拌桩的水泥掺量分别为12%，16%，20%。水泥土搅拌桩复合地基施工完成并铺设碎石垫层之后，在线路中心处进行钻孔埋设安装单点沉降计，注浆并安装沉降板。应用JMZX-3001型便携式智能综合测试仪进行单点沉降计读数的采集。沉降板埋设断面如图1所示。

图1 沉降板埋设断面示意

3.2 沉降观测结果分析

图2 路堤荷载时间沉降关系曲线

4 水泥土搅拌桩复合地基沉降预测对比

采用双曲线法[4-5]、三点法[6]和Asaoka法[7]对1#,2#及3#沉降板的沉降观测数据进行拟合预测分析。对比分析拟合预测效果并对沉降进行预测，探讨不同水泥掺量的水泥土搅拌桩在饱和黄土地基中的加固效果，研究路基沉降的发展规律。

4.1 水泥土搅拌桩复合地基沉降拟合预测

路堤荷载下1#，2#，3#沉降板沉降曲线、双曲线法、三点法及Asaoka法拟合曲线见图3。

图3 不同沉降板的沉降曲线及拟合曲线

由图3可知，采用双曲线法、三点法、Asaoka法预测的沉降拟合曲线与现场测量的沉降曲线基本一致，3种方法能够反映路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基沉降的变化趋势，预测的最终沉降S∞较为可靠。

1#，2#，3#沉降板各方法的沉降预测评估指标分别见表1、表2及表3。

表1 1#沉降板的预测评估指标

从表1、表2及表3可以看出，双曲线法、三点法、Asaoka法预测沉降的相对误差均能满足小于等于5%的要求，拟合曲线的相关系数也能满足大于0.92的要求，预测全部沉降数值接近。

表2 2#沉降板的预测评估指标

对比分析可知，1#和2#沉降板双曲线法预测沉降的相对误差较小，方差之和较小，相关系数较大，拟合效果较好，宜选用双曲线法对其沉降进行预测；3#沉降

表3 3#沉降板的预测评估指标

板三点法预测沉降的相对误差较小，方差之和较小，相关系数较大，拟合效果较好，选用三点法对3#沉降板的沉降进行预测。1#,2#及3#沉降板的预测沉降、剩余沉降及全部沉降见表4。

表4 1#,2#及3#沉降板的预测沉降、剩余沉降及全部沉降 mm

从表4可以看出：1#沉降板预测的全部沉降为121.9 mm，路堤填筑完成6个月时，已完成的沉降占全部沉降的89%，12个月时为94%，18个月时为95%，24个月时为96%;2#沉降板预测的全部沉降为117.2 mm,路堤填筑完成6个月时，已完成的沉降占全部沉降的92%，12个月时为95%，18个月时为96%，24个月时为97%;3#沉降板预测的全部沉降为79.2 mm,路堤填筑完成6个月时，已完成的沉降占最终沉降的86%，12个月时为92%，18个月时为96%，24个月时为98%。

综上所述，饱和黄土地基采用水泥土搅拌桩处理后，填筑完成6个月内已完成的沉降占全部沉降的85%以上，填筑完成2年内完成的沉降占全部沉降的96%以上，复合地基沉降主要发生在路基填筑期间及填筑完成后半年内。

4.2 沉降控制对比分析

TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[8]规定路基的沉降应满足设计时速160 km的Ⅰ级铁路路基沉降不应大于20 cm，沉降速率不应大于5 cm /年。铁建设[2005]140号《新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定》[9]规定路基的沉降应满足设计时速200 km的铁路路基沉降一般地段不大于15 cm，沉降速率不大于4 cm /年。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[10]规定有砟轨道正线路基沉降应满足设计时速250 km 的铁路路基沉降一般地段不大于10 cm，沉降速率不大于3 cm /年；设计时速300，350 km的铁路路基沉降一般地段不大于5 cm，沉降速率不大于2 cm /年。

该线为时速160 km的Ⅰ级铁路，通过沉降观测及预测分析得出断面DK48+480、断面DK48+820与断面DK48+610的沉降和沉降速率，见表5。

表5 有砟轨道路基沉降控制标准

由表5可知，断面DK48+480、断面DK48+820及断面DK48+610的沉降及沉降速率均能达到设计速度为160～250 km/h有砟轨道铁路路基的沉降控制标准。表明在饱和黄土地区使用水泥掺量为12%,16%及20%的水泥土搅拌桩复合地基的沉降能够达到该铁路设计的路基工后沉降控制标准，并且能够满足铁路适当提速对路基沉降的要求。

相同路堤荷载下，水泥掺量较高的水泥土搅拌桩复合地基最终沉降较小，路基最终沉降为S∞12%>S∞16%>S∞20%，说明水泥土搅拌桩的水泥掺量越高，复合地基的沉降及沉降速率越小，其沉降控制效果也越好。

5 结论

1)运用双曲线法、三点法、Asaoka法预测水泥土搅拌桩复合地基的沉降并进行曲线拟合，双曲线法和三点法的拟合效果较好，预测沉降误差较小，能够反映复合地基的沉降发展趋势。

2)路堤荷载下水泥土搅拌桩加固饱和黄土复合地基的沉降主要发生在路基填筑期间及填筑完成后半年内。

3)水泥掺量对水泥土搅拌桩复合地基的沉降影响较明显，相同路堤荷载下水泥掺和比越高，复合地基沉降越小，沉降控制效果越好，复合地基的最终沉降也越小。

4)采用水泥掺量为12%,16%及20%的水泥土搅拌桩加固饱和黄土复合地基的沉降能够达到该铁路路基的沉降控制标准。从满足该线运营的技术经济角度考虑，推荐采用水泥掺量12%的水泥土搅拌桩处理饱和黄土地基。

5)从满足铁路适当提速时对路基沉降的要求考虑，水泥掺量为12%,16%的水泥土搅拌桩复合地基可在时速160,200 km/h的Ⅰ级铁路路基工程中应用，水泥掺量为20%的水泥土搅拌桩复合地基可在时速250 km/h有砟轨道铁路路基工程中应用。