黄土区高铁路基挤密桩桩间土挤密效果检测与影响因素研究

2021-02-25赵永虎李红义王秉勇

铁道标准设计 2021年2期

韩侃,赵永虎,李红义,王秉勇

(1.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000； 2.中国中铁科学研究院有限公司,成都 611731)

引言

挤密桩处置地基是采用扩孔设备将地基土体挤密成孔后，将灰土、水泥土等填料填入孔内挤密成桩体而形成的复合地基，以承受上部荷载、控制地基变形[1]。目前针对各类挤密桩的加固承载机理[2-3]和适用性等[4-5]方面开展了较多研究。A. Ezoe研究出一种新型挤密沙桩，并对其在黏性土和软土中的应用效果进行了研究[6-7]。朱彦鹏等[8-9]对桩基负摩阻力影响因素进行了现场研究。米周林等[10]研究了水泥土挤密桩在高层建筑地基中的应用效果。陈福江等[11-12]，研究了挤密桩在湿陷性黄土隧道基底处理中的应用效果。付雄[13]结合郑西客运专线洛阳南站内湿陷性黄土地区高填方路基的设计方案、计算理论及现场沉降测试，对采用CFG桩联合水泥挤密桩处理客运专线铁路黄土高路堤地基进行了现场试验研究。

然而在挤密桩桩间土挤密效果检测方法与检测标准方面，各行业目前尚未形成完善的标准体系，铁路行业仅仅参照工民建行业标准制定了相应的路基验收规范，如TB10414—2018《铁路路基工程施工质量验收标准》[14]中规定桩间土挤密效果用静力触探或标准贯入试验方法在桩间土形心点进行检测，规范中均未明确检测标准，只泛泛地要求应符合设计要求。在TB10751—2018《高速铁路路基工程施工质量验收标准》[15]中规定桩间土挤密效果用钻机取样的方法是在孔之间形心点附近挤密深度内每2 m测定一次干密度，再换算成最小挤密系数进行检测，但仍然未对桩间土挤密系数做明确规定，仅要求满足设计规定即可。因此，目前尚未针对铁路自身工程特点提出本行业的地基处理检测指标和标准，而且挤密桩桩间土质量检测方法可操作性较差，现场大开大挖或钻机取土的不规范性[16]，对工程进度和质量影响较大，给现场施工和质量检测造成诸多不便。

鉴于此，结合中卫—兰州高速铁路(以下简称“中兰高铁”)湿陷性黄土区段，采用水泥土挤密桩处理后，通过开挖探井和洛阳铲取样的方式对试桩挤密效果进行现场试验，并对其施工工艺进行了总结，以便为铁路工程挤密桩处理效果评价和现场取样检测提供指导，并为铁路行业桩间土挤密效果检测标准的制定提供相关依据。

1 工程概况

1.1 试验区地质条件

中兰高铁沿线黄土梁峁相间，黄土陷穴较发育。线路甘肃段所经黄土宽谷区，地形较平坦，地表多为砂质黄土，局部冲沟内新近系和白垩系基岩出露。黄土成因复杂，类型多样，主要以风积和冲洪积砂质黄土为主，粉粒含量高，具有黏聚力弱、湿陷性强烈及含水率低等特点，湿陷性黄土厚度多在20～35 m，局部湿陷厚度可达50 m。因此，需要对湿陷性黄土区段采取消除或减弱湿陷性等级的措施，以保证工后沉降量、满足设计规范的相关要求。然而选择适宜又经济的处理方式显得尤为重要。

1.2 地基加固处理方式

中兰高铁黄土地基主要采用水泥土挤密桩和CFG桩进行加固处理。一般路基地段采用水泥土挤密桩处理，挤密桩设计桩间距1.0 m，桩径0.4 m，桩长8.0～10.0 m，正三角形布置；高路堤及桥路过渡段采用CFG桩及水泥土挤密桩套打，挤密桩桩间距采用0.9 m，按正方形布置。设计桩间土挤密系数不小于0.93，湿陷系数小于0.015。

中兰高铁DK0+440～DK0+850段路基基底采用水泥挤密桩处理。为了准确了解湿陷性黄土地区桩间土挤密效果，现场对桩长范围内不同深度、不同桩间距、桩径方向不同位置处采用开挖探井和洛阳铲取样，对试桩挤密效果进行现场试验。相对于其他机械取样方式，最大可能减小取样过程对桩间土体大范围的扰动，保证测试结果的精确性，同时，对施工进度和施工现场的影响减小到最低程度。

2 挤密效果检测与主要影响因素分析

2.1 桩间土不同深度挤密效果研究

按照设计要求，挤密桩成孔直径为0.4 m，桩间距1.0 m，桩长8.0 m，按等边三角形布置，具体设计参数见表1。

表1 试桩设计参数

在两桩中心处开挖探井(图1)，在深度范围内每隔1.0 m取样，测定干密度并进行室内压缩试验。

图1 开挖探井取样

现场共开挖6个探井，每个探井每米检测1次干密度，共检测8个点位的干密度值，试验数据统计见表2。从表2可以看出，水泥土挤密桩桩间土挤密系数均大于0.93，且数据波动不大，受土层影响小，挤密效果良好。挤密系数最大值为0.96，最小值为0.93，平均值为0.94；压缩模量最大值为35.5 MPa，最小值为16.3 MPa，平均值22.3 MPa。沿桩长方向不同深度的干密度测试值见图2。

表2 水泥土挤密桩处理后桩间土参数统计

图2 桩间土干密度随深度变化曲线

从图2可以看出，桩间土的挤密效果自上而下有逐渐增加的趋势，地表附近受施工的影响挤密效果较差，桩底附近相对较好。

2.2 桩间土桩径方向挤密效果研究

在3根桩的形心位置、桩外侧0.1 m和桩外侧0.3 m处采用洛阳铲掏土的方式进行取样测定干密度，取样点位置见图3。

图3 取样点位置示意(单位：m)

图5 不同桩间距试桩探井布设(单位：mm)

分别对桩径方向3个位置的不同深度进行取样试验，试验结果见表3。从表3可以看出，桩外侧0.1 m处挤密系数最大值为0.95，最小值为0.92，平均值0.94；桩外侧0.3 m处挤密系数最大值为0.93，最小值为0.90，平均值0.92；形心位置处挤密系数最大值为0.90，最小值为0.87，平均值0.89。

表3 桩径方向不同位置挤密系数

结果表明，桩间土形心位置的挤密系数最小，距桩中心外侧0.1 m的挤密系数大于桩外侧0.3 m的挤密系数。以距桩中心的距离和挤密系数为坐标，即(0.1，0.95)、(0.3，0.93)、(0.58，0.89)绘制折线图，见图4，可以看出挤密系数和距桩中心距离存在明显的线性关系，即距桩中心距离越近，挤密效果相对较好，但桩间土形心位置受相邻桩的影响，挤密效果较差。

图4 距桩中心距离与挤密系数变化

2.3 不同桩间距桩间土挤密效果研究

将试桩的桩间距分别调为0.9，1.2，1.5 m，并在形心位置取样进行试验，试桩探井布设情况见图5。挤密系数随桩间距的变化规律如图6所示。桩间土挤密效果随着桩间距的增大而减小，当桩间距为0.9 m和1.2 m时，其平均挤密系数均大于0.93，当桩间距增大到1.5 m时，其平均挤密系数减小到0.90。根据湿陷性系数和挤密系数两个指标的相关要求，本工程建议将水泥土挤密桩桩间距调整为0.9～1.2 m。

图6 桩间土平均挤密系数随桩间距的变化曲线

2.4 天然土含水率对挤密效果的影响分析

试验表明，地基土的含水率对挤密桩桩间土的挤密效果影响较大。在西北干旱地区，湿陷性黄土层的含水量普遍比较低，土层呈比较坚硬的状态，桩间土挤密非常困难，不宜直接进行路基地基处理。在中兰高铁前期试验段，普遍存在桩间土挤密系数不满足设计要求的情形，随后经多方沟通和现场试验，最后采取了地基土增湿的措施，使地基土平均含水量尽量接近最优含水量，才确保了桩间土的挤密质量。

2.5 成孔工艺和施工顺序的影响

挤密桩施工中目前主要有挤密成孔法和预钻孔夯扩挤密法两种。前者处理地基深度较小，且施工中易出现塌孔、孔壁不规整等问题；后者虽能处理深孔，但需要宽阔场地方能施工，在狭小空间其适用性受到限制。由于两种方法的施工要求和成孔工艺不同，对挤密桩桩间土挤密的效果和影响也比较大，因此，在挤密桩施工过程中选择适合的成孔工艺非常重要。

现场施工过程中的挤密顺序对桩间土的挤密效果影响也比较大。为保证挤密效果，现场一般采用隔排隔行跳打的方式，为了防止施工过程中各孔之间相互挤压造成变形或坍陷的影响，成孔后需尽快回填，成片的挤密桩处理桩基一般由里向外进行施工，对局部的地基处理桩基宜由外面向里面进行挤密施工。

3 中兰高铁湿陷性黄土地基的挤密处理应对措施

3.1 施工现场发现的问题

在施工现场进行水泥土挤密桩试桩过程中，发现对施工完毕的挤密桩桩间土取样检测后，局部区段挤密系数为0.88～0.93，达不到设计要求，但是桩间土湿陷系数已小于0.015，湿陷性消除，满足设计要求，达到处理效果。随后，加大挤密桩试桩检测频率，从检测、施工及设计三方面依次分析原因。经分析，桩间土挤密系数不满足设计要求主要原因为，局部区段地基黄土含水率较低且施工控制不足导致。

3.2 应对措施

针对中兰高铁前期对黄土地区路基基底处理挤密桩桩间土挤密系数不满足设计的情况，参建各方组织召开会议进行了论证，结合现场试桩情况，优化施工方案，调整桩间土设计挤密系数，局部黄土含水率较低地段采用注水增湿方案，提高地基土含水率后再进行挤密桩施工。

在试验区预打增湿孔，通过加水增湿后重新钻孔取样，测定含水率情况见表4。其中1号孔距增湿孔0.2 m，2号孔距增湿孔0.5 m，3号孔距增湿孔0.8 m。

表4 增湿后含水率测定

从表4可以得出：受地基土增湿后匀质性和增湿距离的影响，水平方向距离增湿孔近的含水率明显高于远的；竖直方向在孔深5 m以上地基土平均含水率多数比最优含水率高，在孔深5 m以下，地基土平均含水率要低于最优含水率3%～5%，所以增湿后要根据现场具体情况重视对地基土平均含水率的检测，只有多数地基土含水率接近最优含水率，才能保证挤密效果并进行下一步施工。