挤密碎石桩在铁路软土路基处理中的应用

张益昆

上海宝冶集团有限公司 上海 200941

随着经济发展和城市基本建设需求，沿海地区对土地资源要求日益迫切，吹砂造地已成为沿海地区解决土地供应紧张的有效途径。

围海造地的吹填土由海边的海砂通过吹泥船吹填而成。吹填土一般具有容重小、孔隙比大、含水量高的特点，工程性质不均匀、强度低、压缩性高、沉降量大、灵敏性高、渗透系数大、易液化。这种松软地基若不进行处理，则无法满足工程要求。

作为一项软土地基处理技术，碎石桩复合地基以其机具简单、操作方便、施工质量易控制、工程成本经济等优点，广泛应用于软土地基，特别适用于公路铁路路基及堆场地基等对地基承载力有一定要求，地基允许有一定沉降量的地基处理工程[1-2]。

1 工程概况

1.1 工程地质情况

台塑河静钢厂位于越南河静省齐英县，厂区的工程用地主要采用海砂吹填而成。土层自上而下为①0-2吹填砂、①0-2t灰色低液限黏土、①1灰褐色低液限黏土、②深灰色低液限黏土层。这些土层均存在埋深浅、工程地质条件较差等问题。

河静钢厂全场铁路系统分为维修区及铁水区2个设计单元，维修区及铁水区表层的①0-2吹填砂外观差异较大。铁水区（高炉及炼钢区域）靠近吹砂管道出口，土质以灰黄色中细砂为主，局部为粗砂，混较多贝壳碎片和少量砾石、卵石，砂质较纯，颗粒不均匀（图1）。

图1 高炉区地质剖面示意

维修区远离出砂口，①0-2吹填砂土质以灰色粉细砂为主，易液化。吹填区域内零星分布有黑色淤泥（图2）。

图2 维修区地质剖面示意

1.2 第1次地基处理设计

河静钢厂全场铁路系统吹填完毕后，因为新吹填地基土较软弱，对铁水区及维修区吹填土进行第1次地基处理以便施工机械进出场作业。因吹填砂的性质不一，铁水区第1次地基处理采用塑料排水板＋真空预压地基处理工艺，维修区第1次地基处理采用堆载＋真空降水强夯，真空降水强夯及强夯3种地基处理工艺，经处理的地基主要指标为：地基承载力≥150 kPa，淤泥层不排水固结抗剪强度≥25 MPa，投入使用后20 a的沉降量≤20 cm。

1.3 全厂铁路系统地基处理设计

根据GB 50012ü 2012《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》的规定，铁路基床下天然地基承载力不应小于0.12 MPa（120 kPa），Ⅲ级铁路工后沉降量不应大于30 cm（河静钢厂铁路系统属于Ⅲ级铁路）。

虽然第1次地基处理时的地基承载力≥150 kPa，符合铁路设计规范的规定，但河静钢厂铁路轴重大（350 t鱼雷罐车轴重为43 t），第1次地基处理时设计未将铁路运行载荷计算在内。根据荷载计算，投入运营后鱼雷罐车满载运行区间的铁路沉降量约为50 cm，不符合设计规范的规定，必须进行第2次地基处理。

2 地基处理方案分析

软土地基处理方法有换填垫层法、预压法、碾压及夯实法、振冲法、砂石桩法、CFG桩法、水泥搅拌桩法等。根据河静钢厂的地质情况及第1次地基处理设计情况（地基承载力已符合要求），铁路路基地基处理的主要任务是减少工后沉降，处理的主要土层是①0-2吹填砂及②深灰色低液限黏土层。

2.1 浅层地基处理

换填垫层法适用于浅层不良地基的处理，全场铁路系统设计时，根据《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》的规定，将路基范围内1.5 m的不良地基采用换填处理（基床底层采用厚900 mm、粒径≤150 mm的块石换填；基床表层采用厚600 mm的A类填筑材料），解决了路基的整体稳定性问题，但无法解决路基工后沉降量过大的问题（图3）。

图3 河静钢厂铁路标准断面

2.2 深层地基处理

预压法、强夯法、砂石桩法、CFG桩法、水泥搅拌桩法等地基处理方法均可对软土地基进行深层加固。

预压法处理效果好，但堆载材料运输量大，造价偏高，施工周期长，不适用于本工程的地基处理。

强夯法处理砂土有良好的效果，但对地基土的含水量控制要求较高，对饱和黏土的加固效果不理想。根据第1次地基处理的效果来看，维修区吹填粉细砂淤泥含量偏高的区域采用强夯处理的效果是不理想的。

CFG桩、搅拌桩、旋喷桩等地基处理方法对软土地基加固有良好的效果，施工工艺成熟，施工质量容易保证，对工后沉降控制也较理想，但相对于碎石桩来说其缺点是造价偏高，复合地基后期强度基本无变化。

对比上述地基处理方案，振动沉管碎石桩具有施工工艺简单，施工质量容易保证，对软土地基加固效果好，工程造价低，桩间土可通过桩体排水固结，复合地基的后期强度有一定的增加；其缺点是工后的沉降量较CFG桩、搅拌桩、旋喷桩等复合地基偏大。但对于铁路及市政道路路基等允许有一定工后沉降的工程来说，碎石桩是一个比较合理的地基处理方案。

3 碎石桩复合地基工程特性及作用

碎石桩是以碎石（砾石、砂砾等）为主要材料制成的复合地基。碎石桩是一种柔性桩体，当碎石桩顶部受到荷载作用时，桩体侧向变形，而周围土体会限制碎石桩的侧向变形，从而与周围土体共同作用，达到改善软弱地基土的目的。同时，碎石桩的透水性好，可以作为软弱地基土的竖向排水通道，加速突然的固结。碎石桩复合地基相对天然软土地基具有承载力高、抗剪性能好、地基排水固结效果好、沉降量明显减小的特点。

4 厂区铁路路基处理设计方案

4.1 路基下碎石桩整体设计方案

河静钢厂铁路根据地勘及第1次地基处理的情况，将路基分为2个部分采取不同的设计方案。空载区（线路不运行装载铁水的鱼雷罐车，主要集中在维修区）进行基槽检测后，直接进行路基换填。重载区（线路运行装载铁水的鱼雷罐车）采用砂石桩处理。砂石桩直径为0.6 m，采用正方形布置，桩间距1.8 mh 1.8 m，置换率为8.7%。

设计碎石桩桩长随①0-2吹填砂层及②深灰色低液限黏土层的厚度变化，碎石桩桩尖进入②深灰色低液限黏土层。设计方案出于经济性考虑，在满足规范沉降量要求（≤30 cm）的前提下，碎石桩桩身长度未穿透②深灰色低液限黏土层。

铁水区（1区ü 7区）靠近海边，②深灰色低液限黏土层相对较厚，碎石桩设计桩长为5.5～8.0 m；维修区及联络线（8区及9区）靠近原有农田，①0-2吹填砂层及②深灰色低液限黏土层的厚度相对较薄，碎石桩桩长为4.0～5.0 m。

4.2 曲线部位的桩位布置优化

碎石桩一般按照正方形或三角形布置，但在铁路及道路路基桩位布置中，曲线部位若按照正方形布置，会影响碎石桩的施工效率。因为碎石桩常用的走管式桩机沿钢管架方向移动方便，前后移动困难。一般每次沿直线方向打桩30～50根后再施工下一排桩。曲线部位按照常规正方形布置后，每次施工10根碎石桩后就必须前后移动桩机位置，影响施工效率（图4）。

图4 原设计曲线部位桩位图（正方形布置）

根据走管式桩机的工作特点，将曲线部位的桩位布置优化为沿道路中心线扇形布置，在确保碎石桩总数及置换率不变的情况下可提升碎石桩的施工效率（图5）。

图5 优化后的曲线部位桩位图（沿路基中心线扇形布置）

5 碎石桩施工

5.1 施工机具设备及材料要求

施工机具采用走管式桩架，每个锤头单机功率为45 kW的双锤头（合计90 kW）。沉管壁厚为8 mm的无缝钢管，管径为600 mm，桩靴采用带活门的平头桩靴。

碎石采用30～70 mm的碎石，砂采用吹填的海砂，含泥量均小于5%，砂石比例为3∶7。

5.2 施工程序

场地清理→测量定位→桩机就位→振动沉管至设计深度→加砂石料→加压拔管→下压反插至设计桩顶标高

5.3 施工质量控制

1）为防止淤泥自桩靴活门进入管内，在桩尖进入地面下1.0 m后，在桩管内投入1～2斗碎石，再振动沉管至设计标高。

2）受到淤泥的挤压作用，位于深层淤泥中的桩靴活门打开较为困难，此时，可以利用气泵加压，冲开桩靴端部的活门，确保砂石料下料顺利。碎石桩自桩底标高提升1.0 m后，应反插至设计桩底标高，以确保碎石桩底部的成桩质量。提管时，灌注石料的高度不小于管长的1/3。

3）淤泥区碎石桩受地质条件影响大，必须严格控制拔管速度，一般控制在0.5～1.0 m/min。同时每提升1.0 m，留振10～20 s，向下反插深度不小于30 cm。必要时采取短停拔（0.5 m/min）、长留振的施工方法。

4）级配良好的碎石对提高碎石桩桩身质量，提高重型动力触探的击数是有利的。但一般碎石桩采用的基本是单粒级级配，碎石的孔隙率较大。采用砂石桩可降低碎石的孔隙率，提高碎石桩桩身的密实度。但应严格控制砂石的比例。河静钢厂全场铁路碎石桩设计砂石比例为3∶7（体积比），在前期施工过程中，由于当地多雨，地下水位高，砂石料拌和后的含水量偏高，砂石料在下料的过程中易附着在管壁上难以下料，往往要借助气泵压力才能顺利下料。试验段结束后，在征得设计同意后，逐步降低了砂石比例，将砂石比例控制在15%～20%，消除了砂石料黏结附着在管壁上的现象。

5）带活门的平桩靴反插时活门自动封闭，在振动的同时桩机的质量压在碎石桩上，活瓣桩尖反插时，活瓣不能自动封闭，碎石只能靠振动密实，因此带活门的桩尖密实效果比活瓣桩靴效果好。但平桩靴穿透力不如活瓣桩靴（桩尖锥形角度为60e ），施工中应根据土质情况选择适合的桩尖。同时，可对带活门的平桩靴进行改良，增加桩靴的穿透力（图6）。

图6 改良后的带活门的平桩靴

6 质量检测

6.1 碎石桩检测标准

1）碎石桩桩身密实度：采用重型动力触探检测，贯入量每100 mm时的击数不小于5击，检测频率为桩总数的0.2%，共36根桩。

2）复合地基承载力：采用1.8 mh 1.8 m的单桩复合地基载荷试验，复合地基承载力特征值不小于150 kPa，检测频率为桩身总数的0.1%，共18个点。

6.2 检测结果

河静钢厂全场铁路路基地基处理碎石桩按照设计要求进行了检测，桩身密实重型动力触探度共检测了41个点（含5根试桩），复合地基载荷试验共检测了23个点（含5根试桩），采用2.0 mh 2.0 m平板检测，最大加荷量为2倍设计荷载（300 kPa）。检测结果如下：

1）重型动力触探。重型动力触探结果显示：碎石桩重型动力触探贯入量每100 mm时击数不小于5击。

2）平板载荷试验。平板载荷试验结果显示：复合地基平板载荷试验的加载量（2倍设计荷载为300 kPa）未达到地基土破坏状态，综合判定吹填砂层承载力不小于设计要求的150 kPa。

7 结语

1）根据复合地基平板载荷试验检测结果，河静钢厂全场铁路采用碎石桩处理吹填土地基达到了设计预期的结果，地基承载力达到了150 kPa以上。特别是对比第1次地基处理及第2次地基处理的结果，碎石桩明显比强夯更适用于处理高含水量的吹填土地基。

2）根据重型动力触探对碎石桩桩身的检测结果，本工程采用的碎石桩成桩工艺能够保证碎石桩的施工质量。

3）根据铁水区重型动力触探对碎石桩桩身的检测结果及相应的地勘报告分析，吹填砂土层中碎石桩的重型动力触探平均击数超过了30击，而饱和黏性土中碎石桩的重型动力触探平均击数只有10击左右，说明碎石桩对吹填砂土中的成桩质量明显强于碎石桩在饱和黏性土中的成桩质量，碎石桩对吹填砂的加固效果也更好。

4）对比维修区地质情况以及碎石桩动力触探及复合地基载荷试验的结果来看，吹填土中砂的粒径以及含泥量对碎石桩成桩效果及加固效果的影响是明显的。维修区范围的吹填土中淤泥含量高、砂粒细，桩身重型动力触探的击数大部分在8～10击，而铁水区范围吹填土砂粒粗、淤泥含量低，桩身重型动力触探击数平均超过了30击，差距非常明显。

5）根据复合地基平板载荷试验，虽然地基承载力都达到了150 kPa，但与铁水区相比，维修区的平板载荷试验沉降量偏大，地基的变形模量偏小，说明吹填土中淤泥含量增加对碎石桩加固效果的影响明显，淤泥含量越高，碎石桩加固效果越差，工后的沉降量也会增加。