西部黄土地区高速铁路地基处理效果与沉降特性研究

摘" 要：以西部黄土地区某高速铁路建设工程为基础，结合工程所处地区的基本条件，对路基段落采用的冲击碾压、螺杆桩复合地基、CFG桩复合地基3种地基处理方式进行分析；并对不同地段的地基进行沉降观测，选取典型断面对其沉降规律进行分析，对高速铁路黄土路基中不同地基处理方法的适用性进行研究。研究结果显示，高速铁路所处地区夏秋两季雨量较大，降水和地表水可能渗入土体，使其承载力降低，不利于路基工后沉降控制；原冲击碾压处理区段土体含水量小、土层厚度不均、冲击碾压效果较差，宜采用强夯优化处理；采用强夯、螺杆桩及CFG桩复合地基的处理方式，能够满足该高速铁路不同区段黄土路基的沉降控制要求，可为今后西部黄土地区高速铁路建设提供借鉴参考。

关键词：高速铁路；黄土路基；强夯；螺杆桩；CFG桩；沉降特性

中图分类号：U416.1" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）05-0094-05

Abstract： Based on a high-speed railway construction project in the western loess area and combined with the basic conditions of the area where the project is located， the three foundation treatment methods used in the subgrade section are analyzed： impact rolling， screw pile composite foundation， and CFG pile composite foundation; and the settlement observation of the foundation in different sections is carried out， typical sections are selected to analyze its settlement laws， and the applicability of different foundation treatment methods in the loess subgrade of high-speed railway is studied. The research results show that the area where the high-speed railway is located has heavy rainfall in summer and autumn， and precipitation and surface water may penetrate into the soil body， reducing its bearing capacity， which is not conducive to post-construction settlement control of the subgrade. The soil body in the original impact rolling treatment section has small water content， uneven soil layer thickness， and poor impact rolling effect， so dynamic compaction should be used for optimization treatment. The use of dynamic compaction， screw piles and CFG piles composite foundation treatment methods can meet the settlement control requirements of loess subgrade in different sections of the high-speed railway， and can provide reference for future high-speed railway construction in the western loess area.

Keywords： high-speed railway; loess subgrade; dynamic compaction; screw pile; CFG pile; settlement characteristics

近年来，我国在西部黄土地区高速铁路的修建速度逐渐加快，由于黄土具有分布广、厚度大、湿陷性强的显著特点，因此，其面临的最大技术难题是黄土路基的沉降控制问题。西部地区某高速铁路线路全长76 km，其中路基段落约21.3 km，按250 km/h预留350 km/h有砟轨道标准设计，桥隧密集段落的短路基采用无砟轨道标准设计。根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[1]，为满足高速铁路有砟轨道的铺设条件，要求一般地段路基工后沉降不超过50 mm。对于西部黄土地区修建的高速铁路，存在天然黄土地基承载力低、含水量高等问题，都极大影响着路基的沉降特性，为确保高速铁路路基强度和工后沉降能够满足规范要求，需要对软弱地基进行加固处理[2]。

在路基工程建设过程中，受临近桥梁工程施工影响，运梁车需通过部分已完工的路基区段，难以实施堆载预压，故在不同区段采用冲击碾压，螺杆桩复合地基及CFG桩复合地基等处理措施对黄土地基进行加固处理以控制沉降变形[3]。为检验其处理效果、对地基沉降变形情况作出系统评估并为后续铺轨施工提供基本条件，对以上3种不同地基处理措施选取代表性区段进行沉降观测并分析其发展规律，对于验证黄土地基处理措施的合理性和有效性，完善高速铁路有砟轨道黄土地基沉降控制技术具有实际指导意义[4]。

1" 路基工程概况

该高速铁路沿线路基高度差异较大，部分路基区段位于黄河冲积平原区，以填方路堤为主，地表浅层主要为粉土、砂土，持力层主要为粗、细圆砾土；部分路基区段紧邻黄河阶地后缘山前冲积平原，路基形式多为填挖交替，填方最大高度超过9 m，挖方最大深度超过11 m，地层主要为粗、细圆砾土夹杂粉、砂土，不良地质主要为地震可液化土及松软土，沉降控制难度较大。通过对该地区气温及降水情况进行分析，发现该地区年降雨量总体较小，但夏、秋两季降雨量较大，尤其在黄河阶地后缘山前冲积平原，容易发生山前流水汇集，雨水易被路基截流，并通过路基面、边坡或地表渗入地基，引起不均匀沉降；地区每年11月至第二年2月为冰冻期，气温在0 ℃以下，易发生冻胀病害。

2" 地基处理设计分析

2.1" 冲击碾压处理区段

冲击碾压区段主要位于黄河阶地后缘山前冲积平原，路基形式主要为矮路堤或路堑。冲击碾压区段处理范围为路堤两侧坡脚外3 m之间或路堑开挖界面宽度，冲击碾压采用的冲击势能为25～32 kJ，工作速度不小于10～12 km/h，牵引功率不小于240 kW，处理深度小于1.5 m。冲击碾压遍数根据现场施工时冲击轮轮迹高差小于15 mm控制，碾压遍数不小于20遍。冲击碾压完成后，路堤地段于碾压面上铺设0.3 m厚碎石或水泥改良垫层，垫层内铺设一层双向土工格栅；路堑地段基床底层内铺设一层双向土工格栅。冲击碾压横断面如图1、图2所示。

2.2" 螺杆桩复合地基处理区段

螺杆桩复合地基处理区段地表浅层主要为粉质黏土、粉土、砂土，持力层以粗、细圆砾土及细砂为主。

地基处理范围为路堤两侧坡脚之间，螺杆桩采用三角形方式布桩，桩间距为2.2 m，桩长范围8～21 m，其中直杆段长度不小于桩长的1/3，直杆段桩径一般为0.3～0.5 m；螺纹叶片宽度一般为50～60 mm，叶片端部厚度为50 mm，根部厚度为100 mm，螺距与桩径之比为1∶0.6～1；桩身混凝土强度等级为C20。

螺杆桩桩顶设C30钢筋混凝土桩帽，桩帽采用人工开挖，桩顶伸入桩帽10 cm，桩帽形状为圆柱状，直径0.85 m，高度0.35 m，利用土模浇筑混凝土，不开挖桩间土，待桩帽混凝土强度达到设计值后，直接在桩帽顶部铺设垫层。湿陷性黄土地基铺设0.8 m厚水泥改良土垫层，垫层内铺设2层双向土工格栅；非湿陷性黄土地基铺设0.6 m厚碎石垫层，垫层内铺设一层整体式钢钉插接土工格室。螺杆桩复合地基横断面如图3所示。

2.3" CFG桩复合地基处理区段

CFG桩复合地基加固区段地表浅层主要为粉土、砂土，持力层主要为细砂，处理范围为路堤两侧坡脚之间。

CFG桩采用三角形方式布桩，桩间距1.8 m，桩长范围8～10 m，桩径0.4 m，桩身混凝土强度等级C20，桩顶不设桩帽，褥垫层铺设标准与螺杆桩复合地基相同。CFG桩复合地基横断面如图4所示。

3" 地基处理设计优化

现场实际调查发现，冲击碾压处理区段地表浅层以粉土、砂土为主，地下主要为粗、细圆砾土，地下水不发育，软弱土层厚度在5～6 m。根据TB 10106—2010《铁路工程地基处理技术规程》的规定[5]，冲击碾压不宜处理厚度大于3 m的软弱土层，且该区段各地层存在厚度分布不均、含水量较小等问题，冲击碾压处理地基效果不佳，因此不适宜在该区段采用[6]。

针对该区段软弱地基，持力层主要为粗、细圆砾土，天然承载力较高，桩基础及复合地基的处理方式不仅不经济，在粗、细圆砾土层中的成桩效果也尚需验证，因此，研究确定采用强夯对该区段地基进行加固处理。强夯的有效加固可根据TB 10106—2010《铁路工程地基处理技术规程》参考确定，见表1。结合现场实际情况，确定采用3 000 kN·m及以上能级的强夯，能够处理该区段的松软土地基[7]。对于螺杆桩与CFG桩复合地基处理区段，综合考虑经济效益、施工方案和施工周期等因素，认为螺杆桩与CFG桩的桩型尺寸参数、桩间距及褥垫层设置等情况均较为合理，可直接进行施工。

4" 地基沉降控制效果分析

4.1" 地基沉降观测结果

1）强夯处理区段。选取DK597+107断面地基沉降观测结果进行分析。该断面以路堤形式通过，中心填高约3.57 m，开始沉降观测时路基已填筑至2.2 m，第136天填筑完成。在路堤填筑过程中，对地基进行沉降观测58次；路堤填筑完成后，进行沉降观测295 d，共39次。地基沉降曲线如图5所示。

路堤前期填筑速度较慢，填筑完成后，运梁车开始通行，该断面地层主要为粗、细圆砾土，经强夯处理后，地基弹性模量较大，运梁车对沉降影响较小；填筑完成300 d后，沉降基本稳定。从填筑开始至施工完成，沉降量为11.8 mm；运梁车连续通过后至地基沉降稳定，总沉降量为12.13 mm，沉降主要发生在路基填筑期间。经过强夯处理后的地基沉降量较小，满足路基工后沉降控制要求[8]。

2）螺杆桩复合地基处理区段。选取DK583+953断面地基沉降观测结果进行分析。断面以路堤形式通过，中心填高约7.2 m，螺杆桩桩长为16.5 m。该断面于填筑开始时进行沉降观测，填筑至2.2 m后，由于调整工期，施工进入休息期，之后加快速度继续进行施工，第46天填筑施工完成，等待铺轨。在施工过程中，对复合地基进行沉降观测28次；路堤填筑完成后，对复合地基沉降观测386 d，共53次。地基沉降曲线如图6所示。

路堤填筑完成后，运梁车开始通行，运梁车作用在路堤上时，地基沉降速度较填筑期间显著增大，在运梁车连续通过后30 d内，复合地基沉降显著增加，100 d后逐渐趋于稳定。从填筑施工开始至施工完成，复合地基沉降量为14.22 mm，运梁车通过后至沉降稳定，总沉降量为16.95 mm，螺杆桩复合地基沉降量满足相关控制要求[9]。

3）CFG桩复合地基处理区段。选取DK635+586断面地基沉降观测结果进行分析。断面路堤填高约5.1 m，CFG桩长为8 m。该断面填筑至1.1 m时开始进行沉降观测，第53天填筑完成，等待铺轨。路堤填筑过程中，对复合地基进行沉降观测29次；填筑完成后，对复合地基沉降观测214 d，共35次。地基沉降曲线如图7所示。

路堤填筑完成后，运梁车开始通行，地基沉降匀速发展，170 d后，地基沉降逐渐趋于稳定。从填筑施工开始至施工完成，沉降量为12.7 mm，运梁车连续通过后至沉降稳定，总沉降量为15.07 mm，CFG桩复合地基沉降量满足相关控制要求[8]。

4.2" 地基沉降综合分析

该线路基其余各典型断面在路基填筑完成时和填筑完成3个月、6个月地基沉降值见表2。选取各断面间距较远，各断面之间相互影响不大，路堤填筑起止时间互不相同，填筑高度也各有差异，作为典型断面进行分析，具有一定的代表性。

对以上3种不同地基处理措施路段典型断面的沉降数据进行分析，见表2，发现地基沉降主要发生在路基施工期间，由于强夯处理区段地基主要为粗、细圆砾土，弹性模量较大，运梁车通过对沉降量影响较小；螺杆桩及CFG桩复合地基处理区段，在运梁车通过后30 d内沉降发生较快，3至6个月后地基沉降均逐渐趋于稳定，能满足标准要求，表明采用上述措施处理该区段软弱地基，能够有效控制该地区高速铁路路基的工后沉降[10]。

5" 结论

1）经现场调查，该高速铁路路基工程所处地区主要为粉土、砂土等松软土，夏、秋两季降雨量较大，降水及地表水可能渗入地基，引起不均匀沉降；且冬季结冰期较长，易发生冻胀病害。

2）原冲击碾压处理区段存在地层厚度不均匀，天然含水率较小等特点，且软弱土层深度达到5～6 m，冲击碾压效果欠佳，采用3 000 kN·m能级以上的强夯，能够有效对其进行加固处理。

3）强夯、螺杆桩及CFG桩复合地基处理方法，能够满足该高速铁路不同区段松软土地基的沉降控制要求，沉降主要发生在路基填筑期间，3至6个月内地基沉降已基本完成，沉降有效控制在规范要求范围内，可为后续铺轨施工提供基础条件。

参考文献：

[1] 国家铁路局.铁路路基设计规范：TB 10001—2016[S].北京：中国铁道出版社，2016.

[2] 尤昌龙，刘彬，孙红林.客运专线路基沉降问题探讨[J].铁道标准设计，2006（7）：8-10.

[3] 屈耀辉，苗学云.3种常用地基处理方法在黄土区高铁地基中的适用性研究[J].中国铁道科学，2015，36（4）：8-12.

[4] 钱征宇.湿陷性黄土地区铁路的主要技术问题及其工程措施[J].中国铁路，2006（2）：28-32，82.

[5] 中华人民共和国铁道部.铁路工程地基处理技术规程：TB 10106—2010[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[6] 王吉利，刘怡林，沈兴付，等.冲击碾压法处理黄土地基的试验研究[J].岩土力学，2005（5）：755-758.

[7] 杨天亮，叶观宝.高能级强夯法在湿陷性黄土地基处理中的应用研究[J].长江科学院院报，2008（2）：54-57.

[8] 颜斌，王航，倪万魁.公路黄土地基处治前后沉降变形分析[J].工程地质学报，2007（4）：521-526.

[9] 熊乾.高速铁路有砟轨道黄土路基螺杆桩复合地基沉降控制技术研究[D].兰州：兰州交通大学，2019.

[10] 时兴隆.黄土地区某高速铁路路基沉降控制技术研究[D].兰州：兰州交通大学，2018.