软土路堤水泥土搅拌桩设计及整体稳定性分析

彭　琦

(广州铁路(集团)公司深圳工程建设指挥部，广东深圳　518001)



软土路堤水泥土搅拌桩设计及整体稳定性分析

彭琦

(广州铁路(集团)公司深圳工程建设指挥部，广东深圳518001)

摘要:结合珠三角地区河相沉积软土特性，选取水泥土搅拌桩作为软基处理方案，通过现场试桩后确定设计、施工等参数，并根据沿线现场地形地貌特征，提出了铁路设计中和运营后应注意的要点，为今后珠三角地区的软土地基处理提供参考借鉴。

关键词:水泥土搅拌桩，承载力，稳定性，反压护道，地基

0　引言

水泥土搅拌桩是利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理—化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的柱状加固体桩，并与桩间土组成复合地基，从而提高地基强度和增大变形模量。

水泥土搅拌桩可用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散沙土等地基。对泥炭土、有机质含量高的淤泥质土、塑性指数大于25的黏性土，以及夹有块石、较大粒径的碎石、卵石的地基，应通过现场试验确定其适用性。水泥土搅拌桩施工前应进行室内配比试验，选择满足设计强度要求的水泥、外掺剂及其掺量，并进行现场试验或试验性施工，确定施工工艺及参数。

铁路路基稳定性验算分别检算路堤施工期及铁路运营期的稳定系数，以运营期的稳定安全系数作为设计指标，以施工期的稳定安全系数作为验算指标。路堤施工期荷载应考虑路堤自重和运梁车等施工临时荷载，运营期荷载应包括路堤自重、列车和轨道荷载。

1　工程概况

某珠三角铁路佛山段工点处于软基地段，填土高约7 m，位于泛珠江三角洲地区，处于冲积平原地段，以河相沉积软土为主，局部位于丘间谷地，表层普遍分布河相(局部为谷地相)沉积软土，局部夹砂或软土与砂互层，厚度一般为3 m～21 m。沿线地表鱼塘、河沟(渠)广泛分布，养殖业非常发达。

自上而下地层分布为:一般地表零星分布种植土和人工填土，厚0 m～2 m，主要为渔塘塘埂填筑土或挖塘废弃土;上部地层为淤泥或淤泥质黏土，灰色～灰黑色，流塑～软塑，主要由粘粒组成，含有机质，具臭味，厚0 m～21 m;中部为软塑～硬塑黏性土层及中粗砂、砾砂层。下伏基岩以泥质砂岩夹砂岩、泥岩全风化～弱风化地层为主。上部淤泥或淤泥质黏土具有高含水量、高液限、有机质含量高、强度低、欠固结、易压缩变形等特点。

地下水为第四系孔隙潜水，埋深0 m～3 m，碳化环境作用等级为T2，化学侵蚀环境条件为H1～H2。地表水、地下水对混凝土大部分无侵蚀性，局部存在酸性侵蚀。土层主要物理力学参数指标见表1。

表1　土层主要物理力学参数指标

2　水泥土搅拌桩设计

单桩竖向承载力的计算，按侧摩阻力与端阻力、桩体强度计算并取其较小值:

其中，［P］为单桩容许承载力，kN;Pt为桩身水泥土无侧限抗压强度标准值;α为桩底地基土容许承载力折减系数，取0．5;η为桩身强度折减系数，取0．33;qi为桩周第i层土的容许摩阻力，kPa;li为桩周第i层土的厚度，m;qp为桩端地基土容许承载力，kPa;up为桩身周长，m;Ap为桩身截面面积，m2。

经计算，单桩竖向容许承载力值为78 kN。

复合地基容许承载力宜通过复合地基荷载试验确定，设计时按下式计算:

其中，σsp为复合地基容许承载力，kPa;σs为桩间土天然地基容许承载力，kPa;β为桩间土承载力折减系数，取0．4;m为置换率，一般取10%～20%;A为一根桩所承担的复合地基面积，m2。

经计算，复合地基容许承载力值为136 kPa。

经工程类比并检算确定，工程采用的水泥搅拌桩桩径为0．5 m，桩间距1 m，按正三角形布置，处理深度应穿过软土层(入中砂层)至少0．5 m，长度8．5 m～9 m，桩顶设置50 cm的粗砂垫层，中间夹50型土工格栅，采用四喷四搅工艺，搅拌桩无侧限抗压强度不小于1．2 MPa，单桩承载力Ra≥78 kN。

现场经过代表性试桩，并按规范进行检测后，确定采用PC32．5水泥，水泥掺入量为15%(50 kg/m)，水灰比0．55，采用四喷四搅工艺，钻进速度V=0．7 m/min～1．1 m/min，提升速度V=0．6 m/min～1．0 m/min，送泵压力0．4 MPa～0．6 MPa。

3　复合地基整体稳定性分析

稳定性分析采用圆弧滑动法进行检算(见图1)，稳定系数Fs按下式计算(不考虑固结):

其中，i，j均为土条编号，i表示土条底部的滑裂面在地基土层内，j表示土条底部的滑裂面在路堤填料内;Pt为各土条在滑弧切线方向的下滑力的总和，Pt=∑Wisinαi+∑Wjsinαj;Si为地基土内(AB弧)抗剪力，kN/m，Si=Wicosαitanφqi+cqili;Sj为路堤内(BC弧)抗剪力，Sj=Wjcosαjtanφqi+cqjlj。

本铁路为Ⅰ级铁路，设计时速120 km/h，轨道及列车荷载(中—活载)换算土柱查有关铁路规范得，γ=19 kN/m3时换算高度取3．2 m，分布宽度取3．7 m。

建立计算模型如图2所示。

图1　圆弧滑动法计算示意图

图2　路堤稳定性分析模型图

采取自动搜索最危险滑裂面方法进行计算，可得出最危险滑裂面示意图(见图3)。

图3　最危险滑裂面示意图

由图3可以看出，软土路堤加上超载之后，最危险滑裂面贯穿路堤本体中心与搅拌桩外侧加固区，滑动安全系数Fs=1．21，满足《铁路工程地基处理技术规程》中V≤120 km/h时，路堤稳定安全系数Fs不得小于1．20的要求。

在路堤坡脚两侧设反压护道，护道单侧顶宽度4 m，高度2 m，得出最危险滑裂面示意图(见图4)，最危险滑裂面有向下发展趋势，同时滑动安全系数Fs=1．40，较不设置反压护道条件下提高较大。

图4　最危险滑裂面示意图（加反压护道）

4　结语

1)佛山段位于泛珠江三角洲地区，处于冲积平原地段，以河相沉积软土为主，软土地质条件非常复杂，水泥搅拌桩在进行大规模施工前要选取有代表性的工点进行试验性试桩，以验证其适用性。

2)在采用水泥搅拌桩复合地基进行软土路堤施工中，应特别注重路堤外围水泥搅拌桩的施工质量，同时加强路堤填筑过程中的质量管理，确保桩底嵌入相对硬层内不小于0．5 m。

3)为保证路堤侧向约束条件，确保铁路路基的稳定，沿线应尽量控制沿线鱼塘过量抽水、晒塘、清淤等行为，条件允许的路段应设置反压护道等措施。

4)在路堤填筑过程中，加强软土路堤变形监测，严格按照有关规范或设计要求进行监测，根据监测结果控制填土速率，必要时应卸载，待稳定后方可继续填筑。

Analysis on soft embankment cement-soil mixing pile design and integral stability

Peng Qi
(Shenzhen Engineering Construction Administration，Guangzhou Railway(Group)Corporation，Shenzhen 518001，China)

Abstract:Combining with river soft clay properties in Pearl River Delta Area，the paper selects cement-soil mixing pile as soft foundation treatment scheme，determines design and construction and other parameters through in-situ pile testing，and puts forward railway design and operation points according to morphological features，which has provided some guidance for soft foundation treatment in Pearl River Delta Area．

Key words:cement mixing pile，bearing capacity，stability，back berm，foundation

作者简介:彭琦(1984-)，男，工程师

收稿日期:2015-10-23

文章编号:1009-6825(2016)01-0157-03

中图分类号:U416．12

文献标识码:A