高速铁路路基下伏软土层复合地基处理技术研究

梁云超、董超月

（中国建筑土木建设有限公司，北京100070）

0 引言

当前随着经济的飞速发展，普通的铁路已无法满足现阶段的社会发展，高速铁路的发展势在必行，国家也在积极规划高速铁路的建设。而软土层是高速铁路建设过程中经常遇到的地质条件，尤其是我国东部沿海地区，软土分布非常广泛，但高速铁路负载很大，软土层无法对其进行有效承载，易引发路基沉降，进而发生危险，对此各铁路建设工程人员都在深入研究软土层复合地基处理技术，为高速铁路的建设提供非常重要的支撑。

1 软土层的概念

通常情况下，把含有有机质和矿物质的细粒土，称之为软土，其厚度在几米和数十米之间，通常分布在我国的沿海以及沿湖区域内，在水中沉积而形成的，包括淤泥、泥炭、淤泥质粉土等类型，其特点主要是空隙大、强度低以及含水量高等，无法有效承载较大的压力。根据其形成原理可以分为四种：其一，滨海沉积，分为滨海相、潟湖相、溺谷相以及三角洲相，重要是临近海水区域，受到海水、潮汐、波浪、海浪等作用下沉积而成，其土质颗粒微小，孔隙比较大，含水丰富，强度低下；其二，湖泊沉积，从字面意思上可得知其主要是湖泊水中沉积形成，多出现于内陆淡水和咸水盆地，多为粉砂颗粒，具有一定的层理性，但结构松软，其厚度多为10cm 左右；其三，河滩沉积，其沉积形成是河流所致，由于我国的多数河流受季节影响较大，因此形成情况相对复杂，且成分存在差异，具体的厚度和走向存在一定变化，多是砂石和泥炭组成，厚度则相对较低；其四，沼泽沉积，通常情况下，当地下水或地表水排泄不顺畅时，就会在区域内形成沼泽地，长时间就会造成软土沉积，其特点为位于地表之上，存在淤泥层以及泥炭层等。通常情况下，软土层的形成多是长时间累积所致，不同的环境下形成的软土层，其物理特性并不相同，需要对其进行深入的分析，才能设计出合适的处理方案，从而提升路基的承载效果。

2 软土层地基的危害

现阶段我国的高速铁路速度已经领先于世界，尤其是客运高铁速度可达380km/h，如此高的运行速度对铁路路基要求极高，倘若在勘探期间没有发现软土层存在，未在施工前进行合理的处理，在施工过程中再对其进行处理，则会影响正常的施工进程，产生较大损失[1]。若没有针对软土层进行完善的处理，则会引发工程质量问题，给高速铁路的运行产生危险。此外，不同类型软土层，其厚度以及分布也会不同，为勘察人员提供了一定的难度。但是为了高速铁路的安全运行，需要相关技术人员对沿途进行深入勘察，确定软土层的详细情况，同时针对具体的类型进行相应的处理。未对软土层地基进行有效处理，会导致其无法承受高速铁路运行过程中的巨大压力，进而产生流动性，致使路面沉降问题的出现，铁轨因而出现形变，当列车行驶在此路段上之时，会引发较为严重的后果，因此其危害是不容小觑的[2]。

铁路路堤以及涵洞桥梁软土路基的危害，高速铁路路堤虽然不是铁轨的承载者，但是若未对其软土路基进行有效处理，会因为高铁运行的高负荷之下，路堤会出现向外隆起的情况，致使整体的路基出现下陷开裂，影响正常的列车运行安全，严重的则可能引发路基坍塌，危害列车运行。当涵洞或桥梁的地基位于软土层之上时，会导致桥墩下陷以及涵洞墙壁开裂、凹陷等问题，涵洞以及桥梁的主体结构遭受很大影响，无法承受原有的负荷，引发坍塌等问题[3]。

3 复合地基的概念以及特点

将天然地基中的部分土体进行增强或置换，进而形成人工地基。这样的地基类型就被称为复合地基，现阶段我国的高速铁路针对软土层处理的复合地基，主要是采用了桩－网复合地基，其原理是首先在软土层中设置竖直向上的增强体，此谓“桩”，然后再在软土层的上部设置水平方向的增强体，此为“网”，如此一“桩”一“网”的结构下，可以增强对路面结构的承载力。不过该方法中的“桩”和“网”并非特指具体的承载结构，而是一系列承载手段的统称，是一种理念，而且该结构中还有一个不可或缺的主体就是“土”，三者缺一不可。因此无论是设计、施工，都不可忽视这三者的协同作用，只有将三者充分利用起来，才能获得优良的承载效果，其优点主要有四点：

其一，具有良好的排水、防护等综合效果。

其二，该方法的运用可提升施工便利性。

其三，可以充分控制该结构的沉降。

其四，降低工程成本。由于桩－网复合地基的众多优点，令其具有非常广泛的运用场景，众多铁路、公路、堤坝等施工中都运用了该方法，不过该方法的原理相对较为复杂，一些研究尚未成熟，且与设计人员的能力具有很大关系，因此相关技术人员的经验和理论知识水平，对复合地基的具体效果具有较大影响。

4 高速铁路路基下伏软土层复合地基处理技术

4.1 CFG 桩处理方法

当前我国针对软土层的复合地基处理技术中经常用到的“桩”为CFG 桩，即混凝体类桩，这类桩体的研究是由我国科学研究院提出的，于1988年立项并进行运用，1994年成为全国重点推广项目，由于其成本低、工期短、便于控制工程质量等优点，被广泛运用到多种建筑工程中，例如高层建筑、高速公路以及高速铁路等复合地基建设，其加固机理是利用桩柱特性和挤密双重作用，首先，CFG 桩体的成分，在承受相应负荷的情况下，其压缩性要比软土层小，复合地基的附加应力转移到桩体之上，有效降低地基沉降问题，而且CFG 桩体的复合地基变形小，促使地基沉降稳定，然后在进行CFG 桩体施工之时，会对周围的软土层产生振动和挤压，从而达到“挤密”的效果，让其整体效果得到提升，其综合承载力获得提升。其次，CFG 桩体施工过程中的排水作用，当桩体在饱和的软土层施工过程中，沉管和拔管所产生的振动，会让相应土体产生超孔隙水压力，改善土层中水含量，提升地基的物理作用，桩体承载力获得提升。最后是垫层作用，CFG 桩复合地基与传统的桩基存在不同，传统的桩基会与土层基础直接接触，长期使用之后，会产生一定的沉降，影响其承载力，而复合地基，则拥有颗粒材料组成的散体垫，通过这些材料的流动补偿，让地基土强度获得补偿增强，提升其整体效果。

4.2 置换或灌入固化物处理方法

置换形成复合地基的处理方法，是运用物理性质良好的岩土材料置换掉软土层中的部分或全部土体，进而促进地基的承载力，降低沉降。该方法的运用主要针对软土层厚度较低，长度较小者。倘若软土层的厚度较大，则适用于灌入固化物的方法，该方法是指在软土层中灌入或拌入一些化学固化浆，例如水泥、石灰等，进而在软土层中形成增强体，令其拥有良好的承载力，目前纯粹的置换和灌入固化物方法已经摒弃，转而将两者合二为一，使其得到更加广泛地运用，且效果较为良好。根据不同的机理，可以将其分为三类。

其一，整体置换和局部置换。倘若地面软土层拥有良好的平面范围，且深度和长度符合标准，则可以将其全部挖出，然后整体置换成为其他物理性质良好的土质，局部置换则是将一定深度的软土层进行挖出，或者进行打桩挤开，然后运用物理性质良好的材料进行填充，进而形成较好的承载力。

其二，静力置换和动力置换。静力置换即换填，是将软土层中的软土挖掘出来，然后使用品质良好的土质进行回填，而动力置换则是使用夯锤等机械设备将物理性质良好的土质夯入上层地基当中，达到置换的目的，该方法的运用范围可以是全部或是局部软土层。

其三，物理置换和化学置换。物理置换下，软土层仅发生物理变化，例如含水量的减少，减少其流动性，增加承载力量，化学置换，则是利用水泥、石灰等材料，加入软土层当中，增加其硬度，增强承载力。

4.3 振密、挤密法

通常情况下，针对软土层所具有的空隙大、流动性良好等特点，可使用振密挤密法，该方法的原理是利用振动或挤压，让地基密度升高，进而提升其承载力以及减少沉降，目前运用该方法的处理方式主要有原位压实法、强夯法、挤密砂石柱以及爆破挤密法等。

其一，原位压实法是指运用大型压路设备，在软土层之上进行反复压实，将软土层空隙进行充分减小，增加承载力，这种方法的运用范围相对较小，主要针对软土层厚度较小者，且土层位置要高于设计位置。

其二，强夯法则更容易理解，是利用夯实设备反复夯实土层，让其密度获得有效提升，这种方法的运用范围与原位压实法基本相同。

其三，挤密砂石柱是将砂石柱打入软土地基当中，利用该柱体挤密软土层，据我国对该方法的运用中发现，该方法可有效降低原有软土层的沉降度，适用于要求较高的高速铁路建设，不过在应用时，需要综合考虑软土层情况、施工机械设备以及成桩方法的因素，以防止出现效果不佳的状况。

其四，爆破挤密法是利用爆破来改变原有软土层的密度，不过该方法有一定的缺陷，例如具有一定的危险性等，因此该方法已经应用得较少了。

4.4 堆载预压和排水固结法

传统的软土层处理方法就是堆载预压法，通常情况下是指在软土层表面，堆填路基材料，经过一段时间的压载之后，依靠其重力作用，将软土中的空气和水分排出，这样一来软土的空隙得到减小，水分排出，令其获得一定的承载能力，不过该方法通常会耗费大量的时间，已经逐渐不适用现阶段的高速铁路施工。因此其运用变得越来越少，但是根据其演变而来的方法却逐渐获得更广泛地使用，例如排水固结法，就是利用了预压排除软土中的水分，使其固化成型。根据不同的操作方法，可以将其分为三类：首先，负压法，也叫真空法，是利用一些机械设备，对软土层进行抽气处理，这样一来土壤中的压强低于大气压强，在其作用下，水分被排除，达到固结的目的，形成复合地基，增强地基的承载能力；其次，常压法，通常情况下，软土层中的土壤颗粒周围的压强要高于大气压强，可以利用这种情况，利用排水坡降，将其中的水分排出土层，主要的运用方法为纵横盲沟的挖设，此外还可利用毛细作用，排出水分，主要的运用有塑料排水板法，是将带状塑料板插入软土层地基中，然后在路基之上增加负荷，在其作用下，水会从塑料沟槽中流出，从而达到加速固化的作用；最后，超压法，强夯法就属于此类。

4.5 反压护道法

通常情况下，高速铁路施工现场，路堤两侧通常会有运输道路，设计人员和施工人员可以充分利用这些道路，让其成为护道，当列车运行时会对路堤产生的压力，将路基下的软土向路基两侧进行挤压，但是在护道的作用之下，路堤不会因此而被挤出或隆起，进而保护了路基的稳定性，但是具体的护道宽度和高度，需要根据软土层的实际情况而确定，而且两侧的护道宽度以及厚度并不相同，同样需要实际情况进行确定，这样处理的优势在于施工便捷，可以同路堤同时进行填土压实作业，但是对土方的需求较大，而且铁路长时间运营之后，路面仍会出现一定的沉降，需要道路养护人员进行反复处理，增加了他们的工作量，同时还具有一定的危险性。此外，该方法的运用具有较大的局限性，通常仅适用于软土层厚度较低者，不适用厚度较大者，而且需要铁路养护人员进行定时检查路堤沉降情况，以便及时进行处理。

4.6 土工合成材料加固法

现阶段，我国的化工业发展非常迅速，化学纤维材料和塑料工业材料获得长足发展，其材料强度越来越高，已被广泛应用到各类特殊行业，而这些高强度的土工合成材料可以运用到复合路基建筑当中。利用这些材料横铺在路堤之下，位于砂垫层当中，使路基拥有良好的拉力和承载力，从而有效防止软土层受压后导致路基两端隆起的现象。目前主要的运用材料有土工布和土工隔栅，这些材料的优点在于价格低、强度好、整体性好、重量轻、施工简便、渗透性良好以及耐久度好等特点，因此该方法的运用已经越来越高，且取得了良好的效果[4]。此外，针对不同的软土层结构，单一的方法往往所取得效果较小，无法充分地提升地基的承载力，为此需要多种方法中和利用，尤其是一些较为复杂的软土层结构，其厚度和长度较大，仅仅依靠某一种方法，无法有效提升其承载力，若多种方法配合使用，则有效提升复合地基的能力，且高速铁路的要求非常高，更需要多种复合地基处理方法的共同进行。

5 结语

当前，我国高铁技术已经领先于全世界，而路基建设是高速铁路中的重中之重，良好的地基是高铁稳定平稳运行的基础，但是软土层的存在让铁路施工难度增加。针对软土层的概念、危害以及复合地基的概念和特点，进行分析研究，介绍了6 种速铁路路基下伏软土层复合地基处理技术，分别是CFG 桩处理方法、置换或灌入固化物处理方法、振密挤密法、堆载预压和排水固结法、反压护道法以及土工合成材料加固法，希望通过这些方法可以为高速铁路建设技术人员提供帮助，从而进一步促进我国高速铁路事业的长远发展。