哈大客運專線CFG樁與MIP樁復合地基沉降特性試驗研究

張 寬，潘 強，王 振

(1.中鐵西北科學研究院有限公司 西南分院，四川成都 610036;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 611731;3.大同煤礦集團晉華宮礦，山西大同 037016)

沿海深厚軟土地區客運專線的建設中，路基沉降是一大難題，直接影響著工程的質量與安全。目前對沿海地區軟土地層普遍采用水泥粉煤灰碎石樁加固［1-4］，也有一部分采用雙向水泥攪拌樁、旋噴樁、水泥土擠密樁加固等［5-7］。哈大客運專線新營口車站修建于壓縮量大、地下水位高、滲透性小、靈敏度高、厚度大的軟黏土上。如何控制路基的沉降滿足工程要求，是設計者和建設者首先要解決的問題。通過勘察、工程類比等手段采用水泥粉煤灰碎石樁(Cement Fly-ash Gravel簡稱CFG樁)和水泥攪拌樁(Mixed in Place簡稱MIP樁)交替三角形布置對該段路基進行處理以控制其沉降。這種路基處理方式在國內客運專線工程中尚未見采用，其沉降規律有待系統地深入研究。

在試驗段布置液位沉降計、單點沉降計及剖面沉降管進行監測，以研究沿海軟土地層采用CFG樁結合MIP樁處理后路基的沉降規律，為同類工程提供參考，指導設計和施工。

1 工程概況

哈大客運專線(哈爾濱—大連)新營口站位于營口市東南老邊區柳樹鎮附近，地理坐標為北緯40°37'，東徑 122°25'，里程為 DK217+224.50—DK219+007.82，段內路基長1 783.32 m。場地地面絕對高程為1.810～7.025 m，地形較平坦，場地地貌屬于濱海平原，地表主要為稻田、村莊和魚塘等。選定的現場試驗段地處新營口站靠近哈爾濱一側，距離營口市約17.17 km，距大石橋市約7.38 km，附近有渤海大道、沈大高速公路、311國道和太曹鐵路等交通線路通過。

1.1 地層分布［8］

本段路基范圍內地層主要為第四系全新統海沖積黏性土及少量砂類土和粉土，局部地表覆蓋有近期人工填土層，下伏元古界遼河群及太古界鞍山群片麻巖，其地層分布情況如表1。

1.2 加固方案

試驗段DK217+650—DK217+700的路基位于軟土地基上，軟土層厚度超過50 m。軟土地基采用CFG樁與MIP樁交替三角形布置。CFG樁樁徑0.5 m，樁長30 m，樁間距1.5 m;MIP樁樁徑0.5 m，樁長12 m，樁間距1.5 m。MIP樁與CFG樁之間隔排布置，其凈間距為0.366 m，其平面布置如圖1所示。

在基底中部樁頂鋪設0.1 m厚的碎石墊層，并在其上設置厚0.5 m、寬27 m的鋼筋混凝土板，縱向每隔24 m左右設置一條伸縮縫，縫寬0.02 m。在混凝土板的兩側7 m范圍內采用0.6 m厚的碎石墊層并在其中間設置兩層雙向土工格柵，其雙向極限抗拉強度為100 kN/m，極限抗拉強度時伸長率≤15%。在路基分層填筑過程中，分別在第2，4，6，8，10層填土頂面左右路肩處沿線路方向鋪設雙向凸點鋼塑土工格柵。其縱斷面結構如圖2所示。

表1 地層分布情況

圖1 CFG樁與MIP樁平面布置(單位:m)

圖2 CFG樁與MIP樁復合地基示意

2 現場試驗及分析

2.1 施工工況

自2009年6月25日至9月6日進行路基填筑，歷時73 d。基床以下路基共填筑8層，基床底層共填筑7層，平均每層填土壓實厚度0.4 m左右。中間靜置45 d后，10月19日至10月24日進行堆載預壓，歷時5 d。預壓分5層堆載，每層堆載高度0.6 m，然后靜置130 d。

2.2 測點布設

為了觀測路基的沉降規律，埋設液位沉降計、單點沉降計和剖面沉降管進行監測，如圖3所示(圖中僅畫出兩排CFG樁)。

2.3 結果與分析

2.3.1 液位沉降計測試結果

路基中心線、右線中心線、右路肩線三位置處的液位沉降計測試曲線如圖4所示。

由圖4的測試曲線可得到各個階段的絕對沉降值，如表2所示。

由圖4及表2可以看出:

1)隨著路基填筑及預壓土的加載，樁頂與樁間土沉降呈線性增加，加載結束后，隨著固結時間的延續，沉降速率小于加載階段并逐漸趨于穩定。路基填筑結束后，靜置45 d、堆載預壓及靜置130 d三階段的總沉降＜15 mm，滿足《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》［9］的要求。

圖3 三種元器件布設平面

圖4 液位沉降計測試曲線

2)各階段的沉降，路基中心線處最大，右線中心線處次之，右路肩線處最小。主要是路基結構的原因，路基中心線處的填筑荷載最大，線路中心處、路肩處、坡腳處荷載依次遞減。

3)在0.5 m厚鋼筋混凝土板的剛性調節作用下，CFG樁承擔較大的荷載，樁間土承擔的荷載較小，因此樁土沉降差較小。同時由于距離的關系，兩樁中心處樁間土受到樁的約束比三樁中心處樁間土大，所以兩樁中心樁間土的沉降小于三樁中心樁間土的沉降。

4)綜合液位沉降計測試結果，可將上述曲線沉降發展過程分為三個階段:即沉降快速發展階段(路基填筑和堆載預壓期間)、沉降發展階段(路基填筑結束后的45 d以及堆載預壓結束后的45 d)和沉降趨于穩定階段(靜置階段后期)，各階段路基中心線處樁頂的平均沉降速率依次為0.328 mm/d，0.070 mm/d和0.0073 mm/d。可見路基沉降主要發生在路基填筑和堆載預壓期間。

表2 各階段絕對沉降值

表3 各階段相對沉降值(壓縮量)

2.3.2 單點沉降計測試結果

右線中心線、右路肩線兩位置處的單點沉降計測試曲線如圖5所示。各階段的相對沉降值如表3。

由圖5及表3可以得到:

1)路基下方區域12～20 m，右路肩處各階段的壓縮量大于右線中心線處，主要是由于右路肩處受鋼筋混凝土板邊緣及土工格柵的影響，應力往土體中轉移較多的緣故。

2)路基下方區域20～30 m，右線中心線處的壓縮量基本上小于上部12～20 m的壓縮量，主要是由于附加應力隨著深度逐漸減小的原因。

3)加固區下方區域30～40 m的壓縮量占0～40 m范圍內總壓縮量的50%左右。同時由表2和表3可以得到下臥層的最大壓縮量為30 mm，占總沉降的75%左右，因此復合地基的沉降主要來自下臥層的壓縮量。

圖5 單點沉降計測試曲線

2.3.3 剖面沉降管測試結果

樁頂及樁間土處的剖面沉降管測試曲線如圖6所示。

圖6 剖面沉降管測試曲線

由圖6可以看出:

1)剖面沉降管測試曲線呈波浪形，處于波峰位置的測點位于樁頂上，處于波谷位置的測點位于樁間土上(樁間土剖面管布置時也難免會穿過MIP樁，因此也出現波峰、波谷)。

2)在鋼筋混凝土板作用范圍內，由于板的剛性調節作用，樁土沉降差較小，而在混凝土板兩側碎石墊層下存在明顯的樁土沉降差。可以推知，由于樁頂與混凝土板之間僅設置0.1 m厚的碎石墊層，樁與樁間土呈整體式沉降。

3)沉降曲線呈中間大兩側小的趨勢，主要是由于路基結構中部承受荷載較大，兩側承受荷載較小的原因。

3 結論

1)隨著路基填筑、堆載預壓以及靜置，路基沉降分為三個階段:即沉降快速發展階段、沉降發展階段和沉降趨于穩定階段。同時各階段的沉降，路基中心線處最大，右線中心線處次之，右路肩線處最小。

2)通過鋼筋混凝土板的剛性調節作用，樁土沉降差較小，同時在調節范圍內設置0.1 m厚的碎石墊層，沉降比較均勻。在鋼筋混凝土板兩側碎石墊層下存在明顯的樁土沉降差。

3)靜置期間沉降與已有沉降之比＜30%，主要沉降發生在路基填筑和堆載預壓期間。下臥層的壓縮量最大達到30 mm，占總沉降的75%左右，復合地基的沉降主要來自下臥層的壓縮量。

4)通過CFG樁和MIP樁處理深厚軟土地層，其工后沉降值＜15 mm，滿足工程沉降控制要求，表明用該方式處理沿海深厚軟土地層合理可行。

［1］王河川.CFG樁復合地基在鐵路客運專線中的應用［J］.鐵道工程學報，2009(7):29-32.

［2］龐拓.CFG樁基在武廣鐵路客運專線軟基處理中的應用［J］.鐵道建筑，2008(8):84-85.

［3］程素麗.京津城際軌道CFG樁復合地基的施工范例［J］.石家莊鐵路職業技術學院學報，2008，7(3):17-20.

［4］張忠.CFG樁樁網結構加固鄭西客運專線濕陷性黃土地基研究［D］.成都:西南交通大學，2006.

［5］姚兵.三軸水泥土攪拌樁在軟弱地基處理的應用［J］.鐵道建筑，2010(2):84-86.

［6］張志民，馬連強.高壓旋噴樁在膠濟客運專線地基處理中的應用［J］.鐵道勘查，2009(4):86-88.

［7］李龍起，羅書學.深厚軟土區CMP樁與CFG樁組合樁型復合地基工作特性研究［J］.鐵道建筑，2010(11):90-92.

［8］鐵道第三勘察設計院.新建鐵路哈爾濱至大連客運專線營口至鞍山段工程地質報告［R］.天津:鐵道第三勘察設計院，2006.

［9］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2007］47號 新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.