挤密桩复合地基在湿陷性黄土地基处理中的应用

刘好正

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

郑西客运专线是我国中长期铁路规划中10条客运专线中徐兰客运专线(徐州—郑州—西安—宝鸡—兰州)最先开工的一段。郑西铁路客运专线穿越豫西山地和渭河冲积平原,南倚秦岭、北临黄河,沿线90%区段为黄土覆盖,其中湿陷性黄土区段约占线路总长的65%,湿陷性黄土地基处理技术是全线最大的技术难题之一。

湿陷性黄土为非饱和的欠压密土,具有较大的孔隙率和偏低的干密度,在土的自重压力和附加应力作用下受水浸泡时,将发生急剧而大量的附加下沉[1]。

1 挤密桩复合地基加固机理

挤密桩复合地基在湿陷性黄土地基处理中,能有效地消除大厚度黄土的湿陷性。挤密桩处理湿陷性黄土地基是利用成孔和分层夯填灰土或水泥土时的侧向挤密作用,使桩间土得到挤密而提高工程性能,并形成具有一定承载力的桩体,和桩间土共同作用成为复合地基；通过桩顶褥垫层内土工格栅使上部附加应力分布更为合理,地基的沉降变形更为协调。挤密桩加固地基的机理如下。

1.1 挤密作用

挤密桩是成孔过程中横向加密土层,施工成孔套管打入黄土层时,桩管周围地基土受水平挤压作用,从而管周围一定范围内的土在水平各个方向产生位移,减小孔隙率,增加密实度,部分或全部消除湿陷性[2]。

1.2 置换作用

在挤密桩成桩后,由于桩的变形模量远大于桩间土的变形模量,在挤密桩与地基土的共同作用下,刚度较大的桩体受到较大的附加应力,消除了持力层内大量的压缩变形和湿陷变形的不利因素。

1.3 化学作用

挤密桩分为灰土挤密桩和水泥土挤密桩两种。灰土挤密桩桩体材料为石灰与土按一定体积比(“二八”或“三七”灰土)均匀拌和的材料,生石灰吸水生成氢氧化钙的过程中,吸收周围土体的水分而膨胀,对周围土体产生进一步的挤密作用；并且由于放热作用使土体中部分水分蒸发,加速土体的固结过程；同时生成的因饱和沉淀形成胶体,经过再结晶后构成合成体与土体间紧密胶结而产生较高强度,因而提高了复合地基承载力。水泥土挤密桩桩体材料为水泥12%～15%掺入土中拌和均匀,通过夯入水泥土,水泥的水解、水化反应生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中,使水泥颗粒表面重新暴露出来再与水发生反应,周围水溶液逐渐达到饱和,水分子继续深入颗粒内部但生成物已不能溶解,只能以细分散的胶体析出,悬浮于溶液中形成胶体,从而提高地基承载力。

1.4 “桩-网-土”共同作用

挤密桩复合地基通过“桩-网-土”三者的共同作用,褥垫层中的网具有荷载分担作用,桩起竖向增强作用,桩间土承受的荷载应力相对减小,使桩土应力分布更为协调,有利于工后沉降的控制。

2 挤密桩复合地基设计和计算

2.1 荷载计算

路基荷载：自路基面以上,单线轨道及列车荷载换算土柱高度参照表1执行,采用“ZK”活载。

表1 轨道、列车单线换算荷载

2.2 桩径选择

挤密桩桩径过小,则要达到地基处理效果桩数会增加很多,并增加成孔和回填工作量；桩径过大,则对桩间土体挤密效果不够,难以完全消除地基土的湿陷性。综合考虑以上因素,《郑西客运专线路基设计原则》对挤密桩桩径作出如下一般规定：挤密桩处理深度不超过12 m时,挤密孔直径0.35～0.45 m,不设预钻孔；挤密桩处理深度12～15 m时,挤密桩直径(D)0.5～0.6 m,需设预钻孔,预钻孔(d)直径0.25～0.3 m；当加固深度大于15 m时,应采用柱锤冲扩(孔内强夯)挤密桩工法加固湿陷性黄土地基。

2.3 桩距计算和桩位布置

挤密桩的挤密效果与桩距有关,桩距设计一般通过试验和计算确定,目的是为了使桩间土挤密后达到一定的平均密实度,而且使单桩承载力满足设计要求。桩间距(S)在设计阶段按下式计算选择

S=0.95[(ηcρdmaxD2-ρd0d2)/(ηcρdmaxD-ρd0d)]1/2

式中，ηc为挤密系数；ρdmax为击实试验最大干密度；ρd0为挤密桩施工前压缩层平均干密度；D为挤密桩直径；d为预钻孔直径。

为了使桩间土挤密均匀,挤密桩平面布置一般采用正三角形布置。

2.4 复合地基承载力确定

挤密桩复合地基承载力施工过程中通过多桩复合地基载荷试验确定,设计时需要按下式进行估算并指导施工检测参照

fspk=mRa/Ap+ξβ(1-m)fsk

Ra=Up∑qsi×li+αqpAp；Ra=ηfcuAp

Ra取两式计算较小值。

式中，fspk为复合地基承载力特征值；fsk为处理后桩间土承载力特征值；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值；fcu为水泥土无侧限抗压强度；η为桩身强度折减系数；ζ为桩间土承载力提高系数；β为桩间土承载力折减系数；Up为桩周长；Ap为桩截面积；li为桩长范围内第i层土厚度；qs、qp为桩侧阻力、端阻力；α为桩端土承载力折减系数。

2.5 沉降计算

郑西客运专线采用“ZK”活载,有砟轨道沉降控制标准50 mm,无砟轨道工后沉降不超过扣件允许的沉降调高量15 mm,因此无砟轨道部分路基设计的重点就是控制路基的工后沉降量。工后沉降量，即总沉降量S总中扣除施工期沉降后剩余部分

S工后=S总-S施工

总沉降量S总为考虑列车活载和路堤荷载等因素下,地基累计沉降量的总和。它包括加固区沉降量S复合及加固区下卧层沉降量S下

S总=S复合+S下

式中,加固区S复合采用复合模量法计算,加固区计算时不考虑土体自重,桩底附加应力计算考虑桩底提升1/3桩长、应力按30°向下扩散后的附加应力；下卧层S下采用分层总和法计算

S下=∑(S1+S2+…+Sn)

计算深度至附加应力为自重应力的0.1倍处。

地基变形计算时,假定地基内的应力分布可采用各向同性均质线性变形体理论,地基应力按布辛内斯克解计算,其最终变形量按下式进行修正计算

S=ψsS′

式中，S为地基最终变形量；S′为按分层总和法计算的变形量；ψs为沉降计算经验系数,无地区经验时参照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)表5.6.2取值。

加固区复合地基模量Espi计算时,将复合地基加固区看做一个整体,采用置换率加权模量作为复合模量,计算公式如下

Espi=mEp+(1-m)Esi

式中，m为置换率,正三角形布置m=(d/1.05S)2；Ep为挤密桩的压缩模量；Esi为第i层桩间土的压缩模量。

3 代表性工点设计[3]

3.1 工点概况

郑西客运专线荥阳车站湿陷性黄土路基,该段线路穿过山前平原区,地形平坦开阔,辟为旱地,发育少量黄土冲沟,沟深多在6～8 m,沟壁陡直。根据2004年定测地质钻孔揭示地层为：Q3al+pl砂质黄土,上部10 m稍湿、稍密,10 m以下稍湿、稍密～中密,该层层厚约25 m左右；经过多个钻孔取样进行湿陷性试验,湿陷性黄土层厚度10.0～12.0 m,自重湿陷系数δsz=0.015～0.097,湿陷系数δs=0.015～0.097,自重湿陷量计算1.5～27.5 cm,湿陷量19.4～71.7 cm,为自重湿陷性场地,具中等湿陷性。物理力学指标如下：

(1)层 天然含水量w=15.7%,天然容重γ=1.70 g/cm3,干容重γd=1.45 g/cm3,天然孔隙比e=0.897,贯入阻力Ps=1.49 MPa,100～200 kPa压力段的压缩模量Es1-2=4.18 MPa；

(1)-1层w=16.9%,γ=1.85 g/cm3,γd=1.53 g/cm3,e=0.752,Ps=3.55 MPa,Es1-2=8.0 MPa,200～300 kPa压力段的压缩模量Es2-3=10.98 MPa。

3.2 地基处理设计计算

3.2.1 加固措施选择

由于工点湿陷性黄土厚度达12 m,所以地基处理采用桩长13 m的挤密桩设计加固,挤密桩直径采用0.5 m,预钻孔直径0.25 m,按正三角形布桩。

3.2.2 挤密桩桩间距选择

根据2.3公式进行挤密桩桩间距计算。经计算，挤密桩桩间距应小于1.19 m,设计中桩间距选用1.1 m。

3.2.3 沉降计算

根据2.5所列公式进行复合地基模量计算和工后沉降计算，如表2、表3所列。

表2 复合地基模量计算

表3 地基工后沉降计算

由工后沉降计算可知,若采用灰土挤密桩加固地基,即使把桩间距调整到1.0 m,路基工后沉降仍然有18.56 mm。如果正线采用灰土挤密桩加固,不但桩间距小,且工后沉降不能满足无砟轨道15 mm的要求；采用水泥土挤密桩加固地基,既可有效消除黄土湿陷性,也可以满足无砟轨道对于工后沉降的要求。

3.3 地基处理措施选择

从投资控制上综合考虑,郑西客专荥阳车站正线铺设无砟轨道部分地基处理采用水泥土挤密桩复合地基，站线采用灰土挤密桩复合地基对湿陷性黄土地基进行处理。具体工点设计措施如下。

正线采用水泥土挤密桩加固,桩长13 m,桩间距1.1 m,按正三角形进行布桩；桥路过渡段正线、站线均采用水泥土挤密桩加固,桩长由13 m向15 m过渡,桩间距由1.1 m向0.9 m过渡,横向加固范围至路堤两侧排水沟外侧边缘以外。

站线(桥路过渡段范围除外)采用灰土挤密桩加固,桩长13 m,桩间距1.1 m,按正三角形进行布桩,横向加固范围至路堤两侧排水沟外侧边缘以外。

水泥土挤密桩的强度要求室内无侧限抗压强度不小于3 MPa,现场载荷试验单桩承载力不小于194.39 kN,复合地基承载力不小于317.17 kPa(其中桥路过渡段复合地基承载力不小于393.80 kPa)。灰土挤密桩采用“三七”灰土,石灰选用新鲜的消石灰,颗粒直径不大于5 mm,石灰质量选用Ⅲ级,活性CaO+MgO含量(按干容重计)不低于55%；分层夯实回填后桩体内平均压实系数λc不小于0.96。

挤密桩采用预钻孔法,钻孔直径0.25 m,挤密桩直径0.5 m；桩顶1.0 m厚松土换填“三七”灰土垫层加铺两层双向土工格栅加筋；采用的格栅抗拉强度不小于60 kN/m。为防止雨季路基上部积水渗入地基引起增湿变形,桩顶垫层内铺设一层复合土工膜,设4%的横向坡将渗水引到路基范围外。

为控制工后沉降,采用堆载预压。路堤填至基床底层顶面后,先在填筑面铺一层复合土工布,然后进行预压荷载填筑,预压土高2.3 m。

工点设计代表性地基处理横断面如图1所示。

图1 代表性地基处理横断面(单位：m)

4 复合地基施工

4.1 施工准备

施工前对地下水位和地基土的含水率分段进行测定验证,如在地下水位以下的地基土一般不考虑湿陷性；如含水率和饱和度过高,则需进行变更设计。

选点进行成孔、夯填和挤密效果试验,试验结果显示：水泥掺入比12%、“三七”灰土可满足设计水泥土挤密桩和灰土挤密桩的设计要求,但存在两个问题：(1)局部地段地基土含水量较大、饱和度较高,地层软弱,原设计灰土挤密桩不满足《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)14.1.1条文要求；②因地基软弱,先施工桩对后期施工桩的挤密作用使桩孔缩径、塌孔现象普遍。为解决以上问题,由施工、设计、咨询和建设单位共同研究决定：对于原设计采用灰土挤密桩局部软弱地基地段,为避免同一断面上站线范围出现过大工后沉降影响路基上部结构,将地基处理措施改为水泥土挤密桩；采用洛阳铲预钻孔(φ250 mm)再锤击沉管(φ500 mm),成孔顺序严格按照从路基中间向两侧间隔2孔进行。改变处理措施和工艺进行施工后,检测结果满足设计要求。

4.2 施工流程控制[4]

按照前期试验段确定的工艺流程,成孔后清底夯实、夯平。进行位置、垂直度、孔径、孔深检查合格后及时分层夯填,夯填时采用电动卷扬机提升式夯实机,落锤高度不小于2 m,每层回填虚铺厚度250 mm,每层夯击不少于10锤。成桩后桩顶高于设计高程150 mm部分铲除平整。

一个施工区间成桩达到龄期进行复合地基承载力和单桩承载力试验,满足设计要求后,进行灰土垫层施工。垫层中两层土工格栅分布于垫层的顶、底，摊铺搭接、固定,并上下各分别留0.1 m厚的灰土层,避免刺破或机械碾压造成土工格栅破坏。

复合土工膜在灰土褥垫层中铺设,位于垫层中两层土工格栅之间,铺设时由路基中心向路基外设4%的流水坡度。复合土工膜需摊铺平顺、搭接牢固,避免在垫层中形成积水窝。

5 沉降观测评估

借鉴国外及国内秦沈客专、京沪高铁昆山试验段的施工经验,沉降观测评估应予以高度重视。本工点需对路基沉降进行系统的观测与分析评估,观测断面沿线路方向平均间距不大于50 m,地形地质条件变化较大地段和过渡段应适当加密。在路基完成或施加预压荷载后应有6～18个月的观测和调整期(必须经过一个雨季),分析评估沉降稳定并且工后沉降满足要求时方可铺设无砟轨道。

5.1 观测点布置原则

在较松软土路堤两侧坡脚外2 m处设圆木观测桩,在路基两侧路肩设置钢筋混凝土观测桩,在路基横断面中心设置组合沉降板。

观测断面,在线路中心线布设一组沉降板,沉降板分别埋设在基床底层顶面和地基面处,对于路堤高度较大的,在距基床底层顶面下3.5 m处埋设一个沉降板,选择有代表性的位置在地基处理下部0.2 m处埋设一个沉降板,路肩两侧布设变形观测桩。如图2所示。

图2 沉降观测断面观测标志布置示意

5.2 观测资料整理

根据观测资料,及时完成有关图表的绘制,主要包括：

每个观测标志点的荷载-时间沉降曲线(图3)；绘制每个观测标志点的ΣSn-Σ(Sn+Sn+1)曲线(图4)。

图3 沉降与时间关系曲线

图4 Σsn-Σ(sn+sn+1)曲线

5.3 评估标准

路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5 mm,过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1/1 000。

5.4 沉降观测评估结果

根据沉降观测数据进行曲线拟合,采用双曲线法、三点法、指数曲线法及星野法可以得出沉降预测数值,一般采用双曲线法。

根据施工单位报告提供数据,自2008年3月9日至2008年9月25日进行了不少于的6个月的观测,实测的最大沉降量为24.424 mm,小于设计的施工期沉降值33 mm；根据沉降曲线预测工后沉降量4.2 mm,小于设计的工后沉降量。沉降观测曲线见图5。

图5 沉降观测曲线

6 结论及建议

根据沉降评估结果,该段路基预测的工后沉降量均满足小于15 mm的设计要求。

经过郑西客运专线铺轨前的沉降观测和运营情况分析,挤密桩复合地基对于消除黄土地基湿陷性、控制工后沉降的效果十分明显。

挤密桩复合地基处理湿陷性黄土地基,成本低、环境污染小、承载力高,并且质量容易控制。

挤密桩复合地基在郑西客运专线设计、施工中积累了丰富的理论基础和成熟的施工经验,对于湿陷性黄土地区工程建设具有重要的指导意义。

目前在包括郑西客专的高速铁路、客运专线车站设计时,正线和站线采用的地基处理措施上普遍存在差异,而正线和站线在上部结构上是不可分割的整体,处理措施的较大差异将为上部结构的不协调变形埋下隐患。因此,建议对于上部结构属于不可分割的整体构筑物进行地基处理时,其处理措施尽量保持协调一致,为工程的长久正常使用打下坚实的基础。

[1] 乔平定.黄土地区工程地质[M].北京：水利电力出版社,1990.

[2] 刘好正.黄土地基湿陷变形的机理和影响因素[J].武汉科技大学学报,2006，6(8).

[3] 岳永兴，刘好正，等.郑西客专湿陷性黄土地基处理技术方案论证报告[R].郑州：2005.

[4] 王素灵.水泥土挤密桩在铁路客运专线湿陷性黄土地基加固中的应用[J].铁道建筑,2008(2).