国内外高速公路、铁路地基处理技术回顾

郑 刚，赵佳鹏，周海祚*，于晓旋，夏博洋，王金山

（1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072）

0 引 言

交通运输业是影响一个国家经济与发展最为重要的产业之一，其中高速公路和高速铁路的发展是交通现代化的重要标志，承担着巨大的运输承载力[1]。近年来，世界经济不断繁荣，世界范围内高速公路、铁路的建设进度不断加快。为了保证车辆运行的安全和旅客乘坐的舒适，高速公路路基必须具备稳定、平顺的特征；高速铁路的轨道结构必须以强硬且稳定的路基作为基础[2]。

天然地基常见软土地基和区域性不良地基，这些地基在我国沿海地区（渤海地区、长三角地区、珠三角地区等）存在大量分布，基本覆盖了我国经济最发达、人口最密集、工程建设量最大的地区。这些软土地基具有孔隙比大、压缩性强和抗剪强度低的特点。在软土地基上修建高速公路、铁路主要面临着沉降和稳定性两个方面的问题，由此造成的路堤失稳和工后沉降、不均匀沉降问题在工程中屡见不鲜，如图1所示。这两类问题显著影响着高速公路、铁路的运行安全和舒适度，必须对相关理论和实践技术进行深入研究。

图1 高速公路、铁路路堤面临的工程问题Fig.1 Engineering problems in embankments of highway and railway

地基处理作为一种改善地基的承载力和变形特性的有效技术，被广泛应用于软弱地基和区域性不良地基的高速公路、铁路工程建设中。总结国内外高速公路、高速铁路地基处理的技术应用和理论研究进展，进而逐步构建起更为完善的技术体系，提高高速公路、铁路地基处理整体技术水平，对于确保交通工程建设的安全和效率具有重要意义。本文首先对常见的高速公路、铁路路堤地基处理方式进行简要总结和阐述，在此基础上对近年来不同地基处理方式的沉降和稳定性研究进展进行归纳总结，并结合国内外典型工程建设案例介绍不同地基处理方式的应用情况，最后对已有理论和技术的成功经验和不足之处进行总结，对高速公路、铁路地基处理的应用前景进行探讨。

1 常见公路、铁路地基处理技术

高速公路、铁路建设中常见的软土地基处理方式如表1所示。

表1 国内外公路、铁路主要地基处理方式[3]Table 1 Typical methods of ground improvement for highway and railway

根据原理不同，高速公路、铁路建设中常见的地基处理方法总体上分为土质改良和复合地基。土质改良是通过改良天然地基土体性质的方式，提高地基土的抗剪强度、减小土体压缩性等；复合地基是形成由基体和增强体两部分组成的人工地基来共同承担上部荷载。

土质改良包括置换法、排水固结法以及强夯法等。换填垫层法是最常用的置换法之一[4]，适用于软土较为浅薄的情况，对于软土层较厚的情况，该方法施工困难且造价过高。

排水固结法是指对地基土设立排水体或者事先进行预压，使土壤水排出固结进而提高强度、减小压缩性的方法。根据加荷方式的不同，排水固结法可分为堆载预压法、超载预压法、真空预压法和真空-堆载联合预压法等。其中，堆载预压法由于其固结时间长，适用于软土不太厚的工程；真空-堆载联合预压法对于具有深厚软黏土或者工期紧的工程，是一种更为经济有效的方法，通过在地基上施加荷载和使用真空负压源进行抽气使土体内部处于真空状态的联合使用，可有效加快地基的固结过程，缩短高速公路、铁路工程的工期[5]。

强夯法是将大重量的重锤从高处落下，使天然地基压密进而提高承载性能与密实度的方法。强夯法具有土质适用范围广、施工简单、地基改善效果好、施工效率高的优势。但是，对于饱和度较高的软黏土，强夯法由于易形成“橡皮土”从而存在夯后地基承载力降低的问题，故一般不宜用于加固。

复合地基法中的增强体可分为散体类柔性桩、半刚性桩、刚性桩、钢筋混凝土桩以及复合加固体等，这是根据增强体的材料特性、有无黏结强度以及抗拉压强度差异来区分的。其中采用以上多种加固体的组合即为复合加固体，充分发挥了复合加固体中各种材料的特点，从而使复合加固体的性能更加突出。这些地基处理方法具有成熟的理论经验以及丰富的实践基础，也是较为经济的一类地基处理技术。对于普遍存在的深厚软土地基，特别是深度超过12 m以上的情况，其工后沉降偏大，需采用竖向增强体与水平向增强体相结合的方法来对其进行处理。

桩网复合地基为复合地基配以加筋垫层，从而达到充分发挥地基承载能力并调节桩土应力分担比的目的，同时，水平加筋体对坡脚附近的侧向位移还有较好的约束作用[6]。加筋垫层由土工合成材料以及碎石（砂砾）组成，不仅具有优秀的抵抗变形的能力，同时可以根据实际情况来调节基底桩土之间的荷载分担比，使得桩体主要承担上层建筑的荷载。桩网复合地基尤其适用于不均匀沉降的减少，是一种有效且相对经济的方法。

桩筏复合地基的组成部分包括钢筋混凝土桩、支撑梁以及钢筋混凝土筏板。在初始加载过程中，由于桩间土体的刚度远小于混凝土筏板和桩的刚度，土体相比于桩具有更大的压缩变形。桩与土的变形差异，筏板的恒载主要由桩来承担。在该体系中桩间土支撑上部结构荷载，垫层平衡桩土荷载的分布[1]。

2 高速公路、铁路地基处理沉降与稳定研究现状

2.1 高速公路、铁路地基场地特性及存在问题

高速公路相比于普通公路，路面更高、路堤更宽、路线更直，因此其作用在地基上的荷载大小和范围都更大，产生了巨大的附加应力。如果修建在软土地基上，容易出现失稳问题，并产生较大的不均匀沉降，轻则出现“桥头跳车”现象、地面出现下沉和变形，重则发生路堤垮塌，造成严重的人员和经济损失。高速公路的以上特点要求地基具备较高的稳定性和较小的工后沉降。

早期的铁路建设重点关注稳定问题。但随着列车速度越来越快，高速铁路逐渐产生高开行密度、高安全性、高稳定性、高平顺性的运营需求，有效控制轨下基础工后沉降和不均匀沉降成为了最核心的技术问题之一。高速铁路的轨道基础设施由上部结构（轨道构件）和下部结构（基础构件）两部分组成。由于结构差异和地基处理差异，轨道的不均匀沉降主要分布在不同下部结构连接处附近以及在地基不均匀性区域、充填段与切割段连接以及不同地基处理段连接区域[7]。这些过渡段在高速列车的作用下，桥头容易出现较大的振动现象，被称为“桥头跳车”。高速铁路无砟轨道对于路基工后沉降和过渡区的不均匀沉降有严格的界定。例如，一般情况下工后沉降应小于15 mm，过渡区允许的路基差沉降应小于5 mm，钢轨顺向弯曲角应限制在1/1 000以内。高速铁路对于地基工后沉降的要求要比高速公路更为严苛。

2.2 高速公路、铁路地基处理沉降研究现状

有效控制工后沉降和差异沉降需要以合理精确的沉降预测方法作为理论基础。对于排水固结法，预测工后沉降时通常采用分层总和法，该方法的预测精度对于高速铁路有砟轨道可以接受。对于散体桩复合地基和水泥土搅拌桩复合地基，复合模量法常被用来预测工后沉降，但此方法不够可靠。对于组合增强体复合地基（例如桩网复合地基以及桩筏复合地基），常采用承载力比率法和桩基础沉降法预测工后沉降，但预测精度并不理想。

（1）排水固结法沉降预测方法

Indraratna等[8]提出了在轴对称和平面应变条件下考虑真空预压的垂直排水管固结沉降计算模型。Mohamedelhassan和Shang[9]建立了一维固结模型，计算了超孔隙水压力和固结沉降。Ho和Behzad[10]介绍了一种非饱和土层沉降的二维解析解。随着对地基固结沉降认识的深入，更多研究将地基的解析模型由单一均质土层发展为多层非均质土层。在这些分析方法的基础上，发展了大量计算地基在高度复杂情况下固结沉降的数值算法。由于软土固结过程中涉及流固耦合、地层分布、地质环境、渗流等多方面因素，数值模拟结果的准确性很大程度上取决于计算算法和参数的选择。

（2）散体桩和水泥搅拌桩复合地基沉降预测方法

Castro和Sagaseta[11]提出了一种新的桩-土单元分析方法来分析加筋散体桩地基的沉降，对控制参数进行了参数分析。Yapage和Liyanapathirana[12]采用有限元方法对加筋水泥土搅拌桩支撑路堤的总沉降和不均匀沉降进行了参数分析。结果表明：桩间距、桩径和软土弹性模量是最重要的参数。Filz等[13]提出了一种荷载-位移协调的方法来估计竖向荷载的传递和路堤的沉降，提出了临界路堤高度。Phutthananon等[14]利用小尺度模型试验结合有限元方法研究了T形水泥土搅拌桩支撑路堤的荷载传递和沉降特性。由于散体桩和水泥搅拌桩复合地基总沉降等于桩身的压缩变形，工程实践中广泛采用以下简化方法来确定复合地基的复合压缩模量Ecs：

式中：m为桩的置换率；Ep为桩的压缩模量；Es为土压缩模量。基于此复合模量可采用分层总和法计算沉降。

（3）组合增强体复合地基沉降预测方法

常见组合增强体复合地基（桩网复合地基和桩筏复合地基）刚度很大，其变形机理与散体桩和水泥搅拌桩复合地基完全不同。在后者的桩土体系中，桩身会明显受到压缩，不会明显穿透覆盖层和支撑层。但桩网复合地基和桩筏复合地基的压缩变形小到可以忽略不计，地基整体沉降主要是由桩插入土体导致的，因此不能采用复合模量法来预测沉降。

基于桩-土相互作用原理，将Boussinesq法和Mindlin法的应力解整合为一种预测桩-网支撑路堤沉降的算法，称为Mindlin-Boussinesq组合算法。Mindlin-Boussinesq联合算法是复合地基中附加应力随深度变化的函数，可用于揭示附加应力的分布和地基沉降规律，且该方法计算的沉降量与工程实践实测结果一致。在实际工程中，高速铁路桩网和桩筏复合地基支承路堤中桩基承台和桩网下方常存在较大的孔洞。在这种情况下，桩基础沉降计算方法（如深大地基法和L/3法）可用于桩网和桩筏复合地基支承路堤的沉降预测。

2.3 高速公路、铁路地基处理稳定研究现状

（1）传统路堤稳定性分析方法

极限平衡法被广泛应用于传统的复合地基支承路堤稳定性分析中，例如瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法等。这种极限平衡法基于处理后的地基同时发生剪切破坏的假定，这对于换填垫层法或者散体桩复合地基是合理的，因为此时地基的组成部分均不具有抗弯刚度进而不产生弯矩[16-17]。我国的公路规范主要采用瑞典条分法进行稳定性计算，根据不同的强度准则，该分析方法可分为总应力法、有效固结应力法和总强度法等。

（2）半刚性桩、刚性桩复合地基稳定性分析方法

复合地基支承路堤下的半刚性、刚性桩可能发生剪切、弯曲、倾覆等多种类型破坏[17-20]。当复合地基呈现弯曲或者倾覆破坏时，传统极限平衡法将不适用。Han[21]通过数值方法研究了水泥土搅拌桩的稳定性，分析了剪切破坏与弯曲破坏相互转换的桩体强度临界值，结果表明：当复合地基强度超过这一临界值时，采用传统的极限平衡法会对稳定性产生明显高估。郑刚等[22]提出了可以反映桩体破坏后性状的本构模型，发现并分析了刚性桩的连续破坏现象，结果表明：刚性桩复合地基支承路堤的桩体并非同时破坏，而是坡肩处的桩体首先发生弯曲破坏，周围的桩体拉应力及弯矩进而变小，引发相邻桩体的连续破坏。随着路堤荷载的增大，坡肩处的桩体在较浅位置发生二次破坏，引发更大范围的连续破坏，最终导致整体失稳。基于这一连续破坏控制稳定性的理念，郑刚等[23]提出了刚性桩复合地基关键桩的概念和非一致设计方法。分别针对桩体发生弯曲破坏及倾覆破坏的工况，提出了分区非等强设计方法（见图2）和分区非等长设计方法[24]，通过提高少数关键桩桩体特性的方法，可有效、经济地提高路堤稳定性。

图2 分区非等强设计方法[23]Fig.2 Non-uniform strength design method

3 国内外典型高速公路、铁路工程

3.1 高速公路工程

（1）日本东京湾高速公路

横贯东京湾的高速公路包括浮岛通道、人工用地、道路、盾构隧道和桥梁工程。挤密砂桩法（SCP）和深层水泥搅拌法（DMM）用于该工程地基处理[25]。

采用直径1.3 m的砂桩，置换率高达30.1%，从而防止置换砂层液化。地层上，一定厚度的弱冲积黏土分布于场地上部。为此，在场地上采用挤密砂桩法，以减少沉降。如图3所示。

林昏晓冷笑了一声，他对我从来都是态度恶劣，因为我一直用十倍于他的恶劣态度对待他。可是不知道为什么，今天林昏晓这种惯有的冷笑声却让我的心格外的紧窒，难受异常。

图3 日本东京湾高速公路挤密砂桩法示意图[25]Fig.3 Schematic diagram of compacted sand pile method of Tokyo Bay expressway in Japan

（2）福建省平潭县万北路

工程地处福建省福州市东南部的平潭综合试验区，场地地势较为平缓，其中分布有大量海相软土。海相软土力学具有高孔隙比、高含水率、低渗透性、低抗剪强度等特性，须进行地基处理以提高地基稳定性。施工场地地层大致分布为：上部是淤泥层；中部为细砂层，含有不均匀泥质；下部主要为粉质黏土层。

针对该工程地质土层特征和工程技术条件，提出并采用水泥搅拌桩-CFG桩组合处理技术，设计并比较了3种不同的桩型布置方案。经过方案比选后，最终选用的方案比最初设计的只采用CFG桩的方案，节省了9%的造价。本项目中水泥搅拌桩-CFG桩多元复合地基的应用发挥出了显著的优势，是一种具有经济效益的先进技术。

（3）京津高速公路

京津高速公路天津段大部分位于软土区，其中相当一部分需要进行特殊的地基处理。对于桥头高填土路基，该项目考虑利用刚、柔性地基桩的各自优势进行处理，从而达到减少路基工后沉降，降低工程造价的目的。

本工程试验段属于高填土路基，这种路基在软土地区工程风险很大。路基两侧的反压护道宽度取6 m，这样的宽度可以保证路基边坡稳定。路基采用混凝土薄壁管桩+水泥搅拌桩的加固方式，如图4所示。其中现浇混凝土薄壁管桩使用了三级过渡的处理方式，在现浇混凝土薄壁管桩的间隙中再打入一根水泥搅拌桩，并且在反压护道区域内采用第三级桩长的现浇混凝土薄壁管桩，显著节约了工程投资[26]。

图4 路基处理示意图[26]Fig.4 Diagram of subgrade treatment

3.2 高速铁路工程

（1）法国Bordeaux-Tours高速铁路

Bordeaux-Tours高铁是属于连接法国和西班牙的LGV South Europe Atlantic SEA铁路项目。其中位于多尔多涅河冲积平原的多尔多涅段，上层地基土为第四纪底土，地层的厚度随场地而变化。土层由厚约3～7 m的软黏土组成，属于高压缩性土，同时存在有机质互层，因此在设计阶段必须考虑蠕变现象。下面的地层由致密的砾石砂和非常坚硬的泥灰岩组成。

Bordeaux-Tours高铁设计商业速度将超过320 km/h。该段现场地基处理方案是设置700个垂直排水板和4 000个CMC桩（Controlled modules columns，模量可控桩）。其次，为增加路堤的水平刚度，在路堤内设置钢丝网板。该高铁路段的剖面图及CMC桩的处理范围如图5所示。

图5 Bordeaux-Tours高铁某段纵向剖面图[27]Fig.5 Longitudinal section of Bordeaux-Tours high-speed railway

CMC桩属于半刚性桩，其桩的材料由浆液、混凝土或胶凝材料、废料（如粉煤灰和矿渣）组成，与周围土体共同形成复合灌浆材料。其复合地基方法主要用于软黏性土、疏松砂、白垩、有机土壤和泥炭的场地。通过CMC桩加固，桩顶部将承受更多的路堤荷载，桩间土的竖向土压力和变形减少，从而达到控制沉降和提高稳定性的目的。CMC的直径一般为300～500 mm，布置间距为1.3～2 m。桩通常是10～20 m长，大直径桩可设置到30 m深[27]。

（2）西班牙高速铁路

为了增加瓦伦西亚、马德里和塞维利亚之间的高速铁路线，Madrid-Seville和Madrid-Levante高速铁路线（HSL）之间设计了一条连接支线。通往瓦伦西亚的线路长5 593 m，通往塞维利亚的线路长5 702 m。

项目区位于托雷洪·德贝拉斯科和耶尔·埃斯基维亚斯镇之间的Guaten河的冲积平原。通过机械钻孔，进行了实地调查研究以便能够正确地确定冲积沉积物的厚度。由于地质历史时期旧河床Manzanares（河水流经马德里）形成，冲积厚度较厚，约为6～12 m，为软黏土。从深度大约15 m以下，在大约24～25 m的深度缓慢增加到10～50 MPa。设计方案采用双排半刚性桩CMC桩进行地基土加固，采用桩径为360 mm，桩间距的布置形式采用1.5 m×2 m，桩长17 m[28]。

（3）宝兰客运专线

位于湿陷性黄土地区的宝兰客运专线，为西部地区横贯陕西省和甘肃省的快速客运系统主骨架之一。线路设计速度为250 km/h，长度1 661.08 m，路堤中心最大填土高度为9 m。地层上部为厚18～23 m的黏质黄土，具有结构疏松、孔隙比大、压缩性高等特征，Ⅳ级严重自重湿陷性，地层下部为砾砂及细圆砾土层。

为确保地基加固方案安全可靠、切实可行、经济有效，工程采用了刚柔性组合桩的设计方案。这种技术利用柔性短桩来解决浅层黄土的湿陷变形问题，利用刚性或半刚性长桩来提高承载力，充分发挥刚柔性组合桩的优势，达到良好的效果。柔性桩采用桩径为0.4 m的水泥土挤密桩，桩间距为1.0 m，处理范围为坡脚外3 m；刚性桩采用桩径0.4 m的CFG桩，桩间距2.0 m，处理范围至两侧坡脚处。组合桩平面采用正方形布置，CFG桩间隔布置，桩孔中心间距是挤密桩的2倍[29]。

本段路基工程2014年4月完成了复合地基施工，本体填筑于7月完成，路基堆载预压施工于9月完成，至2015年12月评估之日，中心组合沉降板累计沉降15.42～69.37 mm（路基本体填筑及堆载预压期间，基底沉降板累计沉降达到90%以上，与设计值基本吻合），预测工后沉降为7.42 mm，满足无砟轨道铺设要求。

4 结论与展望

总结了常见的高速公路、铁路地基处理方式，归纳了软土地基上高速公路、铁路地基处理稳定和沉降的研究进展，得出了以下的结论与展望：

（1）基于高速公路、铁路场地地基的特点，单一地基处理方法和组合地基处理方法得到了创新性发展。换填垫层法出现了冲击压实技术，排水固结法出现了增强式真空预压技术，强夯法出现高能强夯法，复合地基出现了布袋注浆桩以及各种异型桩技术。对于复杂场地，出现了结合不同地基处理技术优势的组合处理技术，比如长短组合桩复合地基、多元复合地基、刚柔性组合桩复合地基等，实现了技术效果和经济效益的平衡。

（2）已有排水固结法的沉降计算方法精度足够工程使用。迫切需要发展一种精度高、效率高的桩网结构基础沉降预测方法。现有的方法中广泛采用了经验因子法，并在软土地区进行了大量的现场试验，得到了这些地区与施工条件相关的经验因素。但是，对于软土地基地区高速铁路地基沉降预测的经验因素仍需积累和探索。

（3）高速公路、铁路地基处理稳定性的分析方法应与潜在破坏模式相匹配。换填置换法和散体桩复合地基以剪切破坏为主，半刚性桩和刚性桩复合地基则可能发生多种破坏形式。其中刚性桩复合地基不同位置加固体对路堤整体稳定性具有不同的贡献程度，针对这种加固体的非一致性提出复合地基关键桩的概念以及相应的设计方法，可提升岩土工程的品质，具有较好的经济效益。

（4）高速公路、铁路地基处理的技术仍有以下问题值得深入研究。现有的桩网复合地基沉降控制仍不理想，应在经济与技术相平衡的条件下进一步发展该技术；应提高复杂工程环境下的精细化沉降控制技术，比如临近已运营线路、上跨或下穿已运营线路的精细化沉降控制技术；路基沉降是个长期问题，路基缺陷的快速修复方法和沉降修复技术是研究热点。