高速鐵路軟基處理方法及應用現狀研究

潘 霄 李建國 肖 利

(1.長江勘測規劃設計研究院,湖北 武漢 430010;2.中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031;3.長江科學院,湖北 武漢 430010)

我國軟土分布相當廣泛,在擬建的幾條高速鐵路中,有很大部分位于具有高壓縮性的軟土地區。在軟土地基上修建高速鐵路,存在穩定與變形問題,需要對地基進行適當的加固和處理。

本文主要介紹了目前我國常用地基處理方法及其在高速鐵路工程中的應用情況,同時對各種方法的適用性進行了簡要探討。

1 常用地基處理方法

目前,國內鐵路路基工程中常用的軟基處理方法主要有:換填法、強夯法、排水固結法、復合地基法等。另外,隨著高速鐵路的修建,鋼筋混凝土樁網(板)結構也已應用到鐵路工程中。

1.1 換填法

換填法就是將基礎底面以下一定范圍內的軟弱土層挖除,然后以質地堅硬、強度較高、性能穩定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填,同時以人工或機械方法進行分層壓、夯、振動,使之達到要求的密實度,成為良好的人工地基。當地基軟弱土層較薄,且上部荷載不大時,也可直接以人工或機械方法進行表層壓、夯、振動等密實處理,同樣可以達到換填加固地基的效果。

換填法適用于淺層地基處理,包括淤泥、淤泥質土、松散素填土、雜填土、已完成自重固結的吹填土等地基處理以及暗塘、暗浜、暗溝等淺層處理和低洼區域的填筑。

1.2 強夯法

強夯法又名動力固結法或動力壓實法。該方法是反復提升重錘(一般為10～40t)使其自由落下(落距一般為10～40m),利用夯錘自由落下產生的沖擊波使地基壓實,從而提高地基的強度并降低其壓縮性。

強夯法適用于處理碎石土、砂土、粉土、粘性土、雜填土和素填土等地基。它不僅能提高地基土的強度、降低其壓縮性,還能改善其抗振動液化的能力和消除土的濕陷性,所以常用于處理可液化砂土地基和濕陷性黃土地基等。

1.3 排水固結法

排水固結法的加固原理是:軟土地基在附加荷載作用下,逐漸排出孔隙水,使孔隙比減小,產生固結變形。在這個過程中,隨著土體超孔隙水壓力逐漸擴散,土的有效應力增加,并使沉降提前完成或提高沉降速度。通常,排水固結法由排水系統和加壓系統兩部分組成,兩者缺一不可,在鐵路軟土地基處理中,對于高填路段,利用路堤填土的荷載即可滿足加壓要求;對于低填方路段或地基土層為欠固結土時,就要考慮采用堆載預壓來加速土層的固結。

排水固結法是處理軟粘土地基的有效方法之一,適用于處理各類淤泥、淤泥質粘土及沖填等飽和粘性土地基。

1.4 復合地基法

復合地基是在天然地基中設置一定比例的增強體(樁),并由原土和增強體共同承擔由基礎傳來的建筑物荷載。按成樁后的樁體剛度,復合地基可分為散體樁、柔性樁、半剛性樁和剛性樁復合地基。

1.4.1 碎石樁

碎石樁是以碎石(卵石)為主要材料制成的復合地基加固樁。其加固機理在松散砂土與粘性土中有所不同:在松散砂土中,主要是發揮砂石對砂土的擠密作用、排水減壓作用和砂基預振效應;而在粘性土中,主要是對軟土(特別是飽和軟粘土)的置換作用。根據施工工藝不同,碎石樁可以分為振沖碎石樁、干振碎石樁、沉管碎石樁、強夯碎石樁等,主要適用于處理砂土、粉土、粉質粘土等地基。

1.4.2 水泥土攪拌法

水泥土攪拌法是加固飽和軟粘土地基的一種新方法。它利用水泥、石灰等材料作為固化劑,通過特制的深導攪拌機械邊鉆進邊往軟土中噴射漿液或霧狀粉體,在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌,固化劑和軟土之間產生一系列物理化學作用,形成的抗壓強度比天然土高得多,且具有整體性、水穩性的水泥加固土樁體。根據施工方法的不同,水泥土攪拌法分為水泥漿攪拌法和粉體噴射攪拌法,形成的樁體分別習慣稱為攪拌樁和粉噴樁。

水泥土攪拌法是一種有效的地基處理方法,具有成樁效率高、成本低、施工占地面積小、施工現場周圍無污染,并且施工過程中無振動、無噪音等特點,最適用于加固各種成因的飽和軟粘土,尤其是20m深度范圍內沒有理想持力層的軟土地基。目前,國內采用水泥土攪拌法加固的土質有淤泥、淤泥質土、地基承載力標準值不大于120kPa的粘性土和粉性土地基。

1.4.3 高壓旋噴樁

高壓噴射注漿法就是先利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆入土層的預定位置,然后將漿液或水以高壓流的形式從噴嘴射出,沖擊破壞土體,高壓流切割攪碎的土層呈顆粒狀分散,一部分被漿液或水帶出鉆孔,另一部分則與漿液攪拌混合,隨著漿液的凝固,組成具有一定強度和抗滲能力的固結體,即通常說的旋噴樁。

所采用的固化劑主要是水泥,并增添了防止沉淀或加速凝固的外加劑。高壓噴射注漿法適用于處理淤泥、粘性土、粉土、黃土、砂土、人工填土和碎石土等地基。

1.4.4 水泥粉煤灰碎石樁

水泥粉煤灰碎石樁簡稱 CFG樁,是在碎石、石屑、砂石和粉煤灰中摻適量的水泥加水拌和,用各種成樁機械在地基中制成強度等級為 C5～C25的樁。處理方法是通過在碎石樁體中添加以水泥為主的膠結材料,使樁體獲得膠結強度,并從散體材料樁轉化為具有某些柔性樁特點的高粘結強度樁。

CFG樁適用于處理粘性土、粉土、砂土和淤泥質地基,既可用于擠密效果好的土,又可用于擠密效果差的土:當 CFG樁用于前者時,承載力的提高既有擠密作用,又有置換作用;當 CFG樁用于后者時,承載力的提高只與置換作用有關。

CFG樁和其他復合地基的樁型相比,其置換作用很突出,這是 CFG樁的一個重要特征。CFG樁在建筑、市政、高速公路等工程中已有廣泛應用。以前在鐵路工程中較少應用,近期在客運專線中大量使用,已成為處理客運專線軟基的主要加固措施。

1.5 鋼筋混凝土樁網結構

鐵路工程中常用的鋼筋混凝土樁網復合地基,一般由以下幾個部分組成:

(1)上部填土(路堤);

(2)加筋墊層,通常由兩層雙向土工格柵及0.6m厚的碎石墊層組成;

(3)鋼筋混凝土樁土加固區,一般樁身采用C30鋼筋混凝土現場灌注,樁間距2.0～2.5m,而且樁頂設樁帽;

(4)樁土加固區下臥層。

鐵路工程中常采用鋼筋混凝土樁網復合地基加固深度超過22m、填方高度超過 3m的路堤軟土地基。鋼筋混凝土樁網復合地基在遂渝、武廣高速鐵路中均有采用。

1.6 鋼筋混凝土樁板結構

樁板結構路基是高速鐵路無渣軌道一種新的路基處理措施,它由下部鋼筋混凝土樁基、路基本體與上部鋼筋混凝土承載板組成,承載板直接與軌道結構連接。該結構綜合了板式無渣軌道或雙塊式軌枕埋入式無渣軌道結構與樁基礎的各自特點,充分利用樁一板一土三者之間的共同作用來滿足無渣軌道的強度與變形要求。

2 處理方法的適用性分析

2.1 排水固結法

排水固結法地基處理能否滿足工程要求,主要取決于地基土層的固結特性、土層厚度、預壓荷載和預壓時間等因素。如果軟土層不太厚或固結系數比較大,不需要很長的時間就可獲得較好的預壓效果。反之,預壓時間可能很長,因此限制了排水固結法的使用。

高速鐵路對路基沉降變形有嚴格的控制標準,對一些抗剪強度過低或有機質豐富的飽和軟黏土層,即使采用砂井堆載預壓法進行地基處理,其工后沉降量和固結時間仍難以滿足路基設計要求。工程實踐經驗表明,采用袋裝砂井及塑料排水板處理地基,其工后沉降難以滿足高速鐵路地基要求,因此,在采用排水加固法處理高速鐵路軟基時需非常謹慎。

2.2 復合地基法

攪拌樁、粉噴樁和旋噴樁在秦沈線被普遍使用,主要用于處理淤泥質軟黏土路段及過渡段,三者的累積沉降量同屬一個范疇,很難分出優劣。

近年來 CFG樁在我國高速鐵路軟基處理中廣為應用,該樁型的處理深度可達20m。研究表明,與水泥攪拌樁(攪拌樁、粉噴樁)復合地基相比,CFG樁復合地基的樁土應力比要大,而且一般而言 CFG樁的樁身質量也比水泥攪拌樁更易得到保證。

但研究表明,水泥攪拌樁和 CFG樁為“懸浮樁”時,下臥層的加固沉降仍較大,應用這種樁型時,一般應謹慎采用“懸浮樁”。

2.3 鋼筋混凝土樁網(板)結構

鋼筋混凝土樁網(板)結構中的樁通常采用鋼筋混凝土現場灌注,樁長一般不受限制,因此當軟土層厚度超過20m,在采用其他復合地基結構無法滿足要求時,往往采用鋼筋混凝土樁網(板)結構。在日本高速鐵路改良線路中,有72.7%采用網樁工法(樁網復合地基)。該工法是在軟弱地基上打樁,樁底支承在承力層上,樁頂用網眼狀鋼筋相連結,然后在其上鋪設土工布,用以支承填土荷載。工程實踐表明,該工法控制沉降十分有效。鋼筋混凝土樁網(板)結構的不足之處是成本高,如果其他復合地基能夠滿足工程要求,一般不予采用。

3 部分鐵路地基處理措施統計分析

根據中鐵二院關于國內部分擬建、在建及已建客運專線地基處理資料,對于設計時速為 350km/h的客運專線,主要收集了武廣、京津城際、京滬、京石、石鄭、哈大和鄭西等7條線的地基處理資料;對于設計時速為200、250km/h的客運專線,主要收集了達成、遂渝、廈深、海東和膠濟等5條線的地基處理資料。分析了各條線路所用地基加固方法所占的百分比情況,從表1可以看出,目前 CFG樁在高速鐵路地基處理中應用很廣,另外,管樁與深層攪拌樁也占了較大比例。雖然所收集的資料有限,但在一定程度上反映了我國高速鐵路地基處理方法的應用現狀。

表1 國內部分鐵路工程地基處理方法所占百分比統計

4 結 語

高速鐵路對線路的平穩性要求極高,根據工程條件選用合適的地基加固措施,對于工程安全至關重要。本文介紹了目前高速鐵路工程中常用的地基處理措施,并對各種方法的適用性進行了評述。資料分析表明,CFG樁在我國高速鐵路工程中應用很廣,在地基處理工程中占了較大比重,有必要加強對其設計方法和加固效果的研究,以確保其在高速鐵路工程中的成功運用。