重載鐵路濕陷性黃土路基工程施工技術探討

鄭衛東

(北京鐵研建設監理有限責任公司，北京 102628)

1 工程概況

某重載鐵路工程呈南北走向，經地質勘查報告顯示，沿線地貌多為山間河谷區、低中山區及山前洪風積黃土高原區等。全線分布最廣的地層為第四系上更新統砂質黃土 (Q3eol+pl3)，在山前緩坡、階地及山頂處最多，具有Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性黃土特點，對于本工程具有較大影響。

根據勘查可知，DK107+500～DK107+722段為濕陷性黃土路基集中段，且位于重載鐵路路橋過渡段，12.1 m為路基面寬度，8.0 m為路基填高平均值。主要參數如表1所示。

表1 重載鐵路工程具體參數

2 灰土擠密樁地基加固機理

黃土主要特點為濕陷性，浸水后，濕陷性黃土土體強度快速下降，在外部荷載影響下，出現沉降變形現象。作為一種特殊的塑性變形，黃土濕陷變形的特點為突發性、間接性，且不可逆，因此，將重載鐵路建設于黃土區的施工難度較大。

灰土擠密樁是指利用專門機具成孔，在桿狀尖錘高壓動能作用下，沖擊夯擴孔內填料，達到原土結構破壞的目的，促使填料向孔底及周圍擠壓，以此形成復合地基，提升地基承載力和穩定性。在濕陷性黃土、雜填土、非飽和黏性土等土層內具有廣泛適用性。相比其他地基加固方法，灰土擠密樁的優勢集中于以下幾點。

1)上部荷載可由樁與樁間土體共同擔負，能夠合理利用原地基土，并形成復合地基，提高地基承載力，降低沉降量。

2)操作簡單，施工便捷，能夠有效降低施工成本。

3)在大厚度濕陷性黃土中應用效果良好，5～15 m為處理深度范圍。

3 灰土擠密樁施工要點

為保證灰土擠密樁施工效果，決定選取DK107+500～DK107+722段內DK107+500處進行施工，經地質勘查結果表明，本試驗區處于黃土緩坡地帶，沿線具有較為平坦的地勢，0.031～0.041為本試驗區濕陷性系數，10～14 m為濕陷土層厚度。

在本次施工中，采用石灰、黃土為灰土樁材料，石灰：黃土=2:8，石灰內有效氧化鈣、氧化鎂含量應控制在60%以上，含水率則控制在2%以內。黃土過篩，合理控制含水率。灰土擠密樁復合地基的具體情況如表2所示。

表2 灰土擠密樁復合地基具體情況

根據設計規定，須合理控制灰土擠密樁復合地基承載力，保證在150 kPa以上控制復合地基承載力特征值，灰土樁樁體壓實系數和樁間土擠密系數分別控制在0.97、0.90以上。

4 灰土擠密樁施工試驗結果分析

為驗證灰土擠密樁復合地基施工質量，可通過平板靜載荷載試驗、鉆芯法、室內土工試驗等獲取地基承載力、平均擠密系數、濕陷性系數等指標。

4.1 平板載荷試驗

作為一種常用的地基承載力原位測試方法，平板載荷試驗檢測結果較為準確。采用承壓板作為圓形鋼板，0.945 m承壓板，0.701 m2為底面積，試驗時，須采取不同位置測點進行測定，測點共6個，試驗如下。

4.1.1 試驗準備

試驗前，須將粗砂鋪設于地基凹凸不平處，從而保證承壓板和地基充分貼合整平。試驗加載反力裝置為地錨鋼梁聯合反力系統，壓力測試以標準壓力表為準，以承壓板為中心，按照正三角形進行3個百分表布設，用于沉降值測量。

4.1.2 加載過程

加載分8級完成，400 kPa為最終加載值，50 kPa為各級加載量，相比承載力設計值，應大于其2倍左右。待完成各級加載后，不同時間段讀取數據，當1 h內沉降量在0.1 mm以內，則說明沉降已趨于穩定，即可加載下一級。

4.1.3 卸載過程

卸載分4級完成，100 kPa為各級卸載量，每級卸載后，均應進行回彈量記錄，并在不同時間段內進行數據讀取，待完全卸載后，仍須進行3 h監測，并做好回彈量記錄工作。

4.2 室內土工試驗

采用鉆芯取樣法進行灰土樁體、樁間土體檢測，并做室內土工試驗。主要對試樣濕密度、干密度進行測定。具體計算公式如下：

ρ0=m0/v
ρd=ρ0/(1+W1)

其中，濕密度由ρ0表示；干密度由ρd表示；濕土總質量由m0表示；環刀容積由v表示；試樣含水率可由W1表示。此次試驗驗證時以平行測定為準，所得平行差值在0.03 g/cm3以下，取平均值。

4.3 灰土擠密樁復合地基試驗結果

4.3.1 復合地基承載力分析

通過平板載荷試驗，可獲取6個測點的數據，并進行P-S曲線繪制。由此可見，6個測點所處地基變形形式全部為緩變形式，未見明顯比例極限，可根據相對變形量進行復合地基承載力特征值檢測。據相關規范要求，可取s/d=0.008時的荷載壓力值分析灰土擠密樁復合地基的承載力特征值。相比最大荷載，若壓力值大于該值，則承載力特征值取最大荷載1/2。在承壓板直徑為0.945 m、最大加載值400 kPa的條件下，不同測點所得結果如下。

1)測點1，s/d=0.008時的荷載壓力值為227 kPa，承載力特征值為200 kPa。

2)測點2，s/d=0.008時的荷載壓力值192 kPa，承載力特征值為192 kPa。

3)測點3，s/d=0.008時的荷載壓力值為197 kPa，承載力特征值為197 kPa。

4)測點4，s/d=0.008時的荷載壓力值為206 kPa，承載力特征值為200 kPa。

5)測點5，s/d=0.008時的荷載壓力值為188 kPa，承載力特征值為188 kPa。

6)測點6，s/d=0.008時的荷載壓力值為185 kPa，承載力特征值為185 kPa。

根據上述分析，6個測點的承載力特征值范圍為185～200 kPa，取平均值為193.7 kPa，與設計(150 kPa)要求相符。

4.3.2 復合地基綜合評價分析

為了解復合地基情況，本文采用鉆芯取樣、環刀法與室內試驗等檢測方法進行分析，樁號選取A、B、C、D、E 5個樁體，并在深度1 m、3 m、5 m、7 m 4個不同深度下進行壓實系數分析，最終獲取各個樁號的平均壓實系數。

1)樁號A，1 m深壓實系數為0.97，3 m深壓實系數為0.98，5 m深壓實系數為0.98，7 m深壓實系數為0.97，平均壓實系數為0.98。

2)樁號B，1 m深壓實系數為0.99，3 m深壓實系數為0.99，5 m深壓實系數為0.98，7 m深壓實系數為0.99，平均壓實系數為0.99。

3)樁號C，1 m深壓實系數為0.98，3 m深壓實系數為0.98，5 m深壓實系數為0.98，7 m深壓實系數為0.98，平均壓實系數為0.98。

4)樁號D，1 m深壓實系數為0.97，3 m深壓實系數為0.99，5 m深壓實系數為0.98，7 m深壓實系數為0.99，平均壓實系數為0.98。

5)樁號E，1 m深壓實系數為0.97，3 m深壓實系數為0.98，5 m深壓實系數為0.98，7 m深壓實系數為0.99，平均壓實系數為0.98。

由此可見，4個不同深度條件下，5處灰土樁的樁體壓實系數均在0.97以上，表明能夠符合復合地基設計規定。

為獲取擠密系數、濕陷系數等，同樣可在4個不同深度條件下取樣檢測，取3個樁中心進行分析，所得結果如表3所示。

表3 灰土擠密樁復合地基樁間土試驗檢測結果

5 結語

濕陷性黃土區路橋過渡段沉降的主要原因在于黃土地基沉降變形。重載鐵路建設需要有效處理天然黃土地基，在天然地基濕陷性消除后，才能保證地基承載力滿足規范要求，提高地基穩定性，減小沉降變形。目前，常用的黃土地基處理方法包括重錘夯實、強夯法、灰土擠密樁等，其中灰土擠密樁復合地基可有效消除大厚度濕陷性黃土的濕陷性，在濕陷性黃土地基處理中得到了廣泛應用。