客運專線鐵路黃土高路堤地基處理的試驗研究

付 雄

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北武漢 430063)

以往對黃土的研究,多偏重于對其濕陷性的研究[1-4],對其地基處理、沉降研究較少。為了研究濕陷性黃土地區高填方路基處理的設計方案及其可行性,中鐵四院等單位進行了現場試驗研究。

1 試驗概況及工程地質概況

鄭西客運專線采用線下350 km/h標準鋪設無砟軌道。線路東起中原中心鄭州市，向西經豫、陜兩省,到達古城西安市,沿途多為黃土地貌單元,地層主要特征表現為第四系新、老黃土地層的深厚覆蓋,是我國也是國際上第一條在黃土地區修建的高速鐵路。

鄭西客運專線洛陽南站位于洛陽市關林鎮南劉村和李屯之間,路基最大填高8.6 m,其中DK119+395.37～DK120+200段路基填高6.6～8.6 m,在濕陷性黃土地區高填方地段采用何種地基處理方案既經濟合理,節省投資,又保證路基穩定,有效地控制路基工后沉降,還沒有成熟的經驗可以借鑒,為本項目設計重難點。

試驗工點位于為伊洛河一級階地區,地形平坦,辟為旱地。地層由上至下依次為Q4al砂質黃土,褐黃色,稍濕,稍密,厚6.6～12.9 m；粉砂,褐黃色,中密,飽和,厚0.1～4.2 m；粗圓礫土,雜色,中密,飽和,厚>8 m。其中砂質黃土均具有濕陷性,為非自重濕陷性黃土場地,濕陷等級Ⅰ級,砂質黃土最大干密度ρdmax=1.84～1.90 g/cm3。地下水不發育。

其中砂質黃土的物理力學指標,ω=23.48%,γ=19.2 kN/m3,γd=15.6 kN/m3,е=0.76,Es1-2=4.06 MPa,Ps=1.52 MPa,σ0=100 kPa。為松軟土。

2 地基處理設計方案

對于濕陷性黃土,目前采用的較多的是強夯法、灰土擠密樁等方法[5-7],這些方法雖然有效地消除了黃土的濕陷變形,但對于沉降要求很高的客運專線,還必須同時控制路基的沉降變形,保證路基的工后沉降滿足無砟軌道的鋪設條件。經過大量的沉降估算,洛陽南站無砟軌道范圍內路基采用水泥土擠密樁+CFG樁結合堆載預壓進行加固,水泥土擠密樁和CFG樁樁徑均為0.4 m,水泥土擠密樁樁間距1.05 m,CFG樁樁間距2.1 m,正三角形相間布置,樁長進入粗圓礫土層不小于0.5 m。無砟軌道范圍外路基采用水泥土擠密樁加固,水泥土擠密樁樁間距1.05 m,正三角形布置,樁長進入粗圓礫土層不小于0.5 m。

在橋路過渡段,地基處理采取樁間距過渡。水泥土擠密樁樁間距0.8～1.05 m,靠橋梁側間距0.8 m,路基側間距1.05 m,逐漸過渡。CFG樁樁間距1.6～2.1 m,靠橋梁側間距1.6 m,路基側間距2.1 m,逐漸過渡。

要求與水泥土配比相同的室內加固土試塊在標準養護下90 d齡期的立方體抗壓強度平均值不小于3 MPa,要求CFG樁樁體混合料試塊標準養護下28 d齡期的立方體抗壓強度平均值不小于15 MPa。

樁頂均設褥墊層,褥墊層采用三七灰土填筑,距墊層頂、底面0.1 m處各鋪一層土工格柵,土工格柵抗拉強度不小于80 kN/m,形成樁網結構,充分發揮樁間土的作用。

斷面形式及擠密樁和CFG樁平面布置見圖1。

3 沉降估算

無砟軌道鋪設完成后的工后沉降應滿足扣件調整和線路豎曲線圓順的要求，工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15 mm[9]。因此,設計的思路就是如何控制路基的沉降，黃土的濕陷變形和壓縮變形。本工點結合黃土的工程地質特征,采用水泥土擠密樁聯合CFG樁共同處理。水泥土擠密樁在有效地消除黃土濕陷性的同時,改善了樁間土的物理力學性質。樁身材料采用高強度的水泥土，大大提高了地基的強度和剛度,再輔以半剛性的CFG樁,控制路基的壓縮變形,滿足路基的工后沉降。

圖1 地基處理平面、橫斷面示意(單位：m)

擠密樁樁間距計算。

S=0.95[(ηcρdmaxD2-ρd0d2)/(ηcρdmax-ρd0)]1/2

Sηcρdmanρd0D2d2ηcρdmanD2-ρd0d2ηcρdman-ρd01.110.931915.600.402.8272.070

經計算,當擠密樁樁間距小于1.11 m時,可消除黃土濕陷性。設計時采用擠密樁樁間距1.05 m,CFG樁樁間距2.1 m,擠密樁和CFG樁呈正三角形相間布置,按此方案進行沉降估算。

水泥土擠密樁加固區的復合壓縮模量計算采用復合模量法,CFG樁加固區的復合壓縮模量根據經CFG樁處理后的地基承載力提高倍數進行計算。

水泥土擠密樁復合地基壓縮模量計算

Espi=mEp+(1-m)Esi

水泥土擠密樁Esp/MPasdmEp/MPa1-mEs13.5321.050.40.0991000.9014.0618.8851.050.40.0991000.90110備注三角形布置

水泥土擠密樁單樁承載力特征值

(1)

Ra/kNKupdqsiliqpApRk地層1.2566370.42411.400.125664344第1層1.2566370.4900.654000.125664746第2層545.1321090

Ra=ηfcuAp=0.33×3 000×0.125 66=124.4 kN

(2)

水泥土擠密樁單樁承載力特征值Ra取上述兩式中的小值124.4 kN。

水泥土擠密樁復合地基承載力特征值

fspk/kPasdmRaApβ1-mfak備注208.51.050.40.132124.400.12570.90.87100三角形布置

CFG樁復合地基承載力特征值

Ra=ηfcuAp=0.33×15 000×0.125 66=622 kN

CFG樁單樁承載力取上述(1)式和(2)式中的小值545.1 kN。

采用水泥土擠密樁和CFG樁同時加固后的CFG樁：

CFG樁復合地基承載力特征值

復合地基壓縮模量計算

其中fak取水泥土擠密樁的復合地基承載力特征值。Es取水泥土擠密樁的復合地基壓縮模量。

Esp/MPaEs/MPafspk/kPasdmRaApβ1-mfak/kPa19.713.53304.062.10.40.033545.100.12570.80.97208.5

根據以上計算的復合地基壓縮模量值進行沉降計算,客運專線沉降估算采用“ZK”活載,路基荷載按均布荷載考慮,換算土柱寬8.94 m,高1.4 m,土的重度為19 kN/m3。地基的總沉降量采用分層總和法計算

地基應力按布辛內斯克解計算,其中加固區代入復合壓縮模量。施工期沉降量對應于非飽和土地基,在保證路基填筑完成以后有12個月的沉降固結期的情況下,路基的固結度可以達到90%以上,沉降計算施工期沉降量按固結度90%考慮。

經對填高較大DK119+395.37～DK120+200段斷面進行估算,總沉降量S總=51～70 mm,S施=43～59 mm,S工后=8.0～12.0 mm。滿足客運專線鋪設無砟軌道要求路基工后沉降不大于15 mm的要求。

4 現場測試分析

本段路基沉降觀測斷面間距不大于50 m,橋路過渡段處距起點5～10 m、20～30 m、50 m處分別設置觀測斷面。觀測斷面在線路中心線布設一組沉降板,沉降板分別埋設在基床底層頂面和地基面處,在兩側路肩設置鋼筋混凝土觀測樁。

本段路基自2007年8月10日開始三七灰土墊層填筑,路基本體填筑于2007年12月下旬結束,于2008年1月1日開始堆載預壓,至2008年1月21日完成堆載預壓。地面沉降板自2007年9月6日開始觀測,至2008年12月16日持續觀測時間超過12個月后開始進行沉降評估。實測的最大沉降量為57.8 mm。典型地面沉降板時間-荷載-沉降曲線見圖2。

圖2 典型地面沉降板時間-荷載-沉降曲線

地基面沉降板沉降分析結果見表1。

表1 沉降觀測預測沉降量

根據沉降曲線分析,預測的最終沉降量最大為60.81 mm,預測的工后沉降量最大為4.03 mm。從沉降速率上分析,路基本體填筑完成至堆載完成期間的沉降速率為0.05～0.37 mm/d,堆載完成至堆載完成3個月后期間的沉降速率為0.027～0.086 mm/d,堆載完成3個月后至結束觀測時間的沉降速率為-0.015～0.029 mm/d。路基堆載完成3個月后的沉降量已經很小,基本趨于穩定。

5 結論

(1)試驗結果表明,采用CFG樁聯合水泥擠密樁處理類似本試驗段條件的客運專線鐵路黃土地基可以在較短工期內(本試驗為堆載完成3個月)滿足鋪設無砟軌道1.5 cm工后沉降的要求。

(2)在對沉降要求極其嚴格的客運專線中的高填方濕陷性黃土路基地段,采用水泥土擠密樁聯合CFG樁共同處理。水泥土擠密樁在消除黃土濕陷性的同時,改善樁間土的物理力學性質,樁身材料采用高強度的水泥土大大提高了地基的強度和剛度,再輔以半剛性的CFG樁,能很好地控制路基的壓縮變形,滿足路基的工后沉降。

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