強夯法處理中南部鐵路通道濕陷性黃土路基試驗研究

李璋，李睿

(1．中鐵一局集團有限公司，陜西西安710054;2．西安國際陸港產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西西安710026)

強夯法處理中南部鐵路通道濕陷性黃土路基試驗研究

李璋1，李睿2

(1．中鐵一局集團有限公司，陜西西安710054;2．西安國際陸港產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西西安710026)

依托我國首條30 t軸重重載鐵路——山西中南部鐵路通道，選取代表性地段開展?jié)裣菪渣S土路基強夯加強試驗研究，將所選區(qū)段劃分為多個試夯區(qū)域進行不同參數(shù)試夯，對比試驗區(qū)強夯前后物理力學參數(shù)、黃土濕陷性系數(shù)等的變化。結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)確定強夯施工參數(shù)為:第1遍點夯，夯點間距7 m，點夯3遍，然后滿夯2遍，單擊點夯夯擊能4 000 kN·m，滿夯夯擊能1 000 kN·m，單點夯擊擊數(shù)8擊。該參數(shù)組合應用在中南部鐵路通道路基強夯加固過程中，并取得了較好的效果。

中南部通道;重載鐵路;濕陷性黃土;強夯法;施工參數(shù)

中南部鐵路通道是我國首條按照30 t軸重重載鐵路標準建設的鐵路，其總里程達1 269.84 km，位于全國首位。該線是國家規(guī)劃的大能力運煤通道，是我國八橫八縱鐵路網(wǎng)中的一條重要運輸干線。該鐵路通道橫貫晉豫魯三省，在山西、河南境內(nèi)，濕陷性黃土路基施工處理已成為影響鐵路建設的重要因素。黃土處于天然含水率時一般呈堅硬或硬塑狀態(tài)，具有較高的強度和中等偏低的壓縮性，但遇水浸濕后，有的黃土即使在其自重作用下也會發(fā)生沉陷(稱為濕陷性)，強度也隨之降低。濕陷性黃土受水浸濕后，在一定荷載壓力(指上覆土自重或自重與附加荷載壓力之和)作用下，土的結(jié)構(gòu)迅速破壞并發(fā)生顯著附加下沉［1-2］。因此采用黃土作為建筑物地基時，必須根據(jù)黃土濕陷性強弱程度、地基濕陷類型和濕陷等級，采取恰當?shù)奶幚泶胧?，這是黃土地區(qū)工程設計和施工成敗的關(guān)鍵［3］。本文依托山西中南部鐵路通道工程ZNTJ-11標路基基底處理試驗段，對濕陷性黃土的物理力學性質(zhì)、強夯法處理技術(shù)方案、處理效果評價等問題開展系統(tǒng)的試驗研究。

1 試驗概述

1.1 試驗目的

為確保山西中南部鐵路通道建成后正常運營，必須在大規(guī)模強夯施工前選取代表性地段進行試夯。將試夯區(qū)劃分為多個試驗段，分別采用不同參數(shù)進行試夯，通過分析處治前后路基特性的變化規(guī)律及不同路基加固效果，最終比選出最佳強夯施工參數(shù)來指導大面積施工。其中，試夯參數(shù)包括夯擊能、夯點布置、夯擊遍數(shù)、夯擊次數(shù)、夯點搭接方式等，試驗效果檢測評定方法包括黃土的常規(guī)土工試驗、濕陷性、動力和靜力觸探、沉降數(shù)據(jù)分析等［4］。

1.2 試驗場地

該強夯路基試驗段位于壺關(guān)縣山前平原區(qū)，地勢平坦、開闊，地質(zhì)構(gòu)造簡單，無大的斷裂構(gòu)造。試驗段無地表水，地下水埋深較深，表層黃土濕陷性系數(shù)在0.018～0.024，層厚約為7 m，屬Ⅲ級自重濕陷性黃土。該試驗段里程范圍為DK526+687.95—DK527+ 200.00，全長512.05 m，如圖1所示。強夯施工時對該試驗段進行分區(qū)，現(xiàn)場選取4個強夯試驗區(qū)，各試驗區(qū)面積約為20 m×20 m，各試驗區(qū)間隔20 m左右。

圖1 強夯試驗段平面布置圖(單位:m)

1.3 強夯施工參數(shù)及試驗方案

除濕陷性黃土本身性質(zhì)外，影響強夯法加固地基處理效果的主要因素:夯擊能、單點夯擊次數(shù)、夯點間距、夯擊遍數(shù)、夯點搭接方式等施工參數(shù)［5］。

1.3.1 夯擊能

根據(jù)晉中南路基工程設計與施工要求，本段為濕陷性黃土，要求地基處理深度≤8 m。單擊夯擊能為4 000 kN·m，滿夯夯擊能為單擊夯擊能的1/4，即1 000 kN·m。施工過程中對應的錘重和落距如表1所示。

表1 錘重和落距

1.3.2 單點夯擊次數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場試驗得到的夯擊次數(shù)與夯沉量關(guān)系曲線確定單點夯擊次數(shù)，同時滿足下列條件:

1)最后2擊的平均夯沉量不大于50 mm;

2)夯坑周圍地面不發(fā)生過大隆起;

3)不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難。

實際施工過程中，在保證地基處理質(zhì)量的前提下，盡可能降低單點夯擊次數(shù)，以便加快施工進度，提高工程效益。

1.3.3 夯點間距、夯擊遍數(shù)及夯點搭接方式

結(jié)合以往施工經(jīng)驗得知，在小面積加固時，夯點采用三角形布置會取得更好的夯擊效果［5］，故本段夯點位置采用等邊三角形布置。第1遍夯點間距可取夯錘直徑(D)的2～3倍，第2遍夯點補第1遍夯點空隙，以后各夯點間距適當減少。依據(jù)現(xiàn)場選取的4個強夯試驗區(qū)按以下4種方案施工:方案1，第1遍夯點間距為7 m，點夯4遍，滿夯2遍;方案2，第1遍夯點間距為8 m，點夯4遍，滿夯2遍;方案3，第1遍點夯間距為7 m，點夯3遍，滿夯2遍;方案4，第1遍點夯間距為8 m，點夯3遍，滿夯2遍。

各方案施工作業(yè)時，第2遍補第1遍空隙，第3，4遍，補第1，2遍空隙，夯完后達到錘印彼此搭接。點夯3遍和點夯4遍時平面布置見圖2。

為消除夯擊后表層土剪力破壞的情況，點夯后需用推土機將場地推平，再以低能級1 000 kN·m滿夯2遍，錘印彼此搭接1/4夯錘直徑，以加固前幾遍夯點之間被振松的表層土。

1.3.4 間歇時間

根據(jù)加固土層中孔隙水壓力的消散時間確定強夯各遍的間歇時間。為確保強夯質(zhì)量，施工過程中必須保證各夯擊遍數(shù)間歇時間，并做詳細記錄，杜絕間隔時間未到就強行施工。對于濕陷性黃土，由于地下水位距地表很深，故在正常含水量下，可進行連續(xù)施工。

1.4 試夯前后檢測項目

試夯作業(yè)前后及試夯作業(yè)過程中，必須采集相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，以進行強夯施工參數(shù)對比分析及強夯加固效果分析［6］。

1.4.1 夯前試驗檢測

1)檢測場地平整情況。

2)檢測夯錘的重量和錘底面積。

3)在4個試驗區(qū)各布設1個人工探井，深度為8 m，每個探井分別在0.5，1.5，2.5，3.5，4.5，5.5，6.5，7.0，7.5，8.0 m處取一原狀土樣進行室內(nèi)常規(guī)土工試驗和濕陷性試驗，得到試驗區(qū)黃土的天然含水率、天然密度、顆粒密度、孔隙比、飽和度、塑限、液限及濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)和起始濕陷壓力。

4)在強夯試驗區(qū)布設3個位置，進行連續(xù)動力觸探(標準貫入)試驗，試驗深度為8 m。

1.4.2 夯擊過程中試驗檢測

1)夯錘落距不小于規(guī)定值16 m，落點誤差不得大于25 cm(夯錘直徑D的0.1倍)。

2)控制單位時間內(nèi)夯擊面積和間歇時間。

3)夯擊全過程要記錄每一夯點的起止時間、單位夯擊能、夯擊次數(shù)、夯沉量。

4)最后2擊的平均夯沉量不大于50 mm，低能級滿夯搭接不得小于1/4D夯錘直徑。

1.4.3 夯后試驗檢測

與1.4.1夯前試驗檢測3)，4)內(nèi)容一致，分別進行室內(nèi)常規(guī)土工試驗、濕陷性試驗和連續(xù)動力觸探(標準貫入)試驗。

圖2 夯擊點平面布置

2 強夯實驗結(jié)果分析

2.1 強夯前后黃土地基力學性質(zhì)對比

試驗區(qū)黃土地基均為輕微或中等濕陷性黃土，層厚約7 m，適宜采用強夯法施工［7］。強夯前后分別在4個試驗區(qū)取原狀土樣，進行室內(nèi)常規(guī)土工試驗和濕陷性試驗，對比試夯前的黃土力學性質(zhì)，分析4種強夯方案的加固效果及優(yōu)劣。

經(jīng)過現(xiàn)場測試得到強夯前后地基黃土濕陷性系數(shù)，如圖3所示。

圖3 強夯前后地基黃土濕陷性系數(shù)

由圖3可知，試夯前試驗1區(qū)黃土濕陷性系數(shù)平均值為0.032 4，試夯后降低為0.010 9;試夯前試驗2區(qū)黃土濕陷性系數(shù)平均值為0.037 3，試夯后降低為0.010 0;試驗3區(qū)黃土濕陷性系數(shù)平均值為0.027 7，試夯后降低為0.010 6;試驗4區(qū)黃土濕陷性系數(shù)平均值為0.027 8，試夯后降低為0.008 3。通過對比4個試驗區(qū)試夯前后地基黃土濕陷性系數(shù)可知，強夯后地基土8 m深度范圍內(nèi)濕陷性系數(shù)＜0.015，地基濕陷性基本消除。

經(jīng)過現(xiàn)場測試得到強夯前后地表黃土壓縮模量，如圖4所示。

圖4 強夯前后地基黃土壓縮模量

由圖4可知，在不同深度條件下，4個試驗區(qū)強夯后地基黃土壓縮模量較夯前分別提高了34%～159%，30.7%～113.4%，104.6%～311.2%和20.1%～187.8%，壓縮模量均顯著增大，強夯加固效果明顯。

由圖3、圖4可知，強夯后地基黃土濕陷性已消解且黃土壓縮模量有所提高，均滿足施工要求。

2.2 夯沉量與單點夯擊擊數(shù)的關(guān)系

在強夯加強過程中記錄了每一夯點的起止時間、夯錘頂標高，分別選取4個試驗區(qū)內(nèi)具有代表性的夯點，通過計算可得夯擊擊數(shù)與夯沉量之間的關(guān)系，如表2所示。將表2中數(shù)據(jù)繪制成單點夯擊擊數(shù)與夯坑沉降量的關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5可知，隨著夯擊的不斷進行，每擊的沉降量逐漸減少，最后逐漸趨于穩(wěn)定，第7夯和第8夯每擊沉降量均為5 cm以下，達到了驗收標準。在試驗4區(qū)中，沉降曲線并不是平順遞減，而在某些夯擊點出現(xiàn)了跳躍現(xiàn)象，這是由于土體的塑性特性導致其在沖擊荷載作用下呈非線性的變化規(guī)律，以及在現(xiàn)場夯錘施工時出現(xiàn)了落地傾斜誤差［8］。根據(jù)單點夯擊擊數(shù)與夯坑沉降量關(guān)系曲線(參見圖5)可得，本段路基強夯單點夯擊擊數(shù)定為8擊，此時已滿足驗收標準。

表2 夯擊擊數(shù)與夯沉量關(guān)系cm

圖5 夯擊擊數(shù)與夯沉量關(guān)系曲線

2.3 強夯試夯方案評估

綜合對比4個試驗區(qū)強夯前后地基黃土濕陷性系數(shù)、黃土壓縮模量、夯擊擊數(shù)與夯沉量關(guān)系等參數(shù)，并結(jié)合實際工程施工進度分析，本次強夯試驗采用方案3(第1遍點夯間距為7 m，點夯3遍，滿夯2遍)施工最為合理，且單點夯擊擊數(shù)定為8擊。強夯加強后8 m深度范圍內(nèi)黃土濕陷性系數(shù)均＜0.015，地基黃土壓縮模量較夯前提高了104.6%～311.2%。

3 結(jié)論

選取山西中南部鐵路通道具有代表性的地段開展強夯加強試驗研究，并將所選區(qū)段劃分為多個試夯區(qū)域。通過分析試驗結(jié)果可知，最終確定最佳強夯施工參數(shù)為第1遍點夯間距7 m，點夯3遍，滿夯2遍，單擊點夯夯擊能4 000 kN·m，滿夯夯擊能1 000 kN·m，單點夯擊擊數(shù)8擊。強夯加強后8 m深度范圍內(nèi)黃土濕陷性系數(shù)、地基黃土壓縮模量均滿足設計要求。將本次試驗研究所得強夯施工參數(shù)在山西中南部鐵路通道予以應用，取得了較好的工程效果。

［1］錢鴻縉，王繼唐，羅宇生，等．濕陷性黃土地基［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985．

［2］劉祖典．黃土力學與工程［M］．西安:陜西科技出版社，1996．

［3］中華人民共和國建設部，中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

［4］張海燕，馮衛(wèi)東．強夯法處理Ⅱ級自重濕陷性黃土的施工技術(shù)［J］．鐵道標準設計，2002(6):20-21．

［5］中國工程建設標準化協(xié)會．CECS 279:2010強夯地基處理技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國計劃出版社，2010．

［6］王廷?。剌d鐵路濕陷性黃土路基工程施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2014(12):81-86．

［7］呂秀杰，龔曉南，李建國．強夯法施工參數(shù)的分析研究［J］．巖土力學，2006(9):1628-1632．

［8］張佳璐．強夯法在地基處理工程中的應用［J］．鐵道建筑，2009(6):88-90．

Experimental Study on Treatment of Collapsible Loess Subgrade of Central-South Railway Corridor with Dynamic Compaction Method

LI Zhang1，LI Rui2
(1．China Railway First Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710054，China;2．Xi'an International Port Land Landscape Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710026，China)

Based on a newly built heavy haul railway with 30 t axle load on Shanxi central-south railway corridor in China，the representative test area was selected and carried out for dynamic compaction strengthen research．T he area was divided into several regions with different parameters for dynamic compaction test．T he variation of physical mechanical parameters and the coefficient of collapsible loess before and after dynamic compaction in the test area were compared in this paper．Combined with the field test data，the dynamic compaction construction parameters were determined．T he first time compaction spacing of single point is 7 m，local compaction three times，then full compaction two times．Single point compaction energy is 4 000 kN·m，full compaction energy 1 000 kN·m，and single point eight times．T he parameters were adopted in central-south railway corridor and achieved good results．

Central-south railway corridor;Heavy haul railway;Collapsible loess;Dynamic compaction method; Construction parameter

TU444;TU472．3+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．18

1003-1995(2016)12-0065-04

(責任審編鄭冰)

2016-07-06;

2016-10-31

李璋(1980—)，男，高級工程師。