路基填筑引起水泥搅拌桩复合地基变形监测分析

项瑞聪，杨龙才，王炳龙

（同济大学1. 道路与交通工程教育部重点实验室；2. 上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海201814）

近年来，我国的铁路建设取得了跨越式发展。 即便目前大量高速铁路线路采用“以桥带路”的形式修建，仍有约30%为路基结构，城际铁路和客货共线铁路更是较多地采用路基形式作为轨下基础。

同时，我国软土地区分布较广，特别是东南沿海地区的软土强度低，工程性质差。 路基填筑作为一种堆载形式，会引起地基及邻近地层发生沉降和侧向变形，尤其是在软土地区。 一方面，铁路路基对沉降控制较为严格，为确保列车安全、舒适、平顺地运行，路基的工后沉降需控制在较小范围内。 另一方面，堆载引起的地层侧向变形会造成邻近结构物的桩基产生弯矩和变形，从而影响上部结构的稳定与安全[1-2]，甚至引发工程事故，如：长期堆载引起上海某工业厂房屋顶坍塌[3]、天津中板厂原料车间地面堆载致使厂房的桩基折断[4]及公路路基填筑引起连云港某互通区跨线桥墩柱偏移事故[5]。 关于土在堆载作用下沉降变形的研究较多，而侧向变形相对于竖向变形更为复杂，影响因素多，目前研究不足。

为控制铁路路基工后沉降和邻近重要结构物的变形，需对软土地基进行加固处理，目前水泥搅拌桩较多地应用于加固铁路软土路基。 目前关于水泥搅拌桩复合地基沉降特性的研究较多[6-8]，但是路基填筑作用下水泥搅拌桩复合地基的侧向变形规律和邻近地层侧向位移场尚不明确，基于控制邻近结构物变形如何设计水泥搅拌桩加固方案、如何控制路基填筑速率等问题有待进一步研究。

本文依托海积软土地区新建铁路路基填筑施工案例，对水泥搅拌桩复合地基的沉降和侧向变形开展现场监测并对监测结果进行分析，研究路基填筑作用下水泥搅拌桩复合地基沉降和侧向变形特性，确定邻近地层侧向位移场，并为路基填筑速率的控制和水泥搅拌桩加固方案设计提供建议。 本研究可为海积软土地区邻近重要结构物的路基填筑工程设计与施工提供有益参考。

1 工程概况

现场试验段位于浙江省乐清市虹桥镇境内，周边地势平坦，附近多村庄及农田。 该区域含有淤泥质软土层，含水量较高，压缩性较强，强度较低，渗透性较差，属于典型的海积软土地区，地下稳定水位埋深为0.4～1.0 m。 土体物理力学性质统计如表1。

新建铁路为Ⅱ级单线有砟铁路，设计速度为80 km/h。 路基填筑高度为4.8 m，路基面宽度为13.5 m，路基边坡坡率为1∶1.5。路基填筑采取横断面全宽、纵向分层填筑的方式。 填筑区段完成一层卸土后，人工辅助推土机进行摊铺平整，最后光轮压路机配合重型振动压路机碾压进行填土压实作业。 地基加固方式为水泥搅拌桩加固，加固设计方案为：桩径0.5 m，桩间距1.5 m，处理深度约为6 m，穿透淤泥层，水泥掺入比约为15%。 路基及水泥搅拌桩加固方案见图1。

表1 施工现场岩土参数Tab.1 Geotechnical parameters at construction site

图1 路基、水泥搅拌桩加固方案及测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of subgrade, cement mixing piles reinforcement scheme and measuring points layout

2 监测方案

采用分层沉降仪对路基填筑期间复合地基进行沉降监测。 DK50+542 断面新建路基中心处布设分层沉降监测孔，编号为FCⅠ。

采用QXY600-30 型固定测斜仪对路基填筑期间复合地基及邻近地层进行侧向变形监测。DK50+532 断面距路基坡脚2.0，7.3，17.3 m 处分别布设3 个测斜监测孔， 编号为CXⅠ，CXⅡ及CXⅢ；DK50+542 断面距路基坡脚2.0，12.7，17.5 m 处分别布设3 个测斜监测孔，编号为CXⅣ，CXⅤ及CXⅥ。

分层沉降监测共计1 孔，10 测点；测斜监测共计6 孔，32 测点。 监测点布设位置见图1。

3 监测结果分析与讨论

3.1 地基沉降特性

DK50+542 断面处，路基填筑作用下水泥搅拌桩复合地基沉降沿深度变化曲线见图2（a），各土层的压缩量见图2（b）。 地基总沉降为271 mm，随着深度增大，沉降和土层压缩量显著减小，深度20 m 以下处土体沉降在15 mm 以下。 地基加固区主要为压缩性较强的素填土和淤泥层， 压缩量为152 mm， 占总沉降的56.1%；下卧层主要为细圆砾土和含砾粉质黏土，压缩量为119 mm，占总沉降的43.9%，说明本试验段水泥搅拌桩复合地基加固区的压缩变形是构成地基总压缩变形的主要部分。

图3 为地基各分层沉降随加载时间变化曲线，图4 为深0.18 m 处地基沉降速率随加载时间变化曲线。地基不同深度处沉降发展规律类似，此处分析DK50+542 断面深度为0.18 m 处地基，其沉降发展规律可分为4 个施工阶段来分析：

1） 路基填筑至0.55 m。 此阶段沉降变形和沉降速率均较小，沉降为4 mm，最大变形速率仅为0.2 mm/d

2） 施工间歇期。 此阶段沉降仍在增长并逐渐收敛，沉降增长至29 mm，沉降速率较小并逐渐收敛，最大沉降速率仅为0.7 mm/d。

3） 连续填筑期，路基由0.55 m 连续填筑至4.85 m，期间无较长的施工间歇，共计178 d。 随着路基逐级填筑，沉降随之增加。 填筑完成时，沉降增长至265 mm。 沉降速率相对较快，最大为2.4 mm/d，平均1.3 mm/d。

4） 路基静置期。 路基填筑完成后，沉降仍在增长并逐渐收敛，沉降速率很快收敛。 路基填筑完成后第39 d，沉降为271 mm，平均沉降速率仅为0.2 mm/d。

图5 为水泥搅拌桩复合地基加固区与下卧层压缩量比值随加载时间变化曲线。 由图可知， 当路基填筑至约0.55 m 及后面的间歇期，该比值均保持在0.5 以内，说明当填筑荷载较小时，水泥搅拌桩复合地基的压缩主要由下卧层的压缩变形引起。 随着路基填筑至标高，该比值逐渐增大；填筑完成后该比值基本保持不变，为1.3 左右。说明当填筑至一定高度后，地基加固区的压缩变形发展迅速，并成为地基压缩的主要部分。

图2 DK50+542 断面地基沉降Fig.2 Foundation settlement of DK50+542 section

图3 DK50+542 断面地基分层沉降时程曲线Fig.3 Foundation settlement time-history curve of DK50+542 section

图4 DK50+542 断面深0.18 m 地基沉降速率时程曲线Fig.4 Time-history curve of settlement rate of 0.18 m deep foundation of DK50+542 section

图5 DK50+542 断面加固区与下卧层压缩量比值时程曲线Fig.5 Time-history curve of compression ratio of reinforcement zone and underlying layer of DK50+542 section

基于实测数据采用双曲线法[9]预测路基填筑作用下地基未完成的工后沉降，结果见表2。 经预测，地基在路基填筑完成后发生的工后沉降为9.8 mm，平均沉降速率为9.1 mm/年。 我国《铁路路基设计规范》（TB 10001-2016）中规定200 km/h 以下的Ⅱ级有砟铁路的路基工后沉降控制限值为300 mm，沉降速率控制限值为60 mm/年[10]，监测断面处路基填筑施工引起的地基工后沉降和沉降速率远小于控制指标。

表2 路基填筑作用下地基工后沉降预测 mmTab.2 Prediction of post-construction settlement of foundation under subgrade filling

3.2 地基侧向变形特性

路基填筑作用下水泥搅拌桩复合地基侧向变形沿深度变化曲线见图6。 路基填筑会引起坡脚外地基土向远离路基方向发生侧向变形。 距坡脚2 m 处地表处侧向变形约为140 mm，侧向变形沿深度变化曲线呈“弓”形，即随着深度增加，侧向变形先增大后减小，最大侧向变形发生在地表以下约3 m 处， 位于②2淤泥层中，DK50+532、DK50+542 断面最大侧向变形分别为281 mm 和254 mm。 素填土和淤泥层侧向变形显著，下部细圆砾土层和含砾粉质黏土层侧向变形迅速减小。0.6 mm/d，变形速率较小并逐渐收敛。

图6 地基侧向变形量Fig.6 Lateral deformation of foundation

图7 为地基侧向变形随时间变化曲线， 图8为地基侧向变形速率随时间变化曲线。 2 个监测断面不同水平距离处地层侧向变形发展规律类似， 此处分析DK50+532 断面距坡脚2 m 处地基，其侧向变形发展规律可分为4 个施工阶段来分析：

1） 路基填筑至0.55 m。 此阶段侧向变形和变形速率均较小，侧向变形为4 mm，最大变形速率仅为0.8 mm/d。

2） 施工间歇期。 此阶段侧向变形仍在增长并逐渐收敛，侧向变形增长至13 mm，最大变形速率仅为

3） 连续填筑期，路基由0.55 m 连续填筑至4.8 m，期间无较长的施工间歇，共计184 d。 随着路基逐级填筑，侧向变形随之增加。 填筑完成时，侧向变形增长至266 mm。 变形速率较大，最大为4.6 mm/d，平均1.4 mm/d。

4） 路基静置期。路基填筑完成后，侧向变形仍在增长并逐渐收敛，变形速率很快收敛。路基填筑完成后第60 d，侧向变形为281 mm，平均变形速率仅为0.2 mm/d。

图7 地基侧向变形时程曲线Fig.7 Time-history curve of lateral deformation of foundation

图8 地基侧向变形速率时程曲线Fig.8 Time-history curve of lateral deformation rate of foundation

3.3 邻近地层侧向位移场

DK50+532 和DK50+542 断面相距较近，路基高度和地质条件一致； 因此可将CXⅠ～CXⅥ测斜孔各测点的侧向位移绘制入一幅等值线图中， 得到路基填筑作用下邻近地层侧向位移场，见图9。 邻近地层不同水平距离处侧向位移沿深度分布规律一致，即先增大后减小，最大值在深度3 m 处。 水平方向上，随着距离增大侧向位移明显减小， 等值线深度方向上较水平方向密集，可见侧向位移在深度方向上较水平方向收敛快。同时可确定该现场工程条件下路基填筑施工引起邻近地层侧向位移的影响范围， 即路基坡脚16 m 外或深度7 m 以下地层侧向位移小于2 cm，可以不考虑路基填筑施工对该区域结构物的影响，路基坡脚7 m 内、深度5 m 以上地层侧向位移大于100 mm，受路基填筑施工扰动较大。

3.4 路基填筑速率控制建议

软土地基上填筑路基需严格控制地基稳定性以保证工程安全[11]。 目前我国相关规范[12]采用地基沉降速率10 mm/d、 坡脚侧向变形速率5 mm/d 作为控制指标。 地基的变形速率与路基填筑速率有密切关系[13]，为保证地基稳定性需对填筑速率进行控制。

由图4 可知路基填筑期间地基沉降速率最大值为2.4 mm/d，小于沉降速率控制指标。 由图8 知两监测断面距坡脚2 m 处地基侧向变形速率最大值均达4.6 mm/d， 与5 mm/d 的控制指标较为接近。 选取几个特殊施工节点分析如表3，可见地基侧向变形速率不仅取决于填筑速率，还与填筑高度相关，当路基填筑至较大高度时，较小的填筑速率也会引起较大的侧向变形速率。

图9 邻近地层侧向位移场等值线图（单位：mm）Fig.9 Contour map of lateral displacement field in adjacent strata (Unit: mm)

表3 地基侧向变形速率与填筑高度、填筑速率关系Tab.3 Relationship between lateral deformation rate of foundation and filling height and filling rate

由上分析可知，路基填筑作用下水泥搅拌桩复合地基的坡脚侧向变形速率较地基沉降速率更接近于控制指标，路基填筑速率的控制应以控制坡脚侧向变形速率为主。 地基侧向变形速率与填筑速率和填筑高度相关，当路基填筑至较大高度时，应适当降低填筑速率。

3.5 水泥搅拌桩加固方案设计要求及建议

水泥搅拌桩加固方案设计应该基于控制路基工后沉降和邻近结构物侧向变形2 个角度。

路基工后沉降由路基填土压密下沉、 行车引起的累计塑性变形和地基产生的路基工后沉降三部分组成，截至目前的研究经验，路基填土压密下沉、行车引起的工后沉降很小，可不计入路基工后沉降，控制路基工后沉降主要是控制地基的工后沉降[14]。 不同类别的铁路对路基工后沉降的控制标准不同，我国《铁路路基设计规范》（TB 10001-2016）中给出了不同类别铁路的路基工后沉降控制标准，见表4。 可见，在本试验段的现场施工条件下，该水泥搅拌桩加固方案可满足各铁路类别的路基工后沉降的控制要求。

表4 路基工后沉降控制标准Tab.4 Control standard of settlement for post-construction subgrade

当新建路基邻近变形控制严格的结构物时，还需控制路基填筑施工对邻近结构物的影响。 结合本施工案例和表4，当路基工后沉降控制要求较易满足时，水泥搅拌桩加固方案的设计应以控制路基填筑施工对邻近结构物的影响为主，可参考本施工案例中邻近地层侧向位移场（图9），同时结合邻近结构物与新建路基距离、结构物的变形控制要求来进行水泥搅拌桩加固方案设计。

4 结论

1） 现场施工条件下，路基填筑引起海积软土地区水泥搅拌桩复合地基沉降特性为

地基总沉降为271 mm。 随着深度增大， 沉降和土层压缩量显著减小。 地基加固区压缩量占总沉降的56.1%，加固区与下卧层压缩量之比逐渐增大，最后稳定在1.3 左右。 路基连续填筑期间沉降速率相对较快，最大值为2.4 mm/d ，路基填筑初期和静置期的沉降速率很小。 监测断面处路基填筑施工引起的地基工后沉降和沉降速率远小于控制指标。

2） 现场施工条件下，路基填筑引起起海积软土地区水泥搅拌桩复合地基侧向变形特性为

坡脚外地基土向远离路基方向发生侧向变形，侧向变形沿深度变化曲线呈“弓”形，最大值发生在地表以下约3 m 处淤泥层中，素填土和淤泥层侧向变形显著。 路基连续填筑期间侧向变形速率较大，最大为4.6 mm/d，路基填筑初期和静置期的侧向变形速率很小。

3） 得到了现场施工条件下，路基填筑引起的邻近地层侧向位移场，侧向位移在深度方向较水平方向收敛快，路基坡脚16 m 外或深度7 m 以下地层侧向位移小于2 cm，路基坡脚7 m 内、深度5 m 以上地层受路基填筑施工扰动较大。

4） 路基填筑作用下水泥搅拌桩复合地基的坡脚侧向变形速率较地基沉降速率更接近于控制指标，路基填筑速率的控制应以控制坡脚侧向变形速率为主。 地基侧向变形速率与填筑速率和填筑高度相关，当路基填筑至较大高度时，应适当降低填筑速率。

5） 本施工案例中水泥搅拌桩加固方案可满足各铁路类别的路基工后沉降的控制要求， 当路基工后沉降控制要求较易满足时，水泥搅拌桩加固方案的设计应以控制路基填筑施工对邻近结构物的影响为主。