采用柱錘沖擴樁處理高速鐵路黃土地基效果研究

李玉強，黃志軍

(1．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070;2．甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅蘭州730070)

采用柱錘沖擴樁處理高速鐵路黃土地基效果研究

李玉強1，2，黃志軍1，2

(1．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070;2．甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅蘭州730070)

黃土在我國境內(nèi)分布較廣，具有壓縮性高、孔隙率大、濕陷性等特征，工程性質(zhì)較差。高速鐵路對地基的要求比較高。要在黃土地區(qū)修建高速鐵路，就必須解決黃土工程性質(zhì)較差的問題。在寶蘭客專蘭州西客站附近選取試驗段，采用柱錘沖擴樁對黃土地基進行處理。結(jié)果表明:柱錘沖擴樁復合地基能夠大幅度提高黃土地基的承載力，處理后復合地基的承載力相對于天然地基提高了3倍以上;采用柱錘沖擴樁處理黃土地基對樁間土具有良好的擠密效果，樁間土密度比處理前增大了17%左右;柱錘沖擴樁復合地基能夠有效消除黃土的濕陷性。

高速鐵路 柱錘沖擴樁 黃土 復合地基 濕陷性

黃土的濕陷性指的是黃土在遇水浸濕后，土體結(jié)構迅速破環(huán)，并發(fā)生顯著下沉，引起上部建筑發(fā)生傾斜、開裂或者大幅度沉降的一種性質(zhì)［1-2］。在黃土地區(qū)修建高速鐵路，如果不采取措施消除黃土的濕陷性，一旦遇水，地基土結(jié)構迅速破壞，在列車荷載作用下，路基會大幅度沉降，影響列車的安全運行。因此，對黃土地區(qū)高速鐵路地基必須采取措施進行加固處理，消除黃土的濕陷性。

在對黃土地基加固處理時需選擇合理的工法。從目前來看，黃土地基的處理方法主要有預浸水法、擠密法、強夯法、換填法、高壓噴射注漿法、深層攪拌樁法等［3-4］。柱錘沖擴樁是擠密樁的一種，因其成樁速度快、工程造價低等優(yōu)點已得到廣泛應用。本文探討用該方法處理高速鐵路黃土地基的效果。

1 工程概況

寶蘭客專是規(guī)劃的徐州至蘭州客運專線的西段，是國家鐵路“四縱四橫”客運專線網(wǎng)絡的重要組成部分。蘭州西客站是寶蘭客專的大型客運樞紐站，位于黃河三級階地平臺上，地勢開闊，地形相對平緩。施工段起訖里程DCSK1+095.46—DCSK5+605.00，全長4 509.54 m。在施工段選擇DCSK3+160—DCSK3+ 260段(全長100 m)作為試驗段采用柱錘沖擴樁對天然地基進行處理。試驗段地層見表1。

表1 試驗段地層

2 天然地基物理力學性能試驗

2.1 天然地基承載力試驗

通過現(xiàn)場載荷試驗確定天然地基承載力。試驗結(jié)果見圖1。

由圖1可見，3組試驗測得的天然地基承載力為120 kPa左右。而設計要求的地基承載力為不小于200 kPa，故天然地基承載力不能滿足設計要求，所以必須采取措施提高天然地基承載力。

2.2 天然地基土物理力學試驗

天然地基土物理力學試驗包括密度試驗和濕陷性試驗。現(xiàn)場用環(huán)刀取回原狀土，在室內(nèi)通過試驗檢測其密度和濕陷性。結(jié)果見表2。

圖1 天然地基P－S曲線

表2 天然地基土試驗結(jié)果

由表2可見，天然地基土濕陷系數(shù)均＞0.015，說明天然地基土具有濕陷性。如果直接在上面修建高速鐵路，在降雨量較大的情況下地基黃土發(fā)生濕陷，這將嚴重威脅到列車的安全運行。對于濕陷性黃土，在采取措施提高承載力之前必須消除其濕陷性。而柱錘沖擴樁可以在提高承載力的同時消除黃土濕陷性。

3 柱錘沖擴樁的設計、質(zhì)量要求及施工方法

3.1 柱錘沖擴樁的設計

試驗段設計柱錘沖擴樁樁體填料為水泥與黃土的混合料，灰土比例為1∶10，填充前應攪拌均勻。設計樁長為8 m，樁徑為0.4 m，樁中心間距為1.0 m，樁位布置為正三角形，見圖2。

3.2 柱錘沖擴樁質(zhì)量要求

1)柱錘沖擴樁質(zhì)量檢測內(nèi)容包括樁身及樁間土密度、復合地基承載力、樁間土濕陷系數(shù)等。

2)樁施工結(jié)束7～14 d后對樁身質(zhì)量進行檢測。在全樁長范圍內(nèi)，樁心附近采用鉆機取樣，每2 m采取試樣測定密度，再根據(jù)擊實試驗得到的最大干密度將其換算為壓實系數(shù)(輕型擊實需≥0.97)，同時取樣實測28 d無側(cè)限抗壓強度(需≥1 000 kPa)［5］。

3)施工結(jié)束7～14 d后應對樁間土的處理效果進行檢驗。每2 m取樣測定密度并進行固結(jié)試驗、濕陷性試驗，需滿足擠密系數(shù)≥0.93(輕型擊實)，濕陷系數(shù)δs＜0.015［5］。

4)樁身承載力檢驗宜在成樁28 d后進行，應采用復合地基承載力試驗，滿足復合地基設計要求［5］。

3.3 柱錘沖擴樁施工工藝

一般柱錘沖擴樁的施工［6-7］分為以下幾步:

1)平整施工場地，布置樁位并進行標記。

2)施工機具進場，施工前應使柱錘位于樁位的正上方。

3)沖擊成孔。將柱錘提升至一定高度，自由下落沖擊土層，如此反復，直至達到設計成孔深度時停止作業(yè)。

4)夯實成樁。將提前拌好的水泥土填入樁孔，每次填料量為0.13～0.15 m3，用夯重錘進行夯實，夯擊次數(shù)達到至少8次后進行下一次填料，如此往復，每個樁孔應夯填至樁頂設計標高以上至少0.5 m。施工中應作好記錄，并對發(fā)現(xiàn)的問題及時進行處理。

5)施工機具移位，重復上述步驟進行下一根樁施工。

沖擊成孔過程中，柱錘將原位置的土體擠壓到四周，達到擠密樁間土的效果。填料后，柱錘夯擊過程中，填料被夯實的同時會被擠向四周，成樁的同時樁間土被再一次擠密。成樁后，灰土樁對天然土體起到一個置換作用，從而形成柱錘沖擴樁復合地基。

圖2 樁位布置示意(單位:m)

4 處理后效果檢測

4.1 現(xiàn)場載荷試驗

柱錘沖擴樁施工結(jié)束7 d后，通過現(xiàn)場荷載試驗檢測復合地基承載力，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，3組試驗測得的復合地基承載力遠大于設計要求的200 kPa，復合地基承載力相對于天然地基提高了3倍以上。

圖3 復合地基P－S曲線

4.2 樁身物理力學性能試驗

樁施工結(jié)束7 d后，在樁心附近采用鉆機取樣，每2 m采取試樣測定密度，換算成壓實系數(shù)，試驗結(jié)果見表3。

表3 樁身力學性能試驗結(jié)果

由表3可知，樁身土壓實系數(shù)均＞0.97，樁身壓縮模量均＞100 MPa，無側(cè)限抗壓強度均＞1 MPa，各項指標均滿足設計要求。

4.3 樁間土物理力學性能試驗

施工結(jié)束7 d后，對樁間土每2 m采用鉆機取樣，測定密度，并進行室內(nèi)固結(jié)試驗和濕陷性試驗，結(jié)果見表4。

由表4可知，樁間土擠密系數(shù)＞0.93，滿足設計要求，樁間土密度比處理前增大了17%左右。

通過濕陷性試驗確定樁間土濕陷系數(shù)δs＜0.015，樁間土濕陷性已基本消除。

表4 樁間土固結(jié)試驗和濕陷性試驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究采用柱錘沖擴樁處理黃土地基的效果，結(jié)果顯示復合地基承載力、樁身壓實系數(shù)、壓縮模量、無側(cè)限抗壓強度、樁間土擠密系數(shù)及濕陷系數(shù)均滿足設計要求。得出以下結(jié)論:

1)柱錘沖擴樁復合地基能夠大幅度提高黃土地基的承載力，復合地基承載力相對于天然地基提高了3倍以上。

2)柱錘沖擴樁對樁間土具有良好的擠密效果，樁間土密度比處理前增大了17%左右。

3)柱錘沖擴樁復合地基有效地消除了樁間黃土的濕陷性。

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［3］孫洪利，尤曉．黃土地區(qū)公路工程地基處理技術簡介［J］．公路，2003(6):107-109．

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(責任審編葛全紅)

TU472.99

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．26

1003-1995(2015)03-0092-03

2014-06-20;

2014-09-20

李玉強(1990—)，男，甘肅金昌人，碩士研究生。