鐵路路基結構下軟土地基處理技術研究

摘要：旨在研究鐵路路基結構下軟土地基的處理技術。通過分析軟土地基的特性及其對鐵路工程的影響，重點介紹了排水固結法、水泥深層攪拌法、高壓噴射注漿法和真空預壓法等常用的軟土地基處理技術，闡述了各種方法的原理、適用條件、施工工藝和應用實例。研究表明，合理選擇和優(yōu)化組合軟土地基處理技術，可有效提高地基承載力，控制沉降變形，保障鐵路運營安全。

關鍵詞：鐵路工程；軟土地基；地基處理技術；沉降控制

我國幅員遼闊，各地區(qū)地質條件差異較大，軟土地基廣泛分布于沿海地區(qū)及內陸湖盆等區(qū)域。軟土具有含水量高、壓縮性高、強度低等特點，這些特性為鐵路工程建設帶來諸多不利影響［1］。由于軟土地基的承載力低，容易產生過大變形，嚴重時甚至會導致路基失穩(wěn)。此外，軟土固結排水時間長，易造成工期延誤。因此，在鐵路路基設計與施工中，必須高度重視軟土地基的處理。近年來，我國高速鐵路建設快速發(fā)展，對路基的穩(wěn)定性和變形控制提出了更高要求。傳統(tǒng)的軟基處理方法已無法完全滿足日益提高的高速鐵路建設標準。為保證鐵路運營安全，控制軟土地基變形，延長路基使用壽命，亟需開展鐵路路基結構下軟土地基處理技術的研究。

1軟土地基特性及其對鐵路工程的影響

1.1軟土地基特性

軟土地基是一類以黏性土為主的高壓縮性土層，通常具有含水量高、孔隙比大、滲透性低、壓縮性高和強度低等特征［2］。軟土中的顆粒主要由黏土和亞黏土組成，其天然含水量一般大于液限含水量，飽和度接近或達到100%。由于軟土的孔隙普遍較大，通常在1.0以上，導致其密實度低，土體疏松。軟土顆粒細小，滲透系數通常在10-6～10-8 cm/s量級，滲透性能極低，因此固結排水時間較長。在上部結構荷載作用下，軟土地基會產生顯著的壓縮變形。這種變形一方面來自土中水分排出導致的體積收縮，另一方面源于土顆粒本身的重新排列。軟土的壓縮過程通常經歷初始固結、次固結和二次固結3個階段，變形過程緩慢且持續(xù)時間長。軟土地基的各項工程特性與其物理性質密切相關，如含水量、塑性指數、液性指數和孔隙比等。因此，準確查明軟土的物理力學性質參數是進行地基穩(wěn)定性評估和方案設計的基礎。

1.2軟土地基對鐵路工程的影響

軟土地基的不良工程特性對鐵路工程建設和運營安全構成嚴重威脅。軟土的高壓縮性導致鐵路路基在列車荷載作用下產生顯著的沉降變形，且這種變形往往是不均勻的，易引起路基縱向不平順以及橫向不均勻的沉降，進而導致鐵路線路的平面和縱斷面幾何參數偏離設計值，影響行車安全和乘坐舒適度。沉降變形還可能造成路基寬度和高度不足，影響路基的排水和穩(wěn)定性。軟土地基的低滲透性和長期固結特性，意味著沉降變形的發(fā)展是一個緩慢持續(xù)的過程，會使軟土路基在較長時間內處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若處置不當，殘留沉降可能導致鋪設在路基上的軌道結構受到破壞，如鋼軌錯位、軌枕懸空、道床不穩(wěn)和損壞等，大大增加線路養(yǎng)護工作量和成本。軟土的低強度特性還可能引發(fā)路基邊坡失穩(wěn)和滑動，尤其是在暴雨等惡劣天氣條件下。路堤高度越高，土體失穩(wěn)的風險越大。當軟土層厚度較大時，路基荷載可能引起深層土體的側向流動，導致路基整體穩(wěn)定性不足。而在飽和軟土中修建路塹或陡坡時，開挖卸荷可能導致土體強度進一步降低，并在一定條件下引發(fā)流塑性破壞。

2鐵路路基結構下軟土地基處理技術

2.1排水固結法

排水固結法是一種常用的軟土地基處理技術，其基本原理是通過在軟土中設置人工排水體，縮短水流徑路，加速土體中多余孔隙水的排出，促進土體固結，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。常見的排水體有砂井和塑料排水板等類型［3］。砂井由砂礫材料填充而成，直徑一般為40～50 cm，施工時采用套管護壁成孔，再回填砂礫料，并適當加固井壁。塑料排水板由聚合物材料制成，具有橫截面積小、長度長、排水效率高等特點。排水板垂直打入軟土層，頂部與砂墊層相連，底部穿過軟土直達透水層，形成立體排水系統(tǒng)。與砂井相比，塑料排水板施工速度快，造價低，不易堵塞，抗變形能力強，因此在鐵路工程中得到廣泛應用。

在實際施工中，應根據軟土層的厚度、滲透系數、排水距離等因素，合理選擇排水材料的種類和規(guī)格，并通過現(xiàn)場試驗確定最佳布置間距。同時，應嚴格控制排水體的垂直度，確保其頂部與砂墊層緊密相連。為加快排水固結速率，可在地表鋪設砂墊層，并采用堆載預壓等措施增大土體的有效應力。排水固結法可顯著提高地基承載力，減少工后沉降，但處理效果的發(fā)揮需要一定的時間，因此適用于對建設工期要求不太嚴格的工程。該方法可與其他地基處理技術聯(lián)合使用，發(fā)揮綜合效益。

2.2水泥深層攪拌法

水泥深層攪拌法是一種通過在軟土中摻入水泥漿，利用水泥漿與軟土充分混合并硬化形成水泥土而達到加固地基目的的處理技術［4］。該方法的加固機理主要包括以下3個方面：

（1） 水泥漿中的游離鈣離子與軟土中的黏土礦物發(fā)生陽離子交換反應，使土顆粒絮凝，以提高土體的初始強度；

（2） 水泥顆粒水化形成水化硅酸鈣凝膠，填充于土顆粒間隙，增強顆粒間的連接，提高土體密實度；

（3） 水泥的水化產物與土顆粒表面發(fā)生膠結作用，形成穩(wěn)固的骨架結構，顯著提高土體強度和剛度。

水泥土的性能主要取決于水泥摻量、水灰比和齡期等因素。一般情況下，水泥摻量為軟土干重的15%～25%，水灰比控制在0.6～1.2之間。在實際工程中，應通過室內配合比試驗確定最佳水泥摻量和水灰比，并采用合理的施工工藝，如雙軸深層攪拌機多點噴漿、提升速度控制在0.5～0.8 m/min、攪拌葉片轉速維持在40～60 r/min等，以保證水泥漿與軟土充分混合。施工過程中，應采取措施防止攪拌樁發(fā)生斷樁、縮頸等問題，并對成樁質量進行檢測，如采用鉆芯取樣、標準貫入試驗和瞬變面波法等無損檢測技術。例如，在溫州S1線高速鐵路軟基處理中，采用瞬變面波法對水泥土樁進行完整性檢測，識別出局部存在的混合不均問題，通過補樁處理確保了地基加固質量。水泥深層攪拌法具有加固效果好、適用性廣、施工便捷等特點，不僅能夠提高軟土地基承載力，控制沉降變形，還能改善地基的抗震液化性能。該方法已在我國鐵路工程建設中得到成功應用，但也存在著造價較高、污染土體、碳排放量大等局限性。

2.3高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法是一種利用高壓將水泥漿液噴射入土體，破壞土體結構，并與土顆?；旌闲纬筛邚姸人嗤翗兜能浲恋鼗幚砑夹g［5］。該方法通過在土體中鉆進高壓旋噴管，利用泵送設備將水泥漿液經噴頭高速噴射入土體，同時噴管不斷旋轉并勻速提升，最終在土體中形成一根直徑大、強度高的水泥土樁。在噴射過程中，噴嘴射流速度可高達80～100 m/s，噴射壓力可達30～50 MPa，土體在高壓射流作用下發(fā)生破碎、攪拌和摻混，形成均勻密實的樁體。水泥漿液一般采用普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.6～1.0之間，可根據土質條件和設計要求進行適當調整。為確保注漿效果，施工過程中應嚴格控制工藝參數，如提升速度宜為6～12 cm/min、旋轉速度為6～20 r/min、水泥用量為150～300 kg/m等。同時，可采用雙管或三管噴射方式，通過調整各股射流的壓力、流量和角度，優(yōu)化噴射效果。漿液中可摻入減水劑、速凝劑等外加劑，改善漿液流動性能和凝結性能。高壓噴射注漿法具有適用范圍廣、施工效率高、對環(huán)境擾動小等優(yōu)點，已在鐵路軟基處理領域得到廣泛應用。以京福鐵路蒙城段為例，該區(qū)域地層主要為淤泥質黏土和泥炭，高鐵設計時速250 km/h，對路基沉降控制要求嚴格。施工單位采用高壓旋噴樁加固軟基，樁徑800 mm，樁長12 m，28 d無側限抗壓強度達8.5 MPa，有效控制了軟基沉降，確保了線路運營安全。但高壓噴射注漿法也存在施工能耗大、成本較高、易發(fā)生噴漿管堵塞等問題，應引起設計和施工人員的重視。

2.4真空預壓法

真空預壓法是一種利用真空泵抽除土體中氣體，形成負壓環(huán)境，加速土體中孔隙水排出，促進軟土固結的地基處理技術。該方法通過在軟土地基表面鋪設砂墊層和透水性能良好的塑料排水板，并在其上覆以密封性能良好的薄膜，形成真空密封系統(tǒng)。真空泵通過管路與砂井相連，抽除砂井內的氣體，在整個密封系統(tǒng)內形成負壓環(huán)境，一般可達到80～90 kPa。在大氣壓力與真空負壓的共同作用下，軟土地基中的孔隙水會沿著砂井和排水板快速排出，有效加快固結進程。真空泵的選型應綜合考慮真空度、抽氣量、配套動力等因素，真空度宜不低于85 kPa，抽氣量應滿足現(xiàn)場抽氣強度的需求。鋪設真空膜時應采取措施減少接縫和破損，可采用熱熔焊接等方式進行嚴密封縫。抽真空過程中應布置沉降板、孔隙水壓力計等監(jiān)測設施，實時監(jiān)測地表沉降、孔隙水壓力等指標，并根據監(jiān)測數據優(yōu)化調整真空度和抽氣時間，確保預壓效果。

3結語

軟土地基處理技術在鐵路工程建設中具有重要的作用和廣闊的應用前景。排水固結法、水泥深層攪拌法、高壓噴射注漿法和真空預壓法等技術各具特點和優(yōu)勢，可根據實際工程條件進行合理選擇和優(yōu)化組合。未來，隨著鐵路建設規(guī)模和標準的不斷提升，軟土地基處理技術還需在環(huán)保性、經濟性和長期穩(wěn)定性等方面取得進一步突破。加強基礎理論研究，開發(fā)新型加固材料，優(yōu)化施工工藝，建立長期監(jiān)測機制，將是推動鐵路軟基處理技術發(fā)展的關鍵舉措?？梢灶A見，先進的軟土地基處理技術必將為我國鐵路事業(yè)的騰飛提供堅實的基礎保障。

參考文獻：

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［2］王許凱.基于市政工程施工的軟土地基處理技術應用［J］.城市建設理論研究（電子版），2024（10）：204-206.

［3］王成.市政道路軟土地基處理技術與應用研究［J］.工程建設與設計，2024（6）：206-208.

［4］于忠武.軟土地基處理技術在市政道路施工中的應用研究［J］.工程機械與維修，2024（3）：153-155.

［5］陳海寧.鐵路工程軟土地基處理施工技術分析［J］.建設監(jiān)理，2024（增刊1）：115-117.

作者簡介：趙宇澤，男，甘肅平涼人，助教，碩士研究生，研究方向：鐵道工程。