斜向高压旋喷桩加固既有铁路路基设计参数的取值

陈学喜，吴玉哲，杨昊天，张红利，李元彪

(1．兰州铁路局中卫工务段，宁夏中卫755000;2．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000)

斜向高压旋喷桩加固既有铁路路基设计参数的取值

陈学喜1，吴玉哲1，杨昊天2，张红利2，李元彪2

(1．兰州铁路局中卫工务段，宁夏中卫755000;2．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000)

以宝(鸡)中(卫)铁路K329+950—K330+450段路基下沉病害治理工程为依托，对斜向高压旋喷桩治理既有铁路路基下沉病害的设计方法进行了探索，研究了桩体的布设形式、间距、加固深度、最优倾角、置换率等参数的取值。结果表明:加固深度由软弱地层深度及列车荷载影响深度共同确定为8 m;通过内、外侧桩不同倾角多种组合的数值模拟，确定出旋喷桩的最优倾角为内、外侧桩与竖向夹角分别为50°，30°;根据复合地基不同体积置换率对原路基承载力的提高程度，确定合理的桩径为80 cm，排距为1.2～1.5 m，并提出以18%～25%的体积置换率作为斜向旋喷桩加固路基的合理置换率区间。

铁路路基;斜向旋喷桩;路基加固;体积置换率

目前利用高压旋喷桩加固地基的技术已得到广泛应用，在铁路路基加固中也不乏工程实例。如文献［1-2］以朔黄重载铁路路基病害整治工程为背景，通过实测数据及有限元仿真软件分析，提出斜向旋喷桩较优的施工角度、桩间距等施工参数;文献［3］从斜向水泥土桩加固机理出发，建立斜向水泥土桩法的设计计算模型，提出确定斜向水泥土桩纵向间距及竖向排距的计算方法;文献［4-8］对高压旋喷桩在一般地基或铁路运营线上的施工工艺及施工注意事项进行了总结;文献［9］通过对比斜向高压旋喷桩在朔黄重载铁路路基加固前后的效果，说明斜向高压旋喷桩能增强路基的整体性能，起到明显的加筋效果，是一种快速有效的既有线路基加固方法。

目前关于斜向高压旋喷桩加固地基的设计理论研究相对较少，工程设计中对于旋喷桩的排距、桩长、桩径等参数多凭经验取值。本文提出了一种以理论计算、数值模拟分析、静力触探试验、现场模拟荷载试验等手段为基础而确定旋喷桩设计参数的方法。

1 工程概况

1.1 工程背景

宝中铁路K329+950—K330+450段位于宁夏回族自治区海原县境内，路线总体走向近南北向。自2003年以来该段铁路两侧黄河灌区开始漫灌浇地，受到周期灌溉的影响，路基产生下沉变形，导致线路频繁的起道、捣固作业，日常维护工作量增大。为确保行车安全，该段路基整治前线路长期限速45 km/h，影响了正常的铁路运输秩序。由于路基下沉，路基及两侧农田出现多条贯通裂缝，裂缝最长达600 m，路基最大下沉量达2 m。2008—2010年采用灰土挡水墙和地基劈裂压浆联合加固的方法，对该段路基下沉病害进行了3次治理，但治理效果不明显，农田浇灌后路基继续下沉。

1.2 路基变形机理

根据一系列的勘察及分析，认为该段路基产生下沉病害的原因有二:其一，地基土层具有湿陷性和高压缩性是路基沉降的根本原因。病害区地基土属于粉质黏土和粉土，为Q3黄土和新近系泥岩风化物——红黏土在水成作用下的产物，沉积于西吉盆地，厚度超过50 m。因此土层在含水量降低后成为兼具黄土和粉土性质的混合土，在含水量增大后具有湿陷性和高压缩性。从原状土试验结果可知，该段路基3 m以上的地层湿陷系数在0.015～0.09，大部分为中等湿陷性，3 m以下的地层不具湿陷性，但因含水量增大而具有高压缩性。其二，漫灌浇地导致土体含水量增加是地基沉降的主要诱发因素。西吉盆地历史上就是干旱少雨地区，多年平均降雨量为300 mm，因此土体本身含水量较低，2003年以前该段路基变形已趋于稳定，其变形在控制范围内。自2003年开始引黄灌溉，灌溉水渗入土体后，3 m以下土层湿陷性基本完成，3 m以上地层有湿陷性。2012年勘察成果显示8 m内土层含水量普遍高于土的液限，成为高含水的软弱地层，地基承载力进一步降低，以往的几次病害治理工程，无法从根本上消除路基沉降变形，导致该段路基沉降问题一直存在，无法满足列车正常运营的要求，长期处于限行状态。

2 斜向旋喷桩的设计

2.1 旋喷桩加固深度的确定

加固深度的确定是工程设计中考虑的重要问题，本次通过静力触探试验及路基在列车荷载作用下附加应力的理论计算共同确定路基的加固深度。

2.1.1 路基附加应力计算

路基面承受的荷载包括轨道静载、列车活载，本次计算上部总荷载P取80 kPa，荷载宽度3.5 m。通过计算路基附加应力绘制应力分布曲线，如图1所示。工程中一般将受压缩层下限控制在附加应力等于0.2倍的土的自重应力p处，由应力分布计算结果看出线路中线应力为0.2p处的深度约为11 m。

图1 荷载作用下的应力分布曲线

2.1.2 静力触探测试

为了解地基不同深度处的承载力，沿线路共进行了10处静力触探测试，图2为其中2处测试数据，图中fs为侧阻力，qc为端阻力。通过试验资料的整理，分析认为场地土体约8 m以内地基承载力不足150 kPa，不能满足路基承载力要求。

图2 静力触探曲线

综合应力分布计算深度及静力触探试验结果，斜向旋喷桩加固深度应确定至地面以下约8 m。

2.2 旋喷桩最优倾角的确定

采用数值模拟的方法对旋喷桩不同内、外侧倾斜角度组合的对比分析，确定斜向旋喷桩最优倾角。

2.2.1 计算模型的建立

有限元计算模型如图3所示。模型水平尺寸为40 m，竖向尺寸约18 m。土体上部为软弱土层，以下为硬土层。除顶部自由外，其余边界均采用对称约束边界条件。

图3 有限元计算模型(单位:m)

2.2.2 参数选择

土体及结构物理力学参数见表1。

表1 土体及结构物理力学参数

2.2.3 计算工况及结果分析

旋喷桩角度布置方案如表2所示。

针对每种布置方案，计算在列车荷载作用下路基顶面的沉降量。不同旋喷桩角度布置方案下路基顶面沉降量曲线见图4。由图可知，方案4、方案5、方案6及方案10在列车荷载作用下路面沉降相对比较小。

而现场实际情况发现，内侧桩竖向夹角过大，旋喷桩成桩时与地表距离较小，易出现从地表喷浆的情况，且接近孔口处无法成桩，容易增加施工难度，因此，综合考虑，内侧桩竖向夹角不宜＞50°，外侧桩需兼顾旋喷桩置入土体的深度，宜选用较小的角度。所以旋喷桩设计建议采用内侧桩竖向夹角50°，外侧桩竖向夹角30°。

2.3 旋喷桩排间距的确定

2.3.1 模拟荷载试验

通过现场1∶1模拟试验，验证在两侧设置旋喷桩后地基整体承载力的提高程度，得到处理后的复合地基承载力和变形模量，初步确定经济合理的桩间距、桩径，并得到最优体积置换率的范围。选择与加固段路基地层条件相似的场地作为试验场，如图5所示。

图5 全断面模拟荷载试验

初步设计时考虑桩径为60 cm(模拟荷载试验完成后进行优化设计时将桩径调整到80 cm)，内侧桩竖向夹角50°，外侧桩竖向夹角30°。模拟荷载试验装置布置如图6所示。

图6 模拟荷载试验平面布置(单位:m)

根据试验数据绘制荷载-沉降曲线，如图7所示。由图可知，模拟载荷试验最大施加荷载为258 kPa，最大沉降量为97.31 mm。并可确定出比例界限荷载Pa=115.9 kPa，极限荷载Pu=201.43 kPa，满足《铁路工程地质原位测试规程》(极限荷载大于比例界限荷载的1.5倍)，因此取比例界限荷载Pa=115.9 kPa为地基承载力特征值，即fak=115.9 kPa。根据规范中变形模量的计算公式，可得复合地基的变形模量E0=9.8 MPa。

图7 模拟荷载试验荷载–沉降曲线

2.3.2 旋喷桩排间距的确定

K329+950—K330+450段路基沉降情况并不一致，需分区段考虑治理工程措施。本次试验期间，根据现场静力触探测试、路基沉降观测结果、道砟厚度等情况，将该段路基分为沉降严重路段、沉降较严重路段和沉降一般路段3类(见表3)，并根据分段情况旋喷桩采用不同的排间距。本次设计中提出采用体积置换率来控制排间距，其概念是指沿线路方向单位长度(旋喷桩排间距)范围内置入土体的旋喷桩体积与0.2p的应力泡范围内的土体的体积之比。

表3 路基沉降评价

旋喷桩排间距的具体确定过程为:通过静力触探测试及模拟载荷试验分别确定模拟载荷试验场地的原地基承载力P0=60 kPa及置入旋喷桩后的承载力P'0=116 kPa，提高幅度ΔP0=56 kPa，所采用的桩体布置形式的体积置换率η0=15.6%。然后取沉降严重路段原地基承载力P1=70 kPa，较严重路段原地基承载力P2=75 kPa，一般路段原地基承载力P3=90 kPa，各路段要求达到的地基承载力应为150 kPa，即各路段承载力需要提高的幅度分别为ΔP1=80 kPa，ΔP2=75 kPa，ΔP3=60 kPa。通过以上数据按以下比例关系确定各路段所要达到的体积置换率ηi(目标置换率):

然后计算目标置换率及试算不同旋喷桩排间距的置换率，使设计置换率达到目标置换率即可，最终结果如表4所示。

表4 各路段目标置换率计算结果

2.4 旋喷桩布置

综上所述，试验段旋喷桩的平断面布置为:路肩外边缘施作2排高压旋喷桩，2排桩孔口间距0.5 m，桩位距路线中心线的距离见工程断面图(图8)，桩径均为0.8 m，间纵向距1.2～1.5 m，旋喷桩按单侧齐列布置，双侧错列布置。内侧旋喷桩长8 m，与竖直夹角为50°，外侧旋喷桩长10 m，与竖直夹角为30°。

图8 工程布置断面(单位:m)

3 加固效果评价

轨道不平顺质量指数(Track Quality Index，TQI)是采用数学统计方法描述区段轨道整体质量状态的综合指标和评价方法。TQI是高低、轨向、轨距、水平和三角坑5类病害的动态检测数据的统计结果，该值的大小与轨道平顺性密切相关，数值越大，表明轨道的平顺程度越差、波动性也越大。线路路基是否稳定直接影响到5类病害数量及TQI值的大小，所以本次采用对比治理前后病害数量及TQI值来评价旋喷桩治理路基下沉的效果，如图9、图10所示。

由图9及图10可以看出，自2014年11月试验段旋喷桩施工结束后，病害数量与TQI值较施工前呈现明显的减小趋势，说明高压旋喷桩的实施对路基下沉起到了有效的控制作用。

图92014 —2015年试验段病害数量趋势

图102014 —2015年试验段TQI值趋势

4 结论

结合理论计算、数值模拟分析、静力触探试验及现场模拟荷载试验，对在既有线上采用斜向高压旋喷桩加固路基的设计参数取值方法得到如下结论:

1)斜向高压旋喷桩加固深度根据软弱地层的深度及列车荷载影响的深度共同确定，该路段加固深度确定为路基以下8 m。

2)通过内、外侧桩不同倾角多种组合的数值模拟，确定出旋喷桩的最优倾角为内、外侧桩与竖向夹角分别为50°，30°。

3)通过复合地基不同体积置换率对原路基承载力的提高程度来确定合理的桩径、排距，分别为桩径0.8 m、排距1.2～1.5 m，并提出18%～25%的体积置换率作为斜向旋喷桩加固路基的合理置换率区间。

斜向高压旋喷桩施工完成后，通过路基运行情况来看，加固后的路基基本处于稳定状态，路基下沉得到了有效的控制，说明采用斜向高压旋喷桩治理既有线路基下沉病害是可行的、有效的。

［1］陈立涛．重载铁路路桥过渡段斜向旋喷桩加强效果研究［D］．北京:北京交通大学，2010．

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［3］宋绪国，王铸．斜向水泥土桩加固路基计算方法探讨［J］．铁道工程学报，2013(8):40-44．

［4］靳永良．高压旋喷桩在处理铁路既有线路基中的应用［J］．科技创新导报，2013(2):98-98．

［5］陈彦欣．高压旋喷桩在道路软基处理中的应用［J］．交通标准化，2014，42(8):12-14．

［6］左光荣．高压旋喷桩在加固既有建筑物地基中的设计应用［J］．四川建材，2014，40(2):118-121．

［7］赵朝阳．高压旋喷桩在运营线路基加固工程中的应用［J］．石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2013，26(5):204-209．

［8］靳云海．谈高压旋喷桩处理路基沉陷原理及施工工艺［J］．山西建筑，2014，40(8):162-163．

［9］宏规，冷伍明，周顺华，等．朔黄重载铁路路基斜向高压旋喷桩加固效果［J］．同济大学学报(自然科学版)，2013，12 (12):1818-1823．

Values of Design Parameters of Existing Railway Subgrade Reinforced by Oblique Jet High Pressure Grouting Piles

CHEN Xuexi1，WU Yuzhe1，YANG Haotian2，ZHANG Hongli2，LI Yuanbiao2
(1．Zhongwei Permanent Way Department，Lanzhou Railway Bureau，Zhongwei Ningxia 755000，China; 2．Northwest Research Institute Limited Company of CREC，Lanzhou Gansu 730000，China)

According to the subgrade settlement disease treatment engineering for K329+950—K330+450 of Baoji－Zhongwei railway，the design method was explored for the existing railway subgrade settlement treatment with the oblique jet high pressure grouting piles．T he parameters such as pile layout，spacing，reinforcement depth，pile optimum angle，and replacement ratio were studied．T he results show that the reinforcement depth is determined by the depth of soft ground and the effect of train load for about 8 m．T hrough the numerical simulation results of lateral piles with different angles，the optimum angle of jet grouting piles are 50°，30°．According to the improvement of different volumetric replacement rate for the subgrade bearing capacity，the appropriate diameter of pile is 80 cm，the row spacing of piles is 1.2～1.5 m，and 18%～25%is the reasonable volumetric replacement rate using for the oblique jet grounting piles．

Railway subgrade;Oblique jet grouting pile;Subgrade reinforcement;Volumetric replacement rate

TU472.3+6;U213.1+5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．17

1003-1995(2016)12-0060-05

(责任审编周彦彦)

2016-05-25;

2016-08-17

中铁科学研究院有限公司科研项目(2016-KJ001-Z001-03)

陈学喜(1972—)，男，高级工程师。