盐渍土地基铁路路基溶陷沉降计算方法的探讨

高继涛, 丁兆锋

(中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

盐渍土地基铁路路基溶陷沉降计算方法的探讨

高继涛, 丁兆锋

(中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

目前国内规范对盐渍土天然地基溶陷沉降计算有明确的规定，但对于经有粘结性的桩基加固后的盐渍土地基，其溶陷变形计算尚无明确规定，也未发现有相关文献提及，如何计算经桩基加固后的盐渍土地基铁路路基溶陷沉降是摆在设计者面前的一个难题。文章基于溶陷变形前后碎石垫层体积不变、铁路路基溶陷沉降视为整体均匀沉降等假设条件推导出了桩顶不设置桩帽和桩顶设置桩帽两种情况下的路基溶陷沉降的计算公式，明确了路基溶陷沉降量与桩直径、桩帽直径或边长以及桩间距的辩证关系，并针对某高速铁路盐渍土地基工点给出了算例，上述成果可以为设计者提供参考。

盐渍土地基； 铁路路基； 桩基加固； 溶陷沉降

盐渍土是指易溶盐含量较高，具有溶陷、盐胀特性的土。修建在盐渍土地基上的铁路路基应充分考虑地基溶陷性对铁路路基沉降的影响。我国西北地区盐渍土分布较广，普速盐渍土铁路路基在盐渍土地基上填筑时，通常采用抬高路堤填高、设置隔断层等以防为主的治理措施，或采用挖除换填、强夯、碎石挤密桩(散体材料)等以降低盐渍土地基溶陷性为主的地基加固措施。

高速铁路路基在盐渍土地基上填筑时，由于其沉降控制要求严格，普速铁路采取的治理措施很难满足其设计要求，通常需要采用有粘结强度的桩基，如CFG桩、预应力管桩、钻孔灌注桩等，进行地基加固。目前国内规范对盐渍土天然地基溶陷沉降计算有明确的规定，但对于经有粘结强度的桩基加固后的盐渍土地基，其溶陷变形计算尚无明确规定，也未发现有相关文献提及，如何计算加固后的盐渍土地基铁路路基溶陷沉降是摆在设计者面前的一个难题。

1 溶陷沉降计算方法

1.1 盐渍土天然地基溶陷沉降

根据《盐渍土地区建筑技术规范》4.2.5条，盐渍土天然地基溶陷沉降按下式计算：

(1)

式中:Srx为盐渍土地基溶陷量(mm)；δrxi为第i层盐渍土的溶陷系数，根据试验确定；n为盐渍土地基可能产生溶陷的土层层数；hi为第i层盐渍土土层的厚度(mm)。

修建在盐渍土天然地基上的铁路路基，其工后沉降应计入盐渍土地基溶陷沉降量，此时工后沉降可按下式计算：

(2)

1.2 加固的盐渍土地基溶陷沉降

1.2.1 桩顶设置碎石垫层时

盐渍土地基经有粘结强度的桩基加固后，且桩顶设置碎石垫层时，桩间盐渍土溶陷沉降将引起路基沉降增加。为了便于计算，忽略一些不必要的细节，基于一定的假设条件，建立简化的计算模型(图1)。

图1 溶陷沉降示意

基于的假设条件如下：

(1)桩间土溶陷空间被桩顶垫层土体填充，变形前后碎石垫层的体积不变。

(2)路基溶陷沉降视为整体均匀沉降。

基于以上假设条件，可推导得出桩顶设置碎石垫层时，路基溶陷沉降计算公式：

(3)

式中：Smax为路基溶陷沉降量(mm);d为桩身直径(m)；Se为等效桩间距，等边三角形布桩时Se=1.05S，正方形布桩Se=1.13S；Srx为桩间盐渍土溶陷量(mm)，按式(1)计算确定。

式(3)表明，路基溶陷沉降除与天然地基溶陷沉降量有关外，还与桩身直径以及桩间距有关，桩身直径越大，桩间距越小，路基溶陷沉降量越小。

此时，路基工后总沉降可按下式计算：

(4)

1.2.2 桩顶设置桩帽及碎石垫层时

盐渍土地基经有粘结强度的桩基加固后，且桩顶设置桩帽及碎石垫层时，桩帽及桩间盐渍土溶陷沉降将引起路基沉降增加。为了便于计算，忽略一些不必要的细节，基于一定的假设条件，建立简化的计算模型(图2)。

图2 有桩帽溶陷沉降示意

假设条件如下：

(1)桩间土溶陷空间被桩顶垫层土体填充，变形前后碎石垫层的体积不变。

(2)路基溶陷沉降视为整体均匀沉降。

(3)桩帽底土体脱空后，忽略桩帽间的土体对其填充作用。

基于以上假设条件，可推导得出桩顶设置桩帽及碎石垫层时，路基溶陷沉降计算公式：

(5)

式中：a为三角形布桩时，采用圆形桩帽，a为桩帽直径；正方形布桩时，采用正方形桩帽，a为桩帽边长(m)；se为等效桩间距，正方形布桩时，Se=S，三角形布桩时Se=1.05S。Srx为桩间盐渍土溶陷量(mm)，按式(1)计算确定。式(5)表明，路基溶陷沉降除与天然地基溶陷沉降量有关外，还与与桩帽直径或边长以及桩间距有关，桩帽直径或边长越大，桩间距越小，路基溶陷沉降越小。

2 算例

某时速300km有砟轨道双线铁路路基，从干枯的盐湖通过，盐湖土层中含有盐的结晶，特别是表层0.3～0.6m为盐壳，盐渍土属亚硫酸盐、亚氯盐～氯盐渍土，盐渍化程度中等～强。地表广泛分布该层，厚度大于70m。地下水位于地表以下3m，稳定水位变化幅度为±2m。段内表层土为粉质黏土和松软土，根据溶陷试验粉质黏土的溶陷系数为0.021，雨水浸润影响土层厚度为4.5m。

本段盐渍土路基拟采用CFG桩基进行地基加固，如图3所示，CFG桩直径为0.6m，桩间距1.6m，正方形布置，桩顶设置0.5m厚碎石垫层或设置边长为1m的正方形桩帽及0.5m厚碎石垫层。假设不考虑路基溶陷沉降时，路基工后沉降为28mm，分别求解桩顶设置碎石垫层或桩顶设置桩帽及碎石垫层时，该段路基工后总沉降。

图3 典型断面示意

2.1 桩顶设置碎石垫层时

桩顶不设置桩帽时，溶陷沉降计算方法参见1.2.1，溶陷土层厚度取为1.581m。

(1)天然地基溶陷沉降：

(2)路基溶陷沉降：

(3)路基工后总沉降：

2.2 桩顶设置桩帽及碎石垫层时

桩顶设置桩帽时，溶陷沉降计算方法参见1.2.2节。

(1)路基溶陷沉降：

(2)路基工后总沉降：

通过计算表明，CFG桩顶仅设置碎石垫层时，路基工后总沉降(容许值为50mm)不满足设计要求，桩顶设置桩帽及垫层时，路基工后总沉降满足设计要求。可见，桩顶设置桩帽可有效地减小盐渍土地基路基溶陷沉降。

3 结束语

盐渍土地基上修建高速铁路路基时，路基工后总沉降应计入路基溶陷沉降，普速铁路采用的加固处理措施很难满足高速铁路工后沉降要求，应采用有粘结强度的桩基对盐渍土地基进行加固。目前国内规范对盐渍土天然地基溶陷沉降计算有明确的规定，但对于经有粘结强度的桩基加固后的盐渍土地基，其溶陷变形计算尚无明确规定，也未发现有相关文献提及，此时，如何计算路基溶陷沉降是一个难题。

本文基于溶陷变形前后碎石垫层体积不变、路基溶陷沉降视为整体均匀沉降等假设条件推导出了桩顶设置垫层和桩顶设置桩帽及垫层两种情况下的盐渍土地基溶陷变形的计算公式，上述计算公式原理简单，使用方便。根据路基溶陷沉降计算公式以及算例计算结果可知，盐渍土地基铁路路基溶陷沉降量与桩直径、桩帽直径或边长以及桩间距有关，桩直径越大、桩帽直径或边长越大，桩间距越小，路基溶陷沉降量越小。因此当路基工后总沉降不满足设计要求时，可通过加大桩直径、桩帽直径或边长，减小桩间距的方式来减小路基溶陷沉降量。

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[2] 中国石油天然气集团公司.SY/T0317-2012盐渍土地区建筑规范[S].北京：石油工业出版社，2012：11-13.

[3] 张洪萍. 盐渍土的工程性质及防治 [M].北京：国防工业出版社，2012：65-90.

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高继涛(1981～)，男，工学学士，工程师，主要从事路基工程设计工作。

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[定稿日期]2016-12-01