高速鐵路路基濕陷性黃土地基處理技術研究

趙玉生

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西西安 710016）

0 引言

濕陷性黃土是高速鐵路建設中常見的特殊巖土類型，以我國西北地區居多，按照嚴重程度的不同，濕陷程度分為Ⅰ級至Ⅳ級。在濕陷性黃土地基上進行高速鐵路基礎設施建設時，需要考慮濕陷性黃土穩定性不足的特性，采取行之有效的處理措施，提升地基的穩定性。因此，深入探討濕陷性黃土地基處理技術具有必要性，明確技術應用方法，掌握技術要點，妥善處理濕陷性黃土地基。

1 工程概況

中衛至蘭州鐵路建設于甘肅省、寧夏回族自治區，線路通過地區為多風沙、干燥少雨的中溫帶干旱和半干旱氣候區。其中，中蘭客專3 標全長33.31km，路基段17.61km，位于黃河河谷階地，以第四系全新統沖洪積、風洪積砂質黃土、上更新統風積、沖洪積砂質黃土居多，土層厚度8～35m，空隙多、較疏松，含大量Ⅳ級自重濕陷性黃土，需在有砟軌道鋪設前妥善處理場地內的濕陷性黃土，提升路基的平整性和穩定性。

2 濕陷性黃土地基特性

受土的自重壓力及附加壓力的作用以及水的浸泡，濕陷性黃土將于短時間內快速沉降，即表現出濕陷性。各地區黃土的形成條件不盡相同，濕陷性程度有所差異，可通過濕陷等級進行評價，具體如表1 所示。

表1 濕陷性黃土地基的濕陷等級

黃土開始濕陷時的壓力為初始濕陷壓力，若濕陷性黃土所受的實際壓力低于該值，黃土無濕陷變形，但存在壓縮變形現象，反之土體具有濕陷性。濕陷變形與壓縮變形的發生機理有所不同。壓縮變形指的是因荷載作用而出現的變形現象，經一段時間后趨于穩定。濕陷變形的變形量可達到該值的幾倍乃至幾十倍，存在明顯的變形現象，且變形的發生較為急速。若遭水浸泡，通常1～3h 后將伴隨不同程度的塌陷，隨時間的延長而表現得愈發明顯。例如，1～2d 后的變形量可達到20～30cm。對于多數濕陷性黃土地基，在施工期可結束絕大部分的壓縮變形，約3～6 個月后趨穩[1]。

濕陷性黃土的濕陷變形涉及的指標包含濕陷系數、濕陷時的初始含水量及壓力，其中重點評價指標為黃土的濕陷系數，其反映的是黃土對水的敏感性。若此項指標增加，則黃土遭到浸泡后越容易產生濕陷性，進而表現出失穩下沉等問題。若濕陷系數較低，黃土遭水浸泡時的穩定性相對較好，濕陷性減弱。

濕陷系數δs 經室內壓縮儀測試后確定，計算方法如下：

式（1）中：h0為土樣原始高度，cm；hp、h'p分別為土樣受到壓力p、受到壓力p且浸水時對應的下沉穩定后的高度，cm；e0為土樣原始孔隙比；ep、e'p分別為土樣受到壓力p時、受到壓力p且浸水時對應的下沉穩定后的孔隙比，cm。

濕陷性黃土受到局部荷載作用后，將產生豎向變形和水平位移。究其原因，黃土對水較為敏感，受到水浸泡的影響后，土體的穩定性下降，側向約束減弱，抗剪強度降低。在濕陷性狀態時，地基土的側向擠壓作用增強，受此影響，濕陷量增加。對于自重濕陷性黃土，其受到的影響因素包含自重壓力和水浸泡，在兩項因素的共同作用下，濕陷性變形區各水平面無壓力差。由于平面內的壓力相對均衡，未出現側向擠壓。但需注意的是，若此類黃土遭到外界荷載作用，將受外力的影響而在附加應力范圍內出現側向擠壓。通常，在基礎周邊的垂直截面處存在最大水平位移問題，且主要發生在基礎寬度的1.0～1.5 倍范圍內。同時，側向擠壓的水平范圍和影響深度還將由于基底面積增加或基底壓力作用增強而擴大[2]。

3 濕陷性黃土地基處理難點

其一，濕陷性黃土的土質結構疏松，力學性能弱，存在嚴重的濕陷和壓縮問題，處理難度高。其二，黃土臺頂與沖積溝壑交織，高速鐵路路基修建在臺頂與溝壑底部時，由于兩部分高差較大而導致路基填挖方高度大，難以有效控制路基的差異沉降，同時由于施工現場濕陷性黃土力學性質的特殊性，不利于工后沉降控制。其三，路基由于下層黃土遇水濕陷沉降變形而遭到破壞，路基的完整性不足，穩定性降低，因此阻隔水是處理濕陷性黃土地基的重點內容。除了妥善處理路基范圍內的基礎外，還需考慮濕陷性黃土周邊影響范圍，避免地表水侵入[3]。

4 濕陷性黃土地基處理技術的應用

該工程濕陷性黃土地基處理方案為：設樁徑0.4m、樁長8m 的水泥土擠密樁，平面統一呈正三角形布置，樁間距為1.0m；樁頂設6%水泥改良土墊層，厚度0.5m；墊層中增設TGDG120 土工格柵；用三七灰土封閉兩側路堤坡腳外2m 的范圍，厚度0.5m。

4.1 水泥土擠密樁施工工藝流程及作業內容

水泥土擠密樁施工工藝流程，如圖1 所示。

圖1 水泥土擠密樁施工工藝流程圖

4.1.1 清理地表，平整施工場地，清理地面的草皮、樹根、塊石各類不利于施工的雜物；修筑排水坡，配套排水設施，避免場地積水。

4.1.2 配置施工機具，配置2 臺沉樁機和2 臺夾桿錘填料夯實。進場時，檢驗各類機具的性能。沉樁間距較近，可能由于沉樁擾動作用而塌孔，因此采用跳樁的施工方法。

4.1.3 控制含水率，以最佳含水率為參照基準，靈活控制地基處理施工范圍內地基土的含水率，減小兩者的差異。土的實際含水率＜12%時，在地基處理前4～6d 增濕土層，合理布置滲水孔，灑適量的水，使水經由滲水孔滲入土層，將土層的實際含水率提高至合理范圍。

4.1.4 樁機就位

調平擴樁機架，沉管尖對準樁位，用線錘吊線檢查樁管的垂直度，經過調整后使垂直度偏差不超過1.5%。

4.1.5 成孔

準備與樁孔同直徑的鋼管，用沉樁機將鋼管打入土中拔管成孔。樁管下端設置為60°的錐形活動樁尖，樁管頂設樁帽，在樁架上設置標記作為鋼管打設深度的控制基準。拔管前停頓約10s，再平緩拔管。成孔后，清理孔底沉渣，夯實孔底5 次或更多，再檢測孔位、孔徑、孔深及孔垂直度，若無誤則安排下一道工序，或用蓋板臨時遮蓋孔口，以免混入雜物。

4.1.6 填料的拌制和運輸

根據配合比精準稱量原材料，用強制性攪拌機拌制水泥土，要求材料用量合理、混合料均勻。水泥土隨拌隨用，拌制后超過6h 未投入使用，遭雨淋或受到其他污染時，均視為廢料處理。在降雨天氣，雨水混入水泥土，影響含水率，因此禁止在降雨天氣拌制水泥土。

4.1.7 回填夯實

分層回填孔內的水泥土，用量斗定量向樁孔內下料，用加桿錘將回填土夯擊平整、密實。逐層施工后，最終回填土應在樁頂設計標高以上0.5m 或更高的位置。根據工藝試驗結果，確定回填夯實的回填量、錘重、落距、夯擊次數等參數，每次夯填前測量孔徑和孔深，以便根據夯填前后的檢測數據判斷回填夯實的效果。

4.1.8 移位

施工機具移位，按照前述的流程完成下一樁孔的回填作業，以此類推。

4.1.9 樁頂處理

樁施工后，挖除樁間土松動層，清理上部0.5m 的樁頭，鋪設厚度為0.5m 的6%水泥改良土墊層，墊層內增設一層土工格柵。

4.2 水泥土擠密樁施工要點

4.2.1 準備土和石灰。每日施工前測量原材料的含水量并調控，盡可能使拌和水泥土的實際含水量與最佳含水量保持一致。

4.2.2 樁機就位。調整樁機姿態，使機身平整、穩定，樁管或沖錘對準樁孔；用壁厚超過10mm 的無縫鋼管制作導向器，高度約為沖錘長度的2 倍，內徑略大于錘頭直徑，將其安裝至鉆機上；在沖擊鉆鋼絲繩和樁管處設置尺度標志，間距統一控制在0.5m。

4.2.3 水泥土擠密樁施工時，需注意如下作業細節。

（1）全面清理場地雜物，整平場地。再根據設計樁位圖測放孔位，安排復核，控制偏差。

（2）沉管機就位。調平擴樁機架，沉管尖對準樁位，用線錘吊線檢測樁管的垂直度。

（3）成孔深度范圍內的土質較硬且均勻時，一次成孔到位即可；局部加載軟弱層時，可能由于地層的特殊性而導致柴油錘點火裝置熄火，需由人工輔助點火，再完成剩余深度的鉆進。

（4）地基含水量較高時，可能在樁管拔出后發生縮孔，影響孔徑和孔深，因此需修整孔洞。孔深不足時，采取超深成孔的處理方法。

（5）經過擊實試驗后，確定水泥土填料的最大干密度和最佳含水量，按照此要求選用水泥土填料。所有土和消解的石灰粉需過篩，通過質量檢驗后按照水泥土體積比為2∶8 的要求拌制，其間適量加水拌和。拌和后的水泥土應盡快投入使用，且填前再次拌和。

（6）經檢測確認孔位、孔徑、孔深各項指標均達標后，盡快夯填水泥土，尤其需要盡快夯填可能發生縮頸、坍孔的樁孔。樁孔填土的夯實設備采用夯實機，安排設備準確就位，調整夯錘使其對準樁孔，提升夯錘至指定高度后自由下落。夯填前，全面清理堆積在孔內的雜物和積水，先向孔底填入干硬性混凝土，待夯實至發出清脆響聲時停止，再分為多層依次填筑水泥土并夯實。

4.3 施工注意事項

4.3.1 樁體施工前，必須全面清理場地的樹根、雜草等障礙物，整平施工場地。按照設計圖紙要求在指定位置測放樁位，經復核確認樁位無誤后，打設木樁或用白灰定位。

4.3.2 水泥土擠密樁的樁位平面按正三角形布置，填料擠密孔直徑為0.4m，采用錘擊、振動沉管成孔。樁頂設計標高以上預留厚度為0.5～0.7m 的覆蓋層，保證樁頂的施工質量。

4.3.3 樁身施工采用水泥土混合料，水泥選用質量合格、無受潮結塊以及其他問題的P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥；填料水泥的摻入量為10%（重量比）；土料中不含膨脹土或凍土，有機質含量不超過5%，使用前過10～20mm 篩，剔除超粒徑材料；混合料實測含水量與最佳含水量的偏差不可超過±2%。

4.3.4 樁孔的夯填作業采取機械夯實的方法，夯錘直徑為0.3m，分為多段有序夯填。夯填前，組織工藝性試驗，確定填料厚度、落距等參數。夯填時，嚴格按照工藝性試驗確定的參數施工。

4.3.5 地基土的含水量低于12%時，增濕處理，盡可能使實際含水量接近最佳含水量。地基加固沿路線方向進行，分段依次加固。間隔分批進行成孔擠密施工，首先施工中間部位，再向外間隔1～2 孔依次進行。確認成孔質量達標后，隨即夯填改良土，避免雨水滲入孔內而導致孔壁失穩坍塌。

4.3.6 根據試驗結果，確定墊層分層鋪填厚度、壓實遍數等參數，再嚴格依據試驗確定的工藝方案進行施工。在該工程中，墊層的分層鋪填厚度為200～300mm，盡可能使各層的厚度保持一致；壓實系數不低于0.95，經過壓實后的墊層應平整、密實。在墊層各層的施工中，均嚴格控制機械的碾壓速度，不遺漏、不過度碾壓。每結束一層施工后，均安排質量檢驗，確認無誤方可施工下一層，以此類推。

4.3.7 成孔打樁擠密后，要求樁間土的平均擠密系數不低于0.93，樁體的平均壓實系數不低于0.97，樁間黃土自重濕陷系數小于0.015。

5 結語

綜上所述，在高速鐵路建設中，常遇到濕陷性黃土地基。此類地基具有濕陷性、壓縮變形的特性，必須以科學的施工技術，消除地基的濕陷性和壓縮變形，保證地基的穩定性，為高速鐵路有砟軌道的鋪設打好基礎。經過分析后，提出復合地基+濕陷性黃土地基處理方案，并探討該方案在濕陷性黃土地基處理中的應用要點以及施工注意事項，以供參考。