晋中某铁路松软土路基地基处理试验研究

杨国朋 江志安 李卫华

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.天津银石建设投资咨询有限公司，天津 300000)

随着铁路建设的高速发展，越来越多的地基处理方法应用于铁路路基的地基加固，一些工程技术人员也在不停的对各种地基处理措施的适用性进行着研究［1-2］。晋中某铁路通过大范围的松软土地带，松软土路基段落达53 km，还零星分布着软土层。如何处理这么长的松软土及软土地基，既关系到松软土路基的稳定，同时也影响整个工程项目的投资。尽管设计中针对地基土特性进行了地基加固设计，但所采用设计方案是否为最佳方案还需要检验，一旦运营中发现路基变形与原设计出入较大，势必造成相当大的影响。有必要对本段松软土路基选取有代表性的段落设立试验段，通过试验获取详实的观测资料，修改其他段落的设计，指导整个松软土段落路基的施工，同时为松软土地区的铁路路基建设积累经验。

1 试验段落的选取

在晋中盆地范围内选取有代表性的段落作为试验段，试验段满足以下条件:

(1)路堤填高相对较高，一般不低于5.0m;

(2)试验段内有软土层;

(3)试验段内路基相对连续，桥涵较少;

(4)计算的路基工后沉降值偏大地段。

结合以上条件，通过对某铁路穿过晋中盆地段落的地层情况及沉降计算分析，选择DK44+260～DK46+177段作为试验段。

本段地层情况:场地为第四系全新统冲积层(Q4al)黏土、粉质黏土、粉土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂、细砂。

本段内设计的方案分下述二种情况，试验的目的是对比两种地基处理方法的加固效果。

(1)路基本体基底及两侧坡脚外2m范围内基底采用插塑料排水板并堆载预压处理，塑料排水板间距1.2m，等边三角形布置，塑料排水板应穿透软土层并进入下卧层不小于0.5m，板顶置于一层0.5m厚的粗砂夹卵石垫层中，垫层内夹铺一层双向钢塑土工格栅。

(2)路基本体基底及两侧坡脚外1m范围内基底采用碎石桩处理，碎石桩桩径0.5m，桩间距1.3～1.5m，等边三角形布置，碎石桩应穿透软土层并进入下卧层不小于0.5m，桩顶铺设一层0.5m厚的碎石垫层，垫层内夹铺一层双向钢塑土工格栅。

2 试验内容

为了对比两种地基处理方式的加固效果，需要对处理的地基进行一系列监测，并对提取的试验数据进行对比和分析。对路基来讲，工后沉降无疑是设计者和使用者最为关心的问题，而地基的沉降在整个工后沉降中又占有相当大的比例。试验测试的内容主要由以下两个方面展开。

(1)沉降观测:沉降的测量是整个试验最主要的部分，主要由三个方面的工作组成。第一，测量沉降板的沉降，这个数值是路基地基沉降的最大值;第二，测量路基断面的差异沉降，通过测量埋设于基床底部的横剖管的变形得到;第三，测量地基土层的分层沉降，通过测量埋设于地基内部的磁环式分层沉降仪获得。

(2)孔隙水压力观测:通过埋设于地基土体之中的孔隙水压力计获得孔压值，以判断某一时刻地基内部孔隙水压力的消散程度，由此可了解地基土体的应力变化情况和固结过程。

传感器断面布置见图1。

图1 典型试验断面元件布设(单位:m)

3 试验数据分析

3.1 地基沉降分析

沉降观测的工作从2009年3月路堤填土开始，2009年6月底填土基本完成，2009年11月沉降较大，补充填筑至设计高程，至2010年6月路基沉降基本稳定结束。沉降测试采用沉降板、分层沉降仪和剖面管相结合的方法进行观测。

(1)沉降板观测数据分析

由表1可知:相比碎石桩地基加固形式，塑料排水板加固措施地基沉降较大。这主要是因为其不能像碎石桩那样在较软的地层中，形成强度较高的竖向增强体，提高压缩层加固范围内复合地基的强度，将上部荷载传递到地层深处压缩性较小的地层上。而碎石桩是典型的散体桩，它通过置换和挤密对地基进行加固，所以碎石桩要按散体桩进行分析，不能忽略碎石桩加固区范围内的土层变形;另外，碎石桩成桩过程中，对周围土体有挤密加速固结的作用，同时其可以作为竖向排水通道加速地基排水。

表1 沉降板观测数据统计

由图2，两种地基处理形式其沉降时间曲线前期变形较快，而后期的变形速率减缓，说明其沉降变形速率是一个变化的过程。

排水板地基处理形式:前期由于上部荷载作用，地基土层受力压密排水固结，地基变形较为迅速，随着地基的加密，土体的孔隙比减小，渗透系数也随着减小，固结速度减慢，沉降变形速率减缓。

碎石桩地基处理形式:前期以排水固结压缩为主，碎石桩作为竖向增强体的作用不是很明显，随着排水固结土体的变形增大，碎石桩得到挤密，开始发挥作用，所以碎石桩具有双重加固作用。

图2 两种处理方式沉降曲线

(2)剖面管测试数据的整理

剖面管沉降时间曲线如图3，统计如表2。剖面管主要是埋设在基床底层以下测量路基横向的差异沉降，找出路基在横断面方向上的沉降规律，从而在保证路基安全的前提下，进行路基的均匀沉降设计和调平刚度设计，为铁路路基地基处理设计把握新的方向，以节省地基处理造价。本次主要选择路肩、坡脚、中心所对应的剖面点进行分析，从而反映出整个路基横向变形的规律。

图3 剖面管沉降曲线

表2 剖面管观测数据统计

表2表明:相比碎石桩地基加固形式，塑料排水板在路基施工填土期间沉降最大，差异沉降基本在20 cm左右，倾斜值在2.0%左右。塑料排水板加固地基的机理是典型的排水固结原理，所以路基沉降计算需要采用固结理论进行分析，基底沉降形状成典型的锅底形。碎石桩差异沉降基本控制在15 cm以下，倾斜值在1.3%左右。由碎石桩组成的复合地基，在荷载作用下，碎石桩加固的范围沉降压缩变形、差异变形较小。这是因为碎石桩作为散体桩，桩体材料没有胶结，虽可采用复合模量法进行计算，但不能忽略碎石桩加固范围内的土层压缩变形。另外，在碎石桩成桩过程中，对周围土体有挤密固结的作用，同时可以作为竖向排水通道加速地基排水，这说明碎石桩的变形稳定计算问题还涉及到固结问题，是应力场和渗流场的多场耦合问题，在采用规范方法计算时忽略孔隙水的作用，对于路基的稳定性计算是偏于不安全的，而且碎石桩施工时对于天然土体的扰动较大。所以使用碎石桩进行地基加固时，要根据地层情况、荷载情况合理选择布桩形式，才能确保地基安全。

(3)地基分层沉降观测数据的整理

为了分析地基各深度处的沉降量的大小，或者说由于地基沉降引起的竖向变形在深度方向上的分布，根据地基分层观测数据，做出了各断面不同时间下的分层平均竖向沉降沿深度的变化曲线，主要数据见表3。由表3可知，碎石桩的压缩范围较浅，不仅有桩底以下土体的压缩变形，还有桩体加固范围内土体的压缩，这是由于碎石桩体本身的散体特性及其与土体的复杂相互作用的缘故。塑料排水板在路基施工填土期间沉降最大，沉降压缩层的深度较深，且压缩变形发生的时间较早，压缩土层也较均一。说明塑料排水板的排水作用导致地基发生了深层的固结沉降，压缩变形速率在施工前期较大。

表3 分层沉降统计

3.2 孔隙水压力观测数据分析

孔隙水压力测试是为了分析地基各深度处的超孔隙水的大小及变化过程，从而进一步分析土体的固结过程，得出各种地基加固措施的优缺点及加固机理。根据孔隙水压观测情况，做出了各断面不同时间下的孔隙水压力沿深度的变化曲线，如图4、表4。由图4和表4可知，碎石桩的加固区域孔隙水变化幅值和变化速率都较大，这是因为碎石桩作为典型的散体材料桩，它与周围土体可以较好的结合在一起保持变形协调。虽承载力可以采用复合模量的方法进行计算，但碎石桩作为竖向排水通道对于加速地基固结排水提高地基的压实度有着重要的作用。综合以上分析，碎石桩的加固机理可以从置换和排水固结两方面进行考虑，这样才能全面认识碎石桩的加固机理，才能把理论和实践统一起来。相比碎石桩地基加固形式，塑料排水板在路基施工填土期间孔隙水压力变化幅值不如碎石桩大，但是变化的时间比较长，说明塑料排水板加固地基方式属典型的排水固结方法，能够及时将上部荷载传递给土骨架，这对于地基的稳定性和沉降控制是有利的。因此，在工期要求不是很紧，工后沉降要求不是很严的情况下，从经济性角度来讲，可优先选用塑料排水板进行地基加固。

图4 孔隙水压力曲线

表4 孔隙水压力深度峰值影响深度

4 路堤工后沉降预测与分析

4.1 工后沉降预测

铁路为了控制工后沉降不超过预定值，须在路堤填筑阶段观测原地面的沉降。由观测的沉降推估完工后沉降的发展，并确定完工后15年使用期的沉降量，即工后沉降量。由这种方法确定的工后沉降，要比用分层总和法和固结理论相结合，以室内试验确定的参数为依据计算所得结果更符合实际［3-6］。本次试验采用比较成熟的指数法［7］和双曲线法［8-9］进行预测。

对剖面管和沉降板的实测数据分析如表5。

表5 沉降预测统计

由表5可以看出，按现在的荷载条件进行工后沉降预测:碎石桩加固区的总沉降0.6～0.9m，工后沉降预测值1～3.7 cm;排水板加固区预测总沉降0.8～1.1m，工后沉降预测值在1～4.4 cm之间。通过预测，试验段各种地基加固处理的措施基本满足铁路对路基工后沉降的要求［10］。

4.2 路基沉降检算与观测、预测沉降值的对比

本段路基各不同方法地基加固处理区设计沉降检算结果统计如表6。

表6 沉降检算结果统计m

对比表5可知，根据地质资料检算的沉降计算结果:碎石桩加固区总沉降0.5～0.7m，工后沉降为4～10 cm左右;排水板加固区总沉降0.6～0.9m，工后沉降在18～20 cm之间;对比表5与表6可以看出，两种地基处理形式的总沉降检算值与观测值基本接近，但是工后沉降的检算值与观测、预测值相差较大，检算值明显比根据观测资料做的预测值大。

工后沉降的检算值与预测值相差较大，检算值明显比根据观测资料做的预测值大。这是因为检算值是根据室内试验的数据采用太沙基固结理论计算得出的，室内试验数据的准确程度直接影响了检算结果的精度。同时，在地层中存在砂类土透镜体的透水层，检算过程中没有考虑;太沙基固结理论虽然是得到了许多工程实践验证的经典土力学理论，但是针对复杂地层及三维排水问题有其自身的局限性。

5 结论

塑料排水板作为深层排水体加固地基，可以使地基土体发生深层固结，达到较为理想的加固效果，但是由于需要较长的排水时间，所以当工期较紧时应用常受到限制，但在工期要求宽松的情况下，应该优先采用，对于降低工程造价起到重要作用。

碎石桩作为散体桩，虽然能够把一部分荷载传递到桩端以下一定深度的土层中，但是由于桩体碎石未胶结，桩体加固区内也有部分沉降压缩，另外它可以充当竖向排水体作用，所以其沉降变形规律介于胶结桩和排水固结法之间，在实际工程中应慎用。

工后沉降逐渐成为铁路建设最为关注的问题之一，基于一段时间观测而得到的预测值是比较科学和合理的。但要真正掌控铁路运营期间的即时工后沉降，建立无间断的实时监测体系是比较好的方法，有些工程人员已经在此方面展开工作［10］。

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