國內外高速公路、鐵路地基處理技術回顧

鄭 剛，趙佳鵬，周海祚*，于曉旋，夏博洋，王金山

（1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引 言

交通運輸業是影響一個國家經濟與發展最為重要的產業之一，其中高速公路和高速鐵路的發展是交通現代化的重要標志，承擔著巨大的運輸承載力[1]。近年來，世界經濟不斷繁榮，世界范圍內高速公路、鐵路的建設進度不斷加快。為了保證車輛運行的安全和旅客乘坐的舒適，高速公路路基必須具備穩定、平順的特征；高速鐵路的軌道結構必須以強硬且穩定的路基作為基礎[2]。

天然地基常見軟土地基和區域性不良地基，這些地基在我國沿海地區（渤海地區、長三角地區、珠三角地區等）存在大量分布，基本覆蓋了我國經濟最發達、人口最密集、工程建設量最大的地區。這些軟土地基具有孔隙比大、壓縮性強和抗剪強度低的特點。在軟土地基上修建高速公路、鐵路主要面臨著沉降和穩定性兩個方面的問題，由此造成的路堤失穩和工后沉降、不均勻沉降問題在工程中屢見不鮮，如圖1所示。這兩類問題顯著影響著高速公路、鐵路的運行安全和舒適度，必須對相關理論和實踐技術進行深入研究。

圖1 高速公路、鐵路路堤面臨的工程問題Fig.1 Engineering problems in embankments of highway and railway

地基處理作為一種改善地基的承載力和變形特性的有效技術，被廣泛應用于軟弱地基和區域性不良地基的高速公路、鐵路工程建設中。總結國內外高速公路、高速鐵路地基處理的技術應用和理論研究進展，進而逐步構建起更為完善的技術體系，提高高速公路、鐵路地基處理整體技術水平，對于確保交通工程建設的安全和效率具有重要意義。本文首先對常見的高速公路、鐵路路堤地基處理方式進行簡要總結和闡述，在此基礎上對近年來不同地基處理方式的沉降和穩定性研究進展進行歸納總結，并結合國內外典型工程建設案例介紹不同地基處理方式的應用情況，最后對已有理論和技術的成功經驗和不足之處進行總結，對高速公路、鐵路地基處理的應用前景進行探討。

1 常見公路、鐵路地基處理技術

高速公路、鐵路建設中常見的軟土地基處理方式如表1所示。

表1 國內外公路、鐵路主要地基處理方式[3]Table 1 Typical methods of ground improvement for highway and railway

根據原理不同，高速公路、鐵路建設中常見的地基處理方法總體上分為土質改良和復合地基。土質改良是通過改良天然地基土體性質的方式，提高地基土的抗剪強度、減小土體壓縮性等；復合地基是形成由基體和增強體兩部分組成的人工地基來共同承擔上部荷載。

土質改良包括置換法、排水固結法以及強夯法等。換填墊層法是最常用的置換法之一[4]，適用于軟土較為淺薄的情況，對于軟土層較厚的情況，該方法施工困難且造價過高。

排水固結法是指對地基土設立排水體或者事先進行預壓，使土壤水排出固結進而提高強度、減小壓縮性的方法。根據加荷方式的不同，排水固結法可分為堆載預壓法、超載預壓法、真空預壓法和真空-堆載聯合預壓法等。其中，堆載預壓法由于其固結時間長，適用于軟土不太厚的工程；真空-堆載聯合預壓法對于具有深厚軟黏土或者工期緊的工程，是一種更為經濟有效的方法，通過在地基上施加荷載和使用真空負壓源進行抽氣使土體內部處于真空狀態的聯合使用，可有效加快地基的固結過程，縮短高速公路、鐵路工程的工期[5]。

強夯法是將大重量的重錘從高處落下，使天然地基壓密進而提高承載性能與密實度的方法。強夯法具有土質適用范圍廣、施工簡單、地基改善效果好、施工效率高的優勢。但是，對于飽和度較高的軟黏土，強夯法由于易形成“橡皮土”從而存在夯后地基承載力降低的問題，故一般不宜用于加固。

復合地基法中的增強體可分為散體類柔性樁、半剛性樁、剛性樁、鋼筋混凝土樁以及復合加固體等，這是根據增強體的材料特性、有無黏結強度以及抗拉壓強度差異來區分的。其中采用以上多種加固體的組合即為復合加固體，充分發揮了復合加固體中各種材料的特點，從而使復合加固體的性能更加突出。這些地基處理方法具有成熟的理論經驗以及豐富的實踐基礎，也是較為經濟的一類地基處理技術。對于普遍存在的深厚軟土地基，特別是深度超過12 m以上的情況，其工后沉降偏大，需采用豎向增強體與水平向增強體相結合的方法來對其進行處理。

樁網復合地基為復合地基配以加筋墊層，從而達到充分發揮地基承載能力并調節樁土應力分擔比的目的，同時，水平加筋體對坡腳附近的側向位移還有較好的約束作用[6]。加筋墊層由土工合成材料以及碎石（砂礫）組成，不僅具有優秀的抵抗變形的能力，同時可以根據實際情況來調節基底樁土之間的荷載分擔比，使得樁體主要承擔上層建筑的荷載。樁網復合地基尤其適用于不均勻沉降的減少，是一種有效且相對經濟的方法。

樁筏復合地基的組成部分包括鋼筋混凝土樁、支撐梁以及鋼筋混凝土筏板。在初始加載過程中，由于樁間土體的剛度遠小于混凝土筏板和樁的剛度，土體相比于樁具有更大的壓縮變形。樁與土的變形差異，筏板的恒載主要由樁來承擔。在該體系中樁間土支撐上部結構荷載，墊層平衡樁土荷載的分布[1]。

2 高速公路、鐵路地基處理沉降與穩定研究現狀

2.1 高速公路、鐵路地基場地特性及存在問題

高速公路相比于普通公路，路面更高、路堤更寬、路線更直，因此其作用在地基上的荷載大小和范圍都更大，產生了巨大的附加應力。如果修建在軟土地基上，容易出現失穩問題，并產生較大的不均勻沉降，輕則出現“橋頭跳車”現象、地面出現下沉和變形，重則發生路堤垮塌，造成嚴重的人員和經濟損失。高速公路的以上特點要求地基具備較高的穩定性和較小的工后沉降。

早期的鐵路建設重點關注穩定問題。但隨著列車速度越來越快，高速鐵路逐漸產生高開行密度、高安全性、高穩定性、高平順性的運營需求，有效控制軌下基礎工后沉降和不均勻沉降成為了最核心的技術問題之一。高速鐵路的軌道基礎設施由上部結構（軌道構件）和下部結構（基礎構件）兩部分組成。由于結構差異和地基處理差異，軌道的不均勻沉降主要分布在不同下部結構連接處附近以及在地基不均勻性區域、充填段與切割段連接以及不同地基處理段連接區域[7]。這些過渡段在高速列車的作用下，橋頭容易出現較大的振動現象，被稱為“橋頭跳車”。高速鐵路無砟軌道對于路基工后沉降和過渡區的不均勻沉降有嚴格的界定。例如，一般情況下工后沉降應小于15 mm，過渡區允許的路基差沉降應小于5 mm，鋼軌順向彎曲角應限制在1/1 000以內。高速鐵路對于地基工后沉降的要求要比高速公路更為嚴苛。

2.2 高速公路、鐵路地基處理沉降研究現狀

有效控制工后沉降和差異沉降需要以合理精確的沉降預測方法作為理論基礎。對于排水固結法，預測工后沉降時通常采用分層總和法，該方法的預測精度對于高速鐵路有砟軌道可以接受。對于散體樁復合地基和水泥土攪拌樁復合地基，復合模量法常被用來預測工后沉降，但此方法不夠可靠。對于組合增強體復合地基（例如樁網復合地基以及樁筏復合地基），常采用承載力比率法和樁基礎沉降法預測工后沉降，但預測精度并不理想。

（1）排水固結法沉降預測方法

Indraratna等[8]提出了在軸對稱和平面應變條件下考慮真空預壓的垂直排水管固結沉降計算模型。Mohamedelhassan和Shang[9]建立了一維固結模型，計算了超孔隙水壓力和固結沉降。Ho和Behzad[10]介紹了一種非飽和土層沉降的二維解析解。隨著對地基固結沉降認識的深入，更多研究將地基的解析模型由單一均質土層發展為多層非均質土層。在這些分析方法的基礎上，發展了大量計算地基在高度復雜情況下固結沉降的數值算法。由于軟土固結過程中涉及流固耦合、地層分布、地質環境、滲流等多方面因素，數值模擬結果的準確性很大程度上取決于計算算法和參數的選擇。

（2）散體樁和水泥攪拌樁復合地基沉降預測方法

Castro和Sagaseta[11]提出了一種新的樁-土單元分析方法來分析加筋散體樁地基的沉降，對控制參數進行了參數分析。Yapage和Liyanapathirana[12]采用有限元方法對加筋水泥土攪拌樁支撐路堤的總沉降和不均勻沉降進行了參數分析。結果表明：樁間距、樁徑和軟土彈性模量是最重要的參數。Filz等[13]提出了一種荷載-位移協調的方法來估計豎向荷載的傳遞和路堤的沉降，提出了臨界路堤高度。Phutthananon等[14]利用小尺度模型試驗結合有限元方法研究了T形水泥土攪拌樁支撐路堤的荷載傳遞和沉降特性。由于散體樁和水泥攪拌樁復合地基總沉降等于樁身的壓縮變形，工程實踐中廣泛采用以下簡化方法來確定復合地基的復合壓縮模量Ecs：

式中：m為樁的置換率；Ep為樁的壓縮模量；Es為土壓縮模量。基于此復合模量可采用分層總和法計算沉降。

（3）組合增強體復合地基沉降預測方法

常見組合增強體復合地基（樁網復合地基和樁筏復合地基）剛度很大，其變形機理與散體樁和水泥攪拌樁復合地基完全不同。在后者的樁土體系中，樁身會明顯受到壓縮，不會明顯穿透覆蓋層和支撐層。但樁網復合地基和樁筏復合地基的壓縮變形小到可以忽略不計，地基整體沉降主要是由樁插入土體導致的，因此不能采用復合模量法來預測沉降。

基于樁-土相互作用原理，將Boussinesq法和Mindlin法的應力解整合為一種預測樁-網支撐路堤沉降的算法，稱為Mindlin-Boussinesq組合算法。Mindlin-Boussinesq聯合算法是復合地基中附加應力隨深度變化的函數，可用于揭示附加應力的分布和地基沉降規律，且該方法計算的沉降量與工程實踐實測結果一致。在實際工程中，高速鐵路樁網和樁筏復合地基支承路堤中樁基承臺和樁網下方常存在較大的孔洞。在這種情況下，樁基礎沉降計算方法（如深大地基法和L/3法）可用于樁網和樁筏復合地基支承路堤的沉降預測。

2.3 高速公路、鐵路地基處理穩定研究現狀

（1）傳統路堤穩定性分析方法

極限平衡法被廣泛應用于傳統的復合地基支承路堤穩定性分析中，例如瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法等。這種極限平衡法基于處理后的地基同時發生剪切破壞的假定，這對于換填墊層法或者散體樁復合地基是合理的，因為此時地基的組成部分均不具有抗彎剛度進而不產生彎矩[16-17]。我國的公路規范主要采用瑞典條分法進行穩定性計算，根據不同的強度準則，該分析方法可分為總應力法、有效固結應力法和總強度法等。

（2）半剛性樁、剛性樁復合地基穩定性分析方法

復合地基支承路堤下的半剛性、剛性樁可能發生剪切、彎曲、傾覆等多種類型破壞[17-20]。當復合地基呈現彎曲或者傾覆破壞時，傳統極限平衡法將不適用。Han[21]通過數值方法研究了水泥土攪拌樁的穩定性，分析了剪切破壞與彎曲破壞相互轉換的樁體強度臨界值，結果表明：當復合地基強度超過這一臨界值時，采用傳統的極限平衡法會對穩定性產生明顯高估。鄭剛等[22]提出了可以反映樁體破壞后性狀的本構模型，發現并分析了剛性樁的連續破壞現象，結果表明：剛性樁復合地基支承路堤的樁體并非同時破壞，而是坡肩處的樁體首先發生彎曲破壞，周圍的樁體拉應力及彎矩進而變小，引發相鄰樁體的連續破壞。隨著路堤荷載的增大，坡肩處的樁體在較淺位置發生二次破壞，引發更大范圍的連續破壞，最終導致整體失穩。基于這一連續破壞控制穩定性的理念，鄭剛等[23]提出了剛性樁復合地基關鍵樁的概念和非一致設計方法。分別針對樁體發生彎曲破壞及傾覆破壞的工況，提出了分區非等強設計方法（見圖2）和分區非等長設計方法[24]，通過提高少數關鍵樁樁體特性的方法，可有效、經濟地提高路堤穩定性。

圖2 分區非等強設計方法[23]Fig.2 Non-uniform strength design method

3 國內外典型高速公路、鐵路工程

3.1 高速公路工程

（1）日本東京灣高速公路

橫貫東京灣的高速公路包括浮島通道、人工用地、道路、盾構隧道和橋梁工程。擠密砂樁法（SCP）和深層水泥攪拌法（DMM）用于該工程地基處理[25]。

采用直徑1.3 m的砂樁，置換率高達30.1%，從而防止置換砂層液化。地層上，一定厚度的弱沖積黏土分布于場地上部。為此，在場地上采用擠密砂樁法，以減少沉降。如圖3所示。

林昏曉冷笑了一聲，他對我從來都是態度惡劣，因為我一直用十倍于他的惡劣態度對待他。可是不知道為什么，今天林昏曉這種慣有的冷笑聲卻讓我的心格外的緊窒，難受異常。

圖3 日本東京灣高速公路擠密砂樁法示意圖[25]Fig.3 Schematic diagram of compacted sand pile method of Tokyo Bay expressway in Japan

（2）福建省平潭縣萬北路

工程地處福建省福州市東南部的平潭綜合試驗區，場地地勢較為平緩，其中分布有大量海相軟土。海相軟土力學具有高孔隙比、高含水率、低滲透性、低抗剪強度等特性，須進行地基處理以提高地基穩定性。施工場地地層大致分布為：上部是淤泥層；中部為細砂層，含有不均勻泥質；下部主要為粉質黏土層。

針對該工程地質土層特征和工程技術條件，提出并采用水泥攪拌樁-CFG樁組合處理技術，設計并比較了3種不同的樁型布置方案。經過方案比選后，最終選用的方案比最初設計的只采用CFG樁的方案，節省了9%的造價。本項目中水泥攪拌樁-CFG樁多元復合地基的應用發揮出了顯著的優勢，是一種具有經濟效益的先進技術。

（3）京津高速公路

京津高速公路天津段大部分位于軟土區，其中相當一部分需要進行特殊的地基處理。對于橋頭高填土路基，該項目考慮利用剛、柔性地基樁的各自優勢進行處理，從而達到減少路基工后沉降，降低工程造價的目的。

本工程試驗段屬于高填土路基，這種路基在軟土地區工程風險很大。路基兩側的反壓護道寬度取6 m，這樣的寬度可以保證路基邊坡穩定。路基采用混凝土薄壁管樁+水泥攪拌樁的加固方式，如圖4所示。其中現澆混凝土薄壁管樁使用了三級過渡的處理方式，在現澆混凝土薄壁管樁的間隙中再打入一根水泥攪拌樁，并且在反壓護道區域內采用第三級樁長的現澆混凝土薄壁管樁，顯著節約了工程投資[26]。

圖4 路基處理示意圖[26]Fig.4 Diagram of subgrade treatment

3.2 高速鐵路工程

（1）法國Bordeaux-Tours高速鐵路

Bordeaux-Tours高鐵是屬于連接法國和西班牙的LGV South Europe Atlantic SEA鐵路項目。其中位于多爾多涅河沖積平原的多爾多涅段，上層地基土為第四紀底土，地層的厚度隨場地而變化。土層由厚約3～7 m的軟黏土組成，屬于高壓縮性土，同時存在有機質互層，因此在設計階段必須考慮蠕變現象。下面的地層由致密的礫石砂和非常堅硬的泥灰巖組成。

Bordeaux-Tours高鐵設計商業速度將超過320 km/h。該段現場地基處理方案是設置700個垂直排水板和4 000個CMC樁（Controlled modules columns，模量可控樁）。其次，為增加路堤的水平剛度，在路堤內設置鋼絲網板。該高鐵路段的剖面圖及CMC樁的處理范圍如圖5所示。

圖5 Bordeaux-Tours高鐵某段縱向剖面圖[27]Fig.5 Longitudinal section of Bordeaux-Tours high-speed railway

CMC樁屬于半剛性樁，其樁的材料由漿液、混凝土或膠凝材料、廢料（如粉煤灰和礦渣）組成，與周圍土體共同形成復合灌漿材料。其復合地基方法主要用于軟黏性土、疏松砂、白堊、有機土壤和泥炭的場地。通過CMC樁加固，樁頂部將承受更多的路堤荷載，樁間土的豎向土壓力和變形減少，從而達到控制沉降和提高穩定性的目的。CMC的直徑一般為300～500 mm，布置間距為1.3～2 m。樁通常是10～20 m長，大直徑樁可設置到30 m深[27]。

（2）西班牙高速鐵路

為了增加瓦倫西亞、馬德里和塞維利亞之間的高速鐵路線，Madrid-Seville和Madrid-Levante高速鐵路線（HSL）之間設計了一條連接支線。通往瓦倫西亞的線路長5 593 m，通往塞維利亞的線路長5 702 m。

項目區位于托雷洪·德貝拉斯科和耶爾·埃斯基維亞斯鎮之間的Guaten河的沖積平原。通過機械鉆孔，進行了實地調查研究以便能夠正確地確定沖積沉積物的厚度。由于地質歷史時期舊河床Manzanares（河水流經馬德里）形成，沖積厚度較厚，約為6～12 m，為軟黏土。從深度大約15 m以下，在大約24～25 m的深度緩慢增加到10～50 MPa。設計方案采用雙排半剛性樁CMC樁進行地基土加固，采用樁徑為360 mm，樁間距的布置形式采用1.5 m×2 m，樁長17 m[28]。

（3）寶蘭客運專線

位于濕陷性黃土地區的寶蘭客運專線，為西部地區橫貫陜西省和甘肅省的快速客運系統主骨架之一。線路設計速度為250 km/h，長度1 661.08 m，路堤中心最大填土高度為9 m。地層上部為厚18～23 m的黏質黃土，具有結構疏松、孔隙比大、壓縮性高等特征，Ⅳ級嚴重自重濕陷性，地層下部為礫砂及細圓礫土層。

為確保地基加固方案安全可靠、切實可行、經濟有效，工程采用了剛柔性組合樁的設計方案。這種技術利用柔性短樁來解決淺層黃土的濕陷變形問題，利用剛性或半剛性長樁來提高承載力，充分發揮剛柔性組合樁的優勢，達到良好的效果。柔性樁采用樁徑為0.4 m的水泥土擠密樁，樁間距為1.0 m，處理范圍為坡腳外3 m；剛性樁采用樁徑0.4 m的CFG樁，樁間距2.0 m，處理范圍至兩側坡腳處。組合樁平面采用正方形布置，CFG樁間隔布置，樁孔中心間距是擠密樁的2倍[29]。

本段路基工程2014年4月完成了復合地基施工，本體填筑于7月完成，路基堆載預壓施工于9月完成，至2015年12月評估之日，中心組合沉降板累計沉降15.42～69.37 mm（路基本體填筑及堆載預壓期間，基底沉降板累計沉降達到90%以上，與設計值基本吻合），預測工后沉降為7.42 mm，滿足無砟軌道鋪設要求。

4 結論與展望

總結了常見的高速公路、鐵路地基處理方式，歸納了軟土地基上高速公路、鐵路地基處理穩定和沉降的研究進展，得出了以下的結論與展望：

（1）基于高速公路、鐵路場地地基的特點，單一地基處理方法和組合地基處理方法得到了創新性發展。換填墊層法出現了沖擊壓實技術，排水固結法出現了增強式真空預壓技術，強夯法出現高能強夯法，復合地基出現了布袋注漿樁以及各種異型樁技術。對于復雜場地，出現了結合不同地基處理技術優勢的組合處理技術，比如長短組合樁復合地基、多元復合地基、剛柔性組合樁復合地基等，實現了技術效果和經濟效益的平衡。

（2）已有排水固結法的沉降計算方法精度足夠工程使用。迫切需要發展一種精度高、效率高的樁網結構基礎沉降預測方法。現有的方法中廣泛采用了經驗因子法，并在軟土地區進行了大量的現場試驗，得到了這些地區與施工條件相關的經驗因素。但是，對于軟土地基地區高速鐵路地基沉降預測的經驗因素仍需積累和探索。

（3）高速公路、鐵路地基處理穩定性的分析方法應與潛在破壞模式相匹配。換填置換法和散體樁復合地基以剪切破壞為主，半剛性樁和剛性樁復合地基則可能發生多種破壞形式。其中剛性樁復合地基不同位置加固體對路堤整體穩定性具有不同的貢獻程度，針對這種加固體的非一致性提出復合地基關鍵樁的概念以及相應的設計方法，可提升巖土工程的品質，具有較好的經濟效益。

（4）高速公路、鐵路地基處理的技術仍有以下問題值得深入研究。現有的樁網復合地基沉降控制仍不理想，應在經濟與技術相平衡的條件下進一步發展該技術；應提高復雜工程環境下的精細化沉降控制技術，比如臨近已運營線路、上跨或下穿已運營線路的精細化沉降控制技術；路基沉降是個長期問題，路基缺陷的快速修復方法和沉降修復技術是研究熱點。