软土地基上的铁路桥梁桩基变形控制技术研究

杨吉利

摘要：在软土地基上架设铁路桥梁，桩基易出现沉降和水平变形，会对铁路运营产生很大的影响。鉴于此，从施工方面入手，针对桩基变形控制技术进行实践研究，通过改变堆载工况、改变软土地基的处理方法和采取应力隔离措施，设计了一套适用于软土地区铁路桥梁桩基变形控制措施，以期为业内同类地质条件下铁路桥梁桩基变形控制提供参考。

关键词：软土地基；桩基；沉降；水平变形

0   引言

在铁路桥梁的施工中，许多工程需要在软土地基上进行。软土地基是指强度低、压缩量较高的软弱土层，其抗剪强度低、透水性低、压缩性差，同时具有触变性、流变性以及不均匀性等特点，且在动力荷载作用下易液化，容易给铁路工程带来较大危害[1]。

桩基具有较高的承载能力，可以承载竖直荷载，也可以承载竖直荷载，是最常用的深基础应用形式。其由承台和埋在土中的单桩或桩群组成，通过桩杆将荷载传递到深层土体或侧向土体，可以将建筑物的荷载全部或部分传给地基土或岩层，具有一定刚度和抗弯能力。通过桩基能够为软土地基中添加附加荷载，孔隙较大的软土可以排除孔隙水，使孔隙比变小，产生固结，从而有效控制地基变形[2]。

软土地区的铁路主要采用桥梁形式，桥梁桩基础大多采用钢筋混凝土桩，为此对铁路桥梁桩基的变形进行控制，在铁路设计和施工中就显得尤为重要。鉴于此，本文从施工方面入手，针对桩基变形控制技术进行实践研究，通过改变堆载工况、改变软土地基的处理方法和采取应力隔离措施，设计了一套适用于软土地区铁路桥梁桩基变形控制措施，以期为业内同类地质条件下铁路桥梁桩基变形控制提供参考。

1   工程概况

研究的铁路段位于沿海某市，项目所在地地貌类型为冲积平原，地形较开阔、平坦。铁路线路以填方通过，堤身中心最大填方高度约为5.5m，考虑地基的工后沉降，在地基的每侧加宽0.3m，并设2.5m宽的反压护道。

项目场地的地层结构主要包括粉质黏土、淤泥质粉质黏土、卵石以及风化岩层。粉质黏土呈黄褐色，软塑状态，其中包含较大的石块以及细砂，分布较松散，整体厚度在0.9～5.2m之间。

淤泥质粉质黏土呈灰褐色，处于饱和及流塑状态，粘性较高，整体厚度处于4.5～8.6m之间。卵石层呈浅灰色，材质饱和中密，成分以石英长石为主，微风化，形状多为压圆形，在卵石间分布有不均匀的砂、砾石和黏土，具有较差的分选性和与良好的级配性，卵石的粒径在2.5～5.0cm之间，厚度处于7.9～15.4m之间。风化岩层呈灰黄色，质地硬塑且局部坚硬，厚度在7.5～14.3m之间。项目场地没有发现明显的地质构造，且没有活动性断裂，该区域地下水为第四孔隙潜水，主要受大气降水补给，地下水深埋小于0.8m。

2   铁路桥梁桩基变形控制技术要点

为了保证铁路运营的安全，有必要对软土地基上铁路桥梁桩基的变形采取控制措施，通常从变形来源和变形传递路径两个方面施行。通过变形来源控制时，需要找到合理的施工方案来控制不同荷载条件和不同地基处理方法下的土体移动。通过变形的传递路径控制时，需要对铁路桥梁桩基与堆载工程间的土体进行不同程度的加固处理，以隔离土体应力的传递，避免土体的进一步移动[3]。本文通过改变堆载工况、改变软土地基处理方法和采取应力隔离措施三个步骤，对桩基变形进行控制。

2.1   监测仪器的埋设

采用的监测仪器包括CX-03E型斜侧仪、ZXY-2型频数读数仪、TC402型全站仪、AT-G1型水准仪、SJ-92型水位仪、CYJ-80型沉降仪和孔隙水压力计。埋设步骤按埋设沉降板、埋设斜侧管、边桩埋设、埋设分层沉降仪、埋设孔隙水压力计进行。

埋設沉降板时，若使用真空预压法，需将保护罩包在沉降板底座，并将其放在真空膜上。若不使用真空预压法，需在填筑第一层地基之前埋设沉降板。埋设测斜管时，需要在测斜管内注满清水，防止测斜管浮起，并及时对测斜管的导槽指向进行检查和修正。埋设边桩时，需要控制埋设深度和露出地面的高度，且同一监测断面的边桩需要埋设在同一横轴线上。埋设孔隙水压力计时采取单孔单只方法，使用静力触探仪压入直至到达预定深度。

2.2   改变堆载工况

堆载工程中铁路变形的原因较多，其中，堆载边缘到承台外边缘的距离和荷载等级两种因素是可以控制的。因此，研究通过调整堆载边缘到承台外边缘的距离和荷载等级，以进行桩基变形控制。采用的位移监测资料从工程实践中获得。

根据位移监测资料中的土体水平位移数据，通过两阶段分析法，计算邻近桩基的水平位移如式（1）所示。

式中：{yi}表示桩基中某一根桩的位移，{yij}表示其他桩遮拦效应在桩i处产生的遮拦位移[4]。

根据土体类型对数据进行统计处理，从而获得堆载边缘到承台外边缘的距离以及荷载等级与桩基水平位移之间的关系。将该关系作为变形控制条件，选择符合变形控制要求的荷载等级，或堆载边缘到承台外边缘的距离，得出桩顶水平位移和荷载等级的线性方程，以及桩顶水平位移和堆载边缘到承台外边缘距离的方程。最后利用桩顶水平位移限定值，求出对应堆载边缘到承台外边缘的距离及荷载等级。

2.3   改变软土地基的处理方法

2.3.1   基本处理方法分析比较

软弱地基的基本处理方法主要有5种，包括堆载预压法、真空预压法、水泥桩搅拌法、换填垫层法、强夯法以及加筋法。其中：堆载预压法所需工期较长；水泥搅拌桩法进行加固需要的成本较高，且处理深度有限；换填垫层法在土层厚度较大时会增加工程成本；强夯法处理深层难以达到压密的效果，加固会受到限制；加筋法需要考虑埋设方式和数量。真空预压法是在需要加固的软土地基内设置砂桩或塑料排水板，一般使用真空预压法。

2.3.2   真空预压法和砂桩联合堆载处理要点

设置塑料排水板是将插板机插入软土地基，在上部预压荷载作用下，软土地基中孔隙水由塑料排水板，排到上部铺垫的砂层或者水平塑料排水管中，由其他地方排出，以加速软体地基固结。其不足之处在于，使用该方法土体会产生较大的水平变形。

砂桩可用于加固松散砂土和人工填土类地基，其可以取代部分软土。砂桩的强度比软土的强度更高，软土和砂桩形成的复合地基承载力也比天然地基承载高，在相同荷载下地基的沉降值较小。砂桩的渗透系数较大，能够加速孔隙水的排出，为此使用塑料排水板和砂桩联合堆载处理软土地基，具体布置如图1所示。

由图1可知，在软土地基中增加砂桩，构成砂桩复合地基，能够在一定程度上增加土体的强度，减少地基沉降量，同时能够加快固结排水速率，加快地基的固结沉降速率，提高地基承载力，加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。

2.3.3   应力隔离措施

在软土地区进行施工时，大面积堆载条件下地基会产生变形，从而导致堆载区域周围的构筑物发生变形，影响其正常运行，为了避免出现此问题，需要采取必要的应力隔离措施。采取应力隔离措施，能够减小堆载产生的地基附加应力相互重叠，有效减少堆载工程对铁路桥梁桩基的影响。

应力隔离包括控制堆载距离、施工速度、应力隔离桩3种方法。隔离桩在基坑和铁路工程中使用较多，其能够提高土体的抗剪能力及桩身提供的桩侧阻力，同时能够限制桩后土体变形发展，降低作用在围护结构上的土压力和相邻构筑物的沉降。使用隔离桩时加固区位置如图2所示。

由图2可知，通过在堆载区域和桩基之间设置加固区，使邻近建筑物堆载各自产生的地基附加应力隔开，降低了大面积堆载对邻近构筑物的影响，不仅能够保护邻近构筑物的安全，同时保证了工程施工的安全性。应力隔离桩的隔离效果与桩径和桩之间距离有关。需在地基中设置横向排桩，以提高桥梁水平方向的抗弯能力，进一步减小桩基的水平位移。

3   实际施工效果分析

3.1   砂桩处理效果

桩基础为钢筋混凝土结构，将泊松比设为0.2，桩按弹性梁单元计算。设置塑料排水板的插入深度为25m，当砂桩的处理深度分别设为10m、15m和20m时，得到堆载区域的铁路桥梁桩基水平位移变化如图3所示。

从图3可以看出，当无砂桩时，桩基最大水平位移为21.5mm。当砂桩深度为10m时，桩基最大水平位移为17.5mm。当砂桩深度为15m时，桩基最大水平位移为12.5mm。当砂桩深度为20m时，桩基最大水平位移为7.5mm。分析认为，随砂桩处理深度的增加，桩基水平位移减小，说明固定塑料排水板的深度时，砂桩深度越大，铁路桥梁桩基的水平位移越小。

3.2   水泥樁搅拌法处理效果

可采用水泥桩搅拌法在桩基与堆载区域中间位置进行加固。设置桩基和加固区域之间的距离为6m，加固区深度与软土层厚度相等，软土层厚度为25m，将加固宽度设置为16m、20m、24m。当桩荷载面积较大时，土体受影响的面积和变形也较大。如果加固范围较小，则不能有效隔离土体，因此加固宽度应从16m开始。

当加固宽度增加时，桩体水平位移减小，但减小程度有限。由于在软土地基上进行工程建设，当在后方进行土体加固时，地基的侧向抗力系数提升有限。而在前方加固，则能够较好地隔离土体附加水平应力。桩基前不同加固宽度下桩基的水平位移如图4所示。

由图4可知，当桩基前加固宽度为16m时，桩基最大水平位移为10mm。当桩基前加固宽度为20m时，桩基最大水平位移为8.3mm。当桩基前加固宽度为24m时，桩基最大水平位移为7.6mm。由此表明，在桩基前方进行土体加固的效果较好。

虽然在桩基变形控制中，水泥桩搅拌法控制效果比较好，但是当加固厚度较大时，施工所需要耗费的时间较长。同时，利用水泥桩搅拌法进行工程建设时，设计方法比较保守，置换率会比较高，桩体的设计强度取值在0.6MPa以下。

3.3  水泥土搅拌桩与混凝土灌注桩混合加固处理效果

灌注桩作为桩基加固的一种方式，通过打桩在加大地基的承载能力的同时，也能抵抗土方侧压力，防止土方位移。灌注桩具有较好的围护作用，但是软土地质下进行灌注桩施工，容易在钻孔过程中出现缩径、淤泥坍塌封堵孔径、断桩、桩身出现孔洞及钢筋笼上浮等问题。鉴于此，采用水泥土搅拌桩和混凝土灌注桩混合加固的方式，限制土体的水平位移。

设置水泥土的加固深度为25m，混凝土灌注桩的半径为0.75m，灌注桩的长度为40m，将桩与桩之间的距离设置为3.5m。在不同混合加固方式下桩体的水平位移如图5所示。

由图5可以看出，当灌注桩为3排、水泥土搅拌桩加固区域为9m时，桩体水平位移为9.7mm。当灌注桩为5排、水泥土搅拌桩加固区域为15m时，桩体水平位移为6.2mm。由此说明，随加固区域厚度和混凝土灌注桩的增加，桩体的水平位移呈减小的趋势。且桩基前方加固效果比在桩基后方加固效果更好。灌注桩在加固时，将混合桩和地基下部的硬土层紧密地连在一起，使土体的水平位移减小，从而限制了桩基变形。但综合来看，使用混凝土灌注桩和水泥土搅拌桩混合的加固方式，铁路桩基的变形仍然较大。

3.4   咬合混凝土灌注排桩加固处理效果

桩的长度和半径不变，沿铁路桥梁的走向分布，两端比承台的外边缘均宽1m，同时在横向也设置排桩，以提高桥梁水平方向的抗弯能力。将排桩从一排开始递增，进行3组实验，加固宽度分别设为3m、6m、9m、12m、15m。

进行模拟实验时，按照刚度等效的原则设置板墙的厚度，将厚度设为lm。当排数不同时，从1排桩开始，依次增加2排桩与3排桩，横向排桩的加固宽度设置为5.5m。不同排桩数和不同横向加固宽度下桩体水平位移如图6所示。

由图6a可知，当排数为1时，桩身水平位移为10.0mm。当排数为2时，桩身水平位移为9.8mm。当排数为3时，桩身水平位移为9.0mm。随排数增加，桩身水平位移呈减小的趋势但减小幅度较小。由此说明，增加沿桥梁走向混凝土灌注排桩数，对桩身水平位移的控制效果不明显。

由图6b可知，距离堆载区50m位置处的桩顶水平位移减小到10mm以下。由图6c可知，随横向加固宽度的增加，桩体水平位移迅速下降，虽然下降速度逐渐变慢，但横向宽度较大时，桩体的水平位移已经控制在较小范围。

由图6d可知，当横向加固宽度为3m时，桩身水平位移为17mm。当横向加固宽度为6m，桩身水平位移为10mm。当横向加固宽度为9m时，桩身水平位移为7mm。当横向加固宽度为12m时，桩身水平位移为6mm。当横向加固宽度为15m时，桩身水平位移为4.5mm。由此说明，随横向加固宽度增加，铁路桥梁桩基铁路的水平变形呈减小趋势，增加横向加固宽度能够有效控制铁路基桩变形。

4   结束语

铁路桥梁桩基变形控制技术研究是当前铁路施工中亟需解决的难题，为有效控制软土地基上桩基的沉降和水平位移，本文首先通过改变堆载工况，预防桩基础的沉降。然后通过改变软土地基处理方法和采取应力隔离措施，来减小桩基的水平位移。最后在地基中设置横向排樁，以进一步减小桩基水平位移。

研究结果显示，在塑料排水板和砂桩联合堆载处理软土地基中，固定塑料排水板的深度与桩基水平位移关系密切。当砂桩深度为20m时，桩基最大水平位移为7.5mm，说明随砂桩处理深度的增加，桩基水平位移减小。在桩基前不同加固宽度下，当桩基前加固宽度为24m时，桩基最大水平位移为7.6mm，表明在桩基前方进行土体加固的效果较好。

在不同混合加固方式下，当灌注桩为5排、水泥土搅拌桩加固区域为15m时，桩体水平位移为6.2mm，说明随加固区域厚度和混凝土灌注桩的增加，桩体的水平位移减小。在不同横向加固宽度下，横向加固宽度为15m时，桩身水平位移为4.5mm，说明在地基中设置横向排桩能够有效控制桩基水平变形。

参考文献

[1] 杨国宝，徐申力，王大可，等.不同加载速率和地基处理方式下软土地基稳定性的研究[J].能源与环保，2022，44（11）：273-277.

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[3] 张志燕.桥梁桩基础加固设计中存在的问题及解决措施[J].交通世界，2021（9）：22-23.

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