高速铁路路基湿陷性黄土地基处理技术研究

赵玉生

（中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西西安 710016）

0 引言

湿陷性黄土是高速铁路建设中常见的特殊岩土类型，以我国西北地区居多，按照严重程度的不同，湿陷程度分为Ⅰ级至Ⅳ级。在湿陷性黄土地基上进行高速铁路基础设施建设时，需要考虑湿陷性黄土稳定性不足的特性，采取行之有效的处理措施，提升地基的稳定性。因此，深入探讨湿陷性黄土地基处理技术具有必要性，明确技术应用方法，掌握技术要点，妥善处理湿陷性黄土地基。

1 工程概况

中卫至兰州铁路建设于甘肃省、宁夏回族自治区，线路通过地区为多风沙、干燥少雨的中温带干旱和半干旱气候区。其中，中兰客专3 标全长33.31km，路基段17.61km，位于黄河河谷阶地，以第四系全新统冲洪积、风洪积砂质黄土、上更新统风积、冲洪积砂质黄土居多，土层厚度8～35m，空隙多、较疏松，含大量Ⅳ级自重湿陷性黄土，需在有砟轨道铺设前妥善处理场地内的湿陷性黄土，提升路基的平整性和稳定性。

2 湿陷性黄土地基特性

受土的自重压力及附加压力的作用以及水的浸泡，湿陷性黄土将于短时间内快速沉降，即表现出湿陷性。各地区黄土的形成条件不尽相同，湿陷性程度有所差异，可通过湿陷等级进行评价，具体如表1 所示。

表1 湿陷性黄土地基的湿陷等级

黄土开始湿陷时的压力为初始湿陷压力，若湿陷性黄土所受的实际压力低于该值，黄土无湿陷变形，但存在压缩变形现象，反之土体具有湿陷性。湿陷变形与压缩变形的发生机理有所不同。压缩变形指的是因荷载作用而出现的变形现象，经一段时间后趋于稳定。湿陷变形的变形量可达到该值的几倍乃至几十倍，存在明显的变形现象，且变形的发生较为急速。若遭水浸泡，通常1～3h 后将伴随不同程度的塌陷，随时间的延长而表现得愈发明显。例如，1～2d 后的变形量可达到20～30cm。对于多数湿陷性黄土地基，在施工期可结束绝大部分的压缩变形，约3～6 个月后趋稳[1]。

湿陷性黄土的湿陷变形涉及的指标包含湿陷系数、湿陷时的初始含水量及压力，其中重点评价指标为黄土的湿陷系数，其反映的是黄土对水的敏感性。若此项指标增加，则黄土遭到浸泡后越容易产生湿陷性，进而表现出失稳下沉等问题。若湿陷系数较低，黄土遭水浸泡时的稳定性相对较好，湿陷性减弱。

湿陷系数δs 经室内压缩仪测试后确定，计算方法如下：

式（1）中：h0为土样原始高度，cm；hp、h'p分别为土样受到压力p、受到压力p且浸水时对应的下沉稳定后的高度，cm；e0为土样原始孔隙比；ep、e'p分别为土样受到压力p时、受到压力p且浸水时对应的下沉稳定后的孔隙比，cm。

湿陷性黄土受到局部荷载作用后，将产生竖向变形和水平位移。究其原因，黄土对水较为敏感，受到水浸泡的影响后，土体的稳定性下降，侧向约束减弱，抗剪强度降低。在湿陷性状态时，地基土的侧向挤压作用增强，受此影响，湿陷量增加。对于自重湿陷性黄土，其受到的影响因素包含自重压力和水浸泡，在两项因素的共同作用下，湿陷性变形区各水平面无压力差。由于平面内的压力相对均衡，未出现侧向挤压。但需注意的是，若此类黄土遭到外界荷载作用，将受外力的影响而在附加应力范围内出现侧向挤压。通常，在基础周边的垂直截面处存在最大水平位移问题，且主要发生在基础宽度的1.0～1.5 倍范围内。同时，侧向挤压的水平范围和影响深度还将由于基底面积增加或基底压力作用增强而扩大[2]。

3 湿陷性黄土地基处理难点

其一，湿陷性黄土的土质结构疏松，力学性能弱，存在严重的湿陷和压缩问题，处理难度高。其二，黄土台顶与冲积沟壑交织，高速铁路路基修建在台顶与沟壑底部时，由于两部分高差较大而导致路基填挖方高度大，难以有效控制路基的差异沉降，同时由于施工现场湿陷性黄土力学性质的特殊性，不利于工后沉降控制。其三，路基由于下层黄土遇水湿陷沉降变形而遭到破坏，路基的完整性不足，稳定性降低，因此阻隔水是处理湿陷性黄土地基的重点内容。除了妥善处理路基范围内的基础外，还需考虑湿陷性黄土周边影响范围，避免地表水侵入[3]。

4 湿陷性黄土地基处理技术的应用

该工程湿陷性黄土地基处理方案为：设桩径0.4m、桩长8m 的水泥土挤密桩，平面统一呈正三角形布置，桩间距为1.0m；桩顶设6%水泥改良土垫层，厚度0.5m；垫层中增设TGDG120 土工格栅；用三七灰土封闭两侧路堤坡脚外2m 的范围，厚度0.5m。

4.1 水泥土挤密桩施工工艺流程及作业内容

水泥土挤密桩施工工艺流程，如图1 所示。

图1 水泥土挤密桩施工工艺流程图

4.1.1 清理地表，平整施工场地，清理地面的草皮、树根、块石各类不利于施工的杂物；修筑排水坡，配套排水设施，避免场地积水。

4.1.2 配置施工机具，配置2 台沉桩机和2 台夹杆锤填料夯实。进场时，检验各类机具的性能。沉桩间距较近，可能由于沉桩扰动作用而塌孔，因此采用跳桩的施工方法。

4.1.3 控制含水率，以最佳含水率为参照基准，灵活控制地基处理施工范围内地基土的含水率，减小两者的差异。土的实际含水率＜12%时，在地基处理前4～6d 增湿土层，合理布置渗水孔，洒适量的水，使水经由渗水孔渗入土层，将土层的实际含水率提高至合理范围。

4.1.4 桩机就位

调平扩桩机架，沉管尖对准桩位，用线锤吊线检查桩管的垂直度，经过调整后使垂直度偏差不超过1.5%。

4.1.5 成孔

准备与桩孔同直径的钢管，用沉桩机将钢管打入土中拔管成孔。桩管下端设置为60°的锥形活动桩尖，桩管顶设桩帽，在桩架上设置标记作为钢管打设深度的控制基准。拔管前停顿约10s，再平缓拔管。成孔后，清理孔底沉渣，夯实孔底5 次或更多，再检测孔位、孔径、孔深及孔垂直度，若无误则安排下一道工序，或用盖板临时遮盖孔口，以免混入杂物。

4.1.6 填料的拌制和运输

根据配合比精准称量原材料，用强制性搅拌机拌制水泥土，要求材料用量合理、混合料均匀。水泥土随拌随用，拌制后超过6h 未投入使用，遭雨淋或受到其他污染时，均视为废料处理。在降雨天气，雨水混入水泥土，影响含水率，因此禁止在降雨天气拌制水泥土。

4.1.7 回填夯实

分层回填孔内的水泥土，用量斗定量向桩孔内下料，用加杆锤将回填土夯击平整、密实。逐层施工后，最终回填土应在桩顶设计标高以上0.5m 或更高的位置。根据工艺试验结果，确定回填夯实的回填量、锤重、落距、夯击次数等参数，每次夯填前测量孔径和孔深，以便根据夯填前后的检测数据判断回填夯实的效果。

4.1.8 移位

施工机具移位，按照前述的流程完成下一桩孔的回填作业，以此类推。

4.1.9 桩顶处理

桩施工后，挖除桩间土松动层，清理上部0.5m 的桩头，铺设厚度为0.5m 的6%水泥改良土垫层，垫层内增设一层土工格栅。

4.2 水泥土挤密桩施工要点

4.2.1 准备土和石灰。每日施工前测量原材料的含水量并调控，尽可能使拌和水泥土的实际含水量与最佳含水量保持一致。

4.2.2 桩机就位。调整桩机姿态，使机身平整、稳定，桩管或冲锤对准桩孔；用壁厚超过10mm 的无缝钢管制作导向器，高度约为冲锤长度的2 倍，内径略大于锤头直径，将其安装至钻机上；在冲击钻钢丝绳和桩管处设置尺度标志，间距统一控制在0.5m。

4.2.3 水泥土挤密桩施工时，需注意如下作业细节。

（1）全面清理场地杂物，整平场地。再根据设计桩位图测放孔位，安排复核，控制偏差。

（2）沉管机就位。调平扩桩机架，沉管尖对准桩位，用线锤吊线检测桩管的垂直度。

（3）成孔深度范围内的土质较硬且均匀时，一次成孔到位即可；局部加载软弱层时，可能由于地层的特殊性而导致柴油锤点火装置熄火，需由人工辅助点火，再完成剩余深度的钻进。

（4）地基含水量较高时，可能在桩管拔出后发生缩孔，影响孔径和孔深，因此需修整孔洞。孔深不足时，采取超深成孔的处理方法。

（5）经过击实试验后，确定水泥土填料的最大干密度和最佳含水量，按照此要求选用水泥土填料。所有土和消解的石灰粉需过筛，通过质量检验后按照水泥土体积比为2∶8 的要求拌制，其间适量加水拌和。拌和后的水泥土应尽快投入使用，且填前再次拌和。

（6）经检测确认孔位、孔径、孔深各项指标均达标后，尽快夯填水泥土，尤其需要尽快夯填可能发生缩颈、坍孔的桩孔。桩孔填土的夯实设备采用夯实机，安排设备准确就位，调整夯锤使其对准桩孔，提升夯锤至指定高度后自由下落。夯填前，全面清理堆积在孔内的杂物和积水，先向孔底填入干硬性混凝土，待夯实至发出清脆响声时停止，再分为多层依次填筑水泥土并夯实。

4.3 施工注意事项

4.3.1 桩体施工前，必须全面清理场地的树根、杂草等障碍物，整平施工场地。按照设计图纸要求在指定位置测放桩位，经复核确认桩位无误后，打设木桩或用白灰定位。

4.3.2 水泥土挤密桩的桩位平面按正三角形布置，填料挤密孔直径为0.4m，采用锤击、振动沉管成孔。桩顶设计标高以上预留厚度为0.5～0.7m 的覆盖层，保证桩顶的施工质量。

4.3.3 桩身施工采用水泥土混合料，水泥选用质量合格、无受潮结块以及其他问题的P·O42.5 级普通硅酸盐水泥；填料水泥的掺入量为10%（重量比）；土料中不含膨胀土或冻土，有机质含量不超过5%，使用前过10～20mm 筛，剔除超粒径材料；混合料实测含水量与最佳含水量的偏差不可超过±2%。

4.3.4 桩孔的夯填作业采取机械夯实的方法，夯锤直径为0.3m，分为多段有序夯填。夯填前，组织工艺性试验，确定填料厚度、落距等参数。夯填时，严格按照工艺性试验确定的参数施工。

4.3.5 地基土的含水量低于12%时，增湿处理，尽可能使实际含水量接近最佳含水量。地基加固沿路线方向进行，分段依次加固。间隔分批进行成孔挤密施工，首先施工中间部位，再向外间隔1～2 孔依次进行。确认成孔质量达标后，随即夯填改良土，避免雨水渗入孔内而导致孔壁失稳坍塌。

4.3.6 根据试验结果，确定垫层分层铺填厚度、压实遍数等参数，再严格依据试验确定的工艺方案进行施工。在该工程中，垫层的分层铺填厚度为200～300mm，尽可能使各层的厚度保持一致；压实系数不低于0.95，经过压实后的垫层应平整、密实。在垫层各层的施工中，均严格控制机械的碾压速度，不遗漏、不过度碾压。每结束一层施工后，均安排质量检验，确认无误方可施工下一层，以此类推。

4.3.7 成孔打桩挤密后，要求桩间土的平均挤密系数不低于0.93，桩体的平均压实系数不低于0.97，桩间黄土自重湿陷系数小于0.015。

5 结语

综上所述，在高速铁路建设中，常遇到湿陷性黄土地基。此类地基具有湿陷性、压缩变形的特性，必须以科学的施工技术，消除地基的湿陷性和压缩变形，保证地基的稳定性，为高速铁路有砟轨道的铺设打好基础。经过分析后，提出复合地基+湿陷性黄土地基处理方案，并探讨该方案在湿陷性黄土地基处理中的应用要点以及施工注意事项，以供参考。