某车站软土地基处理

易菊香 黄新文

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 工程概况

该铁路技术标准：国铁Ⅰ级,双线,设计速度目标值为120 km/h,客货共用(以货为主)。轨道类型：重型(60 kg/m),无缝线路,预留特重型轨道条件。该车站位于山西省某县,横断面布置2～6股道,填土高约6～12 m,DK486+575～DK487+654段约1 097 m分布着较厚软土,地下水埋深较浅,需进行地基加固处理。

2 工程地质特征及水文地质条件

2.1 地形地貌

地貌单元属山前平原地段,场地地形较为平坦,局部陡坎发育，大部分开辟为耕地,种植玉米等农作物,局部为林地,覆盖率约95%。

2.2 水文地质条件

地下水主要为第四系松散岩类孔隙水及少量基岩裂隙水,水位埋深约1.0 m。根据水质分析报告,地下水为HCO3-Ca型水,地表水为HCO3-SO4-Ca型水。根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设[2005]157号)：场区内的地表水及地下水对钢筋混凝土不具侵蚀性。

2.3 地震动参数

根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306—2001),本区地震动峰值加速度0.05g,地震基本烈度Ⅵ,动反应谱特征周期0.45 s。土壤最大冻结深度0.55 m。

2.4 地层岩性

(1)第四系上更新统湖积淤泥(Q3l)：灰黑色,流塑,σ0=30 kPa,Ⅱ级普通土；

(2)第四系上更新统湖积粉质黏土(Q3l)：黄褐色,硬塑,σ0=150 kPa,Ⅱ级普通土；

(3)第四系上更新统湖积淤泥质粉质黏土(Q3l)：灰黑色,软塑,σ0=90 kPa,Ⅱ级普通土；

(4)第四系上更新统冲洪积粉土(Q3al+pl)：黄褐色,饱和,中密,σ0=150 kPa,Ⅱ级普通土。

3 软土地基处理原则

软土的抗剪强度由两部分组成：软土本身所具备的天然强度；软土在上部附加荷载作用下产生的固结强度。在软土天然地基上,填土产生固结,考虑填筑临界高度及固结增长的地基强度,通过固结系数计算固结度。软土路基应进行稳定和沉降检算,复合地基法采用圆弧法检算,软土路堤的稳定安全系数按双线双荷考虑时不应小于1.15；不考虑轨道及列车荷载时最小稳定安全系数Kmin≥1.20；考虑轨道及列车荷载时Kmin≥1.15；有运架梁作业时Kmin≥1.05。软土地基底部存在斜坡时,应检算路堤沿软土底部滑动的稳定性,复合地基法应按《建筑地基处理技术规范》进行单桩承载力及复合地基承载力估算。

(1)对深度小于3.0 m的浅层软土,采取挖除换填渗水土处理。

(2)对处理深度大于3 m的软土地基,一般采用搅拌桩复合地基加固,当地基夹有较厚硬层,多向水泥搅拌桩施工困难时,可采用CFG桩复合地基加固。

4 地基处理分析

4.1 固结度分析

采用规范平均固结度法计算,多级加荷固结度修正时的荷载增量定义为:填土高×容重。

4.2 稳定性分析

采用有效固结应力法计算稳定；加载与路堤竣工的间隔时间为6月；不考虑地震力；自动搜索最危险滑裂面。条分法的土条宽度为1.0 m,搜索时的圆心步长为1.0 m,搜索时的半径步长:0.5 m。超载产生的地基附加应力采用虚拟三角菱体法；采用有效固结应力法计算稳定；考虑固结引起C值的提高。

考虑固结时路基稳定性计算

(1)

式中Si=Wdicosαitanφqi+cqili；

ΔSi——由于固结增长的地基强度,ΔSi=WtiUicosαitanφgi；

Wdi、Wti——当第i土条的滑裂面处于地基内时,分别为滑面以上该土条中的地基自重及路堤自重；

li——第i土条底滑面的长度/m；

cqi,φqi——当第i土条的滑裂面处于地基内时,分别为该土条所在土层的快剪黏聚力及快剪内摩擦角；

αi——第i土条底滑面的倾角；

Ui——地基平均固结度；

φgi——第i土条所在土层的固结快剪或三轴固结不排水剪的内摩擦角/(°)；

PT——各土条在滑弧切线方向的下滑力的总和。

4.3 沉降分析

对超过两线的断面变形计算时,只计正线双线荷载；对双线断面检算时只计一线荷载。采用经验系数法计算地基总沉降,压缩模量法计算主固结沉降,超载产生的地基附加应力采用虚拟三角菱体法。沉降计算的分层厚度为0.5 m,压缩层厚度判断应力比为20.0%。按多层土实际容重计算基底压力,复合地基桩身压缩量法计算加固区主固结沉降,计算时考虑弥补地基沉降引起的路堤增高量；工后基准期起算时间:最后一级加载(路面施工)结束时。

复合地基的总沉降量计算

S=ms(S1+S2)

(2)

式中S1——加固区沉降量/m；

S2——下卧层沉降量/m；

mS——沉降经验修正系数,与地基条件、荷载强度等因素有关,根据地区沉降观测资料及经验确定。

对于软土地基,其值可取1.0～1.2；对于非软土地基,可根据区域工程经验取值；对于黄土地基,可参照现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025)有关规定选取。

地基工后沉降量按下式计算

Sr=S-ST

(3)

式中Sr——工后沉降量/m；

S——最终沉降量(或称总沉降值)/m；

ST——上部建筑物竣工或路基竣工铺轨完成已经发生的沉降量(或称施工期沉降)/m。

5 地基加固措施

首先检算天然地基稳定及沉降是否满足要求,若不满足则考虑地基加固。若断面稳定性不满足,则采用铺两层土工格栅和多向水泥搅拌桩一起加固,桩长进入切深以下2.0 m,且进入硬层0.5 m。检算后若沉降不满足要求,则采用CFG桩加固,桩长进入硬层2.0 m，再检算采用复合地基加固后边坡稳定性及地基沉降。

以DK486+900断面为例进行检算,布置6股道,Ⅰ、Ⅱ线为正线、Ⅲ、Ⅳ线为联络线,路堤填高11.27 m,填土重度为19 kN/m3,黏聚力为20 kPa,内摩擦角为25°,本站场列车和轨道荷载换算土柱高度为3.2 m、宽度为3.7 m。

本断面布置6股道,左侧边坡稳定检算考虑四荷超载,沉降检算考虑正线Ⅰ、Ⅱ线荷载,荷载布置见表1，地层信息见表2。

表1 荷载布置及选取

表2 地层信息

5.1 天然地基检算

考虑超载时稳定计算结果，沉降随填土厚度及填土附加荷载作用时间的曲线见图2、图3；考虑沉降完成比例，根据模量当量值按地基规范GB5007—2002表5.3.5的沉降计算经验系数知：最终地基总沉降为 0.4×1.062×1.429=0.61 m;滑动圆心=(9.899,12.044) m,滑动半径=17.243 m,滑动安全系数为0.483,不满足本线稳定、沉降要求,需要加固。

图2 天然地基施加超载时刻稳定计算(单位：m)

图3 天然地基填土-时间-沉降曲线

5.2 复合基地处理

因站场股道多，断面最宽约70 m,若全断面采用多向水泥搅拌桩加固,则造价太高。通过检算,考虑坡脚不稳定范围内采用多向水泥搅拌桩及两层土工格栅增强稳定性,路堤正下方范围采用CFG桩加固控制地基沉降。

(1)多向水泥搅拌桩加固

不考虑轨道及列车荷载时最不利滑动面:滑动圆心=(4.217,16.748) m,滑动半径=21.946 m,滑动安全系数=1.329>1.2,满足要求。

铺两层土工格栅,离地高度分别为0.2 m、0.3 m,筋带力作用于切线方向,设计拉力110 kN。考虑超载时稳定检算结果见图4。滑动圆心=(5.422,17.478) m,滑动半径=22.674 m,即滑面切深7.2 m,滑动安全系数：1.152>1.5。因本断面地层埋深8.2～14.3 m为软土,其下为硬层,则多向水泥搅拌桩进入硬层0.5 m,即采用桩长14.8 m,间距1.1 m。多向水泥搅拌桩体抗剪强度为300 kPa,桩身强度大于1.2 MPa,试块(边长7.07 cm立方体)标注养护90 d立方体无侧限抗压强度大于1.5 MPa,单桩承载力不小于110 kN,复合地基承载力不小于170 kPa。

图4 复合地基施加超载时刻稳定计算(单位：m)

图5 复合地基填土-时间-沉降曲线

图6 复合地基最终沉降量盆形曲线(单位：m)

(2)CFG桩加固

通过检算,采用CFG桩加固后地基沉降随填土厚度及填土附加荷载作用时间的曲线见图5，最终沉降量见图6。考虑沉降完成比例，根据模量当量值按地基规范GB5007—2002表5.3.5的沉降计算经验系数，最终地基总沉降： 0.4×1.062×0.291=0.124 m，小于本线区间沉降要求(0.2 m)。因本断面地层埋深14.3 m以下为硬层,考虑桩长进入硬层2.0 m,则采用CFG桩长16.3 m,间距2.0 m。桩体抗剪强度为1 000 kPa,桩身强度大于10 MPa,桩体混合料试块(边长15 cm立方体)标注养护28 d立方体无侧限抗压强度大于15 MPa,单桩承载力不小于330 kN,复合地基承载力不小于175 kPa。

6 结束语

本车站路基横断面布置股道多,软土分布范围广,若单一采用多向水泥搅拌桩加固地基,则超出合理的造价,本文根据车站横断面布置及地层情况,通过稳定及沉降检算分析,考虑软土在上部附加荷载作用下产生的固结强度增长,采用铺两层土工格栅增加稳定力矩，以及在边坡不稳定范围内采用多向水泥搅拌桩共同保证路堤边坡稳定性，在路堤正下方采用CFG桩控制地基变形的复合地基处理方法对软土地基进行加固,较好的满足了路堤边坡稳定性及地基沉降的要求,比全断面单一采用多向水泥搅拌桩更经济,比全断面单一采用CFG桩更合理。

[1]铁道部第一勘测设计院.铁道工程设计技术手册：路基[M].北京:中国铁道出版社,1995

[2]铁道部.铁路工程地基处理技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2010

[3]曾国熙.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1988

[4]杨位洗.地基及基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1998

[5]龚晓南.地基处理新技术[M].西安:陕西科学技术出版社,1997