高速铁路路基山前冲洪积复杂地层螺杆桩加固设计

孙宏伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)



高速铁路路基山前冲洪积复杂地层螺杆桩加固设计

孙宏伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

提出针对山前冲洪积复杂地质情况路基加固及进一步控制工后沉降变形的系统性措施，介绍了路基沉降尤其是工后沉降的计算方法，重点介绍螺杆桩单桩承载力计算方法与要求，阐述了螺杆桩施工要点及质量控制要求建议。

无砟轨道 工后沉降 螺杆桩 计算分析方法

1 概述

高速铁路无砟轨道路基工后沉降控制要求十分严格。根据《高速铁路设计规范》(TB10621—2014J1942—2014)无砟轨道路基工后沉降应符合线路平顺性、结构稳定性和扣件调整能力的要求，工后沉降不宜超过15 mm， 路基与桥梁、隧道或横向结构物交界处的工后沉降差不应大于5 mm。近年来，我国高速铁路建设发展迅猛，设计中遇到的各种复杂地质情况也愈来愈多，无砟轨道路基工程措施对地质条件尤为敏感。螺杆桩作为近年来新兴的地基加固技术，具有地层适应性强、强度高、工期短、抗震小、少取土、不排浆、少污染等优势，在铁路工程中逐步得到应用。某高铁路基工程为山前冲洪积地层，密实程度变化较大，性质极不均匀，沉降控制措施如何选择以满足高速铁路工后沉降要求，是设计、建设单位人员普遍关心的问题，也是高速铁路路基地基处理工程中需要解决的关键问题。经过方案比选，采取螺杆桩进行加固，效果显著，沉降变形可控，为无砟轨道按时铺设创造了有利条件。

2 工程应用

2.1 工程概况

某铁路客运专线为无砟轨道，设计时速350 km。其中0.75 km路基位于山区隧道出口，线路主要以低填浅挖方式通过，地形起伏较大，植被稀疏。

地层岩性(自上而下，如图1所示)：黏质新黄土，软塑—硬塑，成分以黏土为主，σ0=140 kPa，厚6.00～15.1 m；粗角砾土，中密，σ0=400 kPa，厚0.00～9.60 m；碎石土，中密，σ0=550 kPa，厚0～4.20 m；粗角砾土，密实，σ0=500 kPa，厚0.00～5.6 m；粉质黏土，软塑—硬塑，σ0=170 kPa，厚0.00～19.40 m；安山岩，全风化,σ0=300 kPa，厚0.00～1.00 m；安山岩，强风化，成分以斜长石、辉长石为主，σ0=800 kPa，厚0.00～6.42 m；安山岩，弱风化，块状构造，σ0=1 500 kPa，厚>10 m。地下水为孔隙潜水和基岩裂隙水，地下水对铁路混凝土结构不具侵蚀性。地震动峰值加速度为0.10 g，土壤最大冻结深度0.55 m。

2.2 地基加固设计方案比选

设计工点位于山前冲洪积地层，松软新黄土、粉质黏土层中夹杂厚度不均匀的角粒土，碎石土夹层。结合地基沉降检算成果，地基应采取一定措施进行加固，原则上应穿透各夹层进入稳定持力层。本段工程采用三种方案作为比选。方案一：采用CFG桩桩网结构进行地基加固，桩径0.5 m，桩间距2.0 m，平均设计桩长17.0 m，桩端进入下部角砾土层，桩顶设钢筋混凝土桩帽；方案二：采用钻孔灌注桩结合筏板结构进行地基加固，桩径0.8 m，桩间距6.0 m，平均设计桩长20.0 m，桩端进入下部基岩，桩顶设钢筋混凝土筏板，板厚0.8 m；方案三：采用螺杆桩桩网结构进行地基加固，桩径0.5 m，桩间距2.2 m，平均设计桩长17.0 m，桩端进入下部角砾土层，桩顶设钢筋混凝土桩帽。

图1 典型地质纵断面

方案一采用CFG桩加固，须穿过碎石土、角砾土夹层，目前CFG装设备对于这种地层尤其是含碎石、块石夹层钻入难度较大，极易引起桩长不足问题，为避免后期桩长不到位的风险，不推荐采用本方案；方案二采用钻孔灌注桩加固，须穿过碎石土、角砾土夹层进入下部基岩，施工设备能够穿过硬夹层，但总费用过高；方案三采用螺杆桩加固，穿过碎石土、角砾土硬夹层。螺杆桩是一种“上部为圆柱形、下部为螺丝形”中等直径、组合式部分挤土灌注桩，适用于黄土、黏土，卵砾石层、碎石层、全—中风化岩层等各种土层，且不受地下水位的限制，施工设备能够达到要求，工程造价最优。根据方案比选结果，本段路基选用螺杆桩方案进行地基加固(如表1)。

表1 设计方案综合对照

2.3 螺杆桩桩身结构设计

(1)桩身结构设计

螺杆桩桩径0.5 m，桩长应检算确定，原则上须穿透松软土至硬层，螺纹段长度宜为总桩长的1/3～1/2。螺杆桩端部厚度宜为50 mm，根部厚度宜为100 mm，螺距与桩径之比宜为0.6～1，如图2所示。

H—设计桩长；h1—直杆段长度；D—桩直径；d—芯管直径；d1—螺牙根部厚100 mm；d2—螺牙端部厚50 mm；b—螺牙宽为100 mm；h—螺牙与螺牙之间的距离(300～350 mm)。

(2)设计桩长及桩间距

穿过新黄土、粉质黏土等松软土层，同时应穿过夹杂的碎石土、角砾土夹层，进入稳定的角砾土或碎石土层，工点范围内设计桩长15～20 m。桩间距一般为3～5倍桩径，正方形布置，参考类似工程经验，桩间距确定为2.2 m。

(3)桩顶结构设计

工点范围内地层复杂，软硬不均且路基填方高度较低，为避免路基不均匀沉降变形对无砟轨道平顺性的不利影响，于螺杆桩桩顶设0.1 m厚素混凝土+0.2 m厚碎石垫层，其上设0.5 m厚钢筋混凝土筏板，以协调基底差异变形(如图3所示)。

图3 螺杆桩地基加固方案横断面示意(单位：m)

(4)控制工后沉降的其他措施

采用堆载预压措施进一步控制沉降。基床底层填筑完成后基床表层填筑前填筑预压土，预压土高度3.0 m，预压土卸载时间以沉降观测数据评估满足工后沉降要求为准。高速铁路路基施工过程中应进行系统的沉降观测，在路基上铺设轨道前，对路基变形做系统的评估，路基填筑完成或施加预压荷载后应有不少于6个月的观测和调整期，观测数据不足以评估或工后沉降不能符合要求时，应继续观测或者采取必要的加速或控制沉降的措施。

2.4 地基加固沉降与承载力检算

(1)地基沉降计算

原始及复合地基最终沉降计算可按分层总和法进行[2]

式中ψ——沉降计算修正系数，可按表2取值。

表2 沉降计算修正系数

表2中Esa为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，按下式计算

式中Ai——第i层土附加应力沿土层厚度积分值；

Esi——第i层土压缩模量值/MPa，桩长范围内按复合土层的压缩模量取值。

复合土层分层与天然地基相同，复合土层的模量等于该层天然地基模量的ζ倍，ζ值可按下式确定[3]

式中fak——天然地基承载力特征值/kPa；

fspk——复合地基承载力特征值/kPa。

本线设计中采用经验法[2]进行工后沉降估算，施工期间完成的沉降量相对于总沉降量，对于压缩层深度范围内砂类土、碎石类土可认为已完成总沉降的90%以上，其它低压缩性土可认为已完成70%～80%，中压缩性土可认为已完成50%～60%。根据地质资料(如表3)进行沉降计算，设计范围内代表性钻孔沉降计算结果见表4，加固后路基工后沉降值满足规范要求。

(2)承载力计算

根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)、山东省工程建设标准DBJ14—091—2012《螺旋挤土灌注桩技术规程》，螺杆桩单桩承载力标准值按下式计算

Quk=Qsk1+Qsk2+Qpk=U∑qsikli+

式中Qsk1——单桩直杆段总极限侧阻力标准值；

Qsk2——单桩螺纹段总极限侧阻力标准值；

Qpk——单桩总极限端阻力标准值；

qsik——单桩第i层土的极限侧阻力标准值；

qpk——单桩极限端阻力标准值；

u——桩身周长；

Ap——桩端面积；

li——桩周第i层土的厚度；

αsi——第i层土的桩侧极限侧阻力标准值的增大修正系数，αsi=1.2～1.5，取1.3。

表3 主要松软土层物理力学指标统计

表4 工点范围内代表性钻孔沉降计算汇总 mm

经计算，本段路基单桩承载力特征值P=Quk/2≥1 000 kN，复合地基承载力fspk≥300 kPa，满足设计要求。

螺杆桩为变截面桩，除计算桩身承载力之外，还应对变截面处进行桩身强度验算，变截面直径按芯管直径计算。变截面强度验算按下式计算

N=320kN≤0.25πφcfcd2=910kN

(5)

式中φc——成桩工艺系数，一般取0.8；

fc——混凝土抗压强度设计值/kPa；

d——螺纹段芯管直径/m；

N——荷载效应基本组合下变截面的轴向压力设计值/kN。

变截面强度满足要求。

2.5 施工及质量控制要点

加强螺杆桩成桩工艺管控，监控成桩过程中的同步与不同步技术流程，确保按设计要求形成螺纹并施打到位。为减少变更和截桩，螺杆桩施工前应首先进行试桩，试桩应沿路基中心纵向整列及一定间隔横向分段落试桩，试桩区分不同地段、不同地层取样检测，检测合格才能用于大面积施工。

2.6 质量验收标准探讨

目前螺杆桩地基处理技术已有了多个地方规范、标准，这些标准中均对螺杆桩的设计、施工和质量检验及验收给出了具体规定。在铁路工程尤其是高速铁路工程中尚无通用行业标准，鉴于工程需要，本工程设计中结合具体情况给出了质量验收要求，用来指导和配合现场螺杆桩地基处理施工。主要内容参考了现有行业验收标准中关于CFG桩、素混凝土桩的有关要求，具体有螺杆桩桩体材料品种、规格及质量要求，混合料坍落度、强度要求，螺杆桩的数量、桩长及布桩形式要求，螺杆桩的桩身完整性，单桩或复合地基承载力检验要求等。对于螺纹段成桩质量的检验，建议在工程桩范围以外分段打设若干试桩(检验桩)，后期通过机械开挖方式直观检验螺纹段成桩质量。

3 结论

本段螺杆桩地基加固工程实施后，经现场实测，螺杆桩单桩承载力较设计承载力仍有一定提高；现场实测路基沉降变形数据短时间趋于稳定，路基沉降变形可控，为后期按时铺设无砟轨道创造了有利条件。综上，得出以下主要结论：

(1)螺杆桩属于部分挤土桩，对卵砾石层、碎石层及全—中风化岩层等各种土层具有较强的适应性，对于密实程度变化较大、性质极不均匀的山前冲洪积地层中采用该种加固措施控制无砟轨道路基沉降是合适的。

(2)螺杆桩将常识中“螺丝钉比钉子牢固”的道理运用在桩与桩施工中，单桩承载力较传统直杆形桩提高显著。

(3)螺杆桩具有工期短、功效高、抗震小、少取土、不排浆、少污染等施工优势。

(4)螺杆桩对于大块径卵石、碎石地层适应性及施工工艺有待进一步研究探讨，设计前宜首先进行试桩验证，方案可行后方可采用。

[1] TB10106—2010铁路工程地基处理技术规程[S]

[2] GB50007—2011高速铁路设计规范[S]

[3] JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[S]

[4] DBJ14—091—2012螺旋挤土灌注桩技术规程[S]

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[8] 闭历平，方崇，张信贵.新型螺杆灌注桩的施工工艺与质量控制措施[J].西部探矿工程，2006(12)：15-16

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[10]钱德玲.变截面桩与土的相互作用机理[M].合肥：合肥工业大学出版社，2003

Design of Reinforcement by Half-screw Pile in Complex Geological Conditions of Alluvial-proluvial Strata before Themountain for Subgrade in High Speed Railway

SUN Hongwei

2016-10-19

孙宏伟(1984—)，男，2010年毕业于西南交通大学岩土工程专业，工学硕士，工程师。

1672-7479(2016)06-0053-04

U238； U213.1+5

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