寶蘭客運(yùn)專線路基剛?cè)嵝越M合樁地基處理技術(shù)

張然

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

在濕陷性黃土地區(qū)，剛?cè)嵝越M合樁地基處理技術(shù)利用柔性短樁消除淺層黃土的濕陷變形，利用剛性或半剛性長(zhǎng)樁提高地基承載力，控制路基工后沉降［1］，充分發(fā)揮各類(lèi)樁型的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效果，具有較好的應(yīng)用前景。

地基處理成本高已成為當(dāng)前濕陷性黃土區(qū)客運(yùn)專線路基工程的主要限制因素，這個(gè)問(wèn)題在深厚層強(qiáng)濕陷性黃土區(qū)顯得尤為突出。

剛?cè)嵝越M合樁地基處理措施技術(shù)在國(guó)內(nèi)地基處理領(lǐng)域已有初步研究成果，但目前對(duì)其理論研究已嚴(yán)重落后于實(shí)踐工程。本文依托寶蘭客運(yùn)專線，對(duì)剛?cè)嵝越M合樁復(fù)合地基在濕陷性黃土地區(qū)的理論進(jìn)行完善和深入研究，進(jìn)一步充實(shí)其設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，這對(duì)提高我國(guó)無(wú)砟軌道高速鐵路的地基處理技術(shù)和沉降控制技術(shù)具有重要的意義。

1 剛?cè)嵝越M合樁沉降計(jì)算及設(shè)計(jì)

1.1 沉降計(jì)算方法

剛?cè)嵝越M合樁復(fù)合地基在荷載作用下地基內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律極其復(fù)雜，與應(yīng)力、地基各組成部分的剛度、樁長(zhǎng)比、褥墊層厚度、樁底持力層性質(zhì)等因素［2］相關(guān)，隨著地基埋深增加地基應(yīng)力需要經(jīng)過(guò)多次調(diào)整。工程中應(yīng)用的計(jì)算方法應(yīng)原理清晰、表達(dá)簡(jiǎn)潔并具有一定的安全裕量，為此應(yīng)對(duì)剛?cè)嵝越M合樁地基模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.1.1 條件假設(shè)

在路基柔性荷載作用下，忽略路基剛度與地基剛度差異造成的應(yīng)力重新分布。在考慮擠密樁加固深度范圍內(nèi)土體綜合模量時(shí)，按各組成部分面積置換率加權(quán)平均。忽略在擠密在加固體底面位置與水泥粉煤灰碎石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁底面位置地基應(yīng)力重新分布。地基應(yīng)力分布符合Boussinesq 法，不考慮樁體對(duì)地基中應(yīng)力分布的影響。

1.1.2 計(jì)算公式

復(fù)合地基總沉降s由柔性樁加固區(qū)1 的土層沉降s1、剛性樁加固區(qū)2的土層沉降s2、組合樁以下加固區(qū)3土層沉降s3共3部分組成，總沉降s=s1+s2+s3。

柔性樁加固區(qū)1 采用聯(lián)合模量法計(jì)算，先計(jì)算柔性樁加固體的復(fù)合壓縮模量Ecs1，再通過(guò)承載力比值法考慮剛性樁的影響計(jì)算組合樁復(fù)合地基壓縮模量Ecs2。剛性樁加固區(qū)2 聯(lián)合應(yīng)力比法計(jì)算Ecs2。Ecs1和Ecs2的計(jì)算式為

式中：m為柔性樁復(fù)合地基面積置換率；Ep為柔性樁壓縮模量；Es為擠密后土體壓縮模量；ζ為壓縮模量提高系數(shù)。

柔性樁加固區(qū)1的土層沉降s1計(jì)算式為

式中：Pi為荷載作用下，樁基礎(chǔ)加固區(qū)第i分層土的附加應(yīng)力；Ecs2i為加固區(qū)第i分層土的壓縮模量；hi為加固區(qū)第i分層土的厚度。

同理求出s2，s3。

1.2 工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)結(jié)論

路基荷載較小時(shí)，剛性樁的抗壓強(qiáng)度及承載能力不能充分發(fā)揮出來(lái)，采用剛?cè)嵝越M合樁復(fù)合地基進(jìn)行地基處理既不合理，也不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)荷載超過(guò)200 kPa（路基填高超過(guò)10 m），應(yīng)適當(dāng)增加剛性樁的樁土應(yīng)力比值，以提高剛性樁荷載分擔(dān)比，充分發(fā)揮長(zhǎng)樁減沉作用。

工程設(shè)計(jì)中，剛性樁長(zhǎng)度超過(guò)30 m 時(shí)，減沉效果即不明顯，也不經(jīng)濟(jì)。短樁主要用于加固淺層地基土，在深厚層強(qiáng)濕陷性黃土地區(qū)短樁長(zhǎng)度宜控制在5～10 m，可消除淺層黃土的濕陷性、加固淺層地基土，在一定程度上提高防滲效果。

路基下方呈現(xiàn)出中心凹的沉降盆，由于長(zhǎng)短樁與上部墊層相互作用，樁頂有一定的刺入量，沉降曲線在樁頭部位出現(xiàn)鋸齒狀，增大路基橫向不均勻沉降。因此應(yīng)加強(qiáng)墊層剛度，鋪設(shè)加筋材料，以確保樁土墊層的協(xié)調(diào)變形。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

寶蘭客運(yùn)專線橫貫陜西省和甘肅省，為西部地區(qū)快速客運(yùn)系統(tǒng)主骨架之一。線路設(shè)計(jì)速度為250 km/h，正線及站內(nèi)相鄰到發(fā)線軌道采用CRTS I 型雙塊式無(wú)砟軌道。寶蘭客運(yùn)專線秦安段路基起迄里程為IIIDK808+248.97—IIIDK809+910.05，長(zhǎng)度1 661.08 m，路堤中心最大填土高度為9 m。地層上部為黏質(zhì)黃土，厚18～23 m，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙比大，壓縮性高，Ⅳ級(jí)嚴(yán)重自重濕陷性，下部為礫砂及細(xì)圓礫土層。

2.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)越性

為確保地基加固方案切實(shí)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，在設(shè)計(jì)前充分研究了鄭西客運(yùn)專線、西寶高速鐵路濕陷性黃土地基處理方法。首先單獨(dú)采用柔性預(yù)鉆孔柱錘沖擴(kuò)樁，雖能消除黃土濕陷變形，但壓縮變形沉降不能滿足路基沉降控制要求；其次采用剛?cè)嵝运嗤翑D密樁+CFG 組合樁進(jìn)行沉降檢算，路基工后沉降能滿足無(wú)砟軌道鋪設(shè)要求；最后對(duì)中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司研發(fā)的埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)新措施與剛?cè)嵝越M合樁2 種措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

樁板結(jié)構(gòu)工后沉降檢算值為6.1 mm，剛?cè)嵝越M合樁工后沉降檢算值為13.8 mm，均小于15 mm，都能滿足無(wú)砟軌道路基工后沉降要求［3］。由表1 可知，雖然樁板結(jié)構(gòu)能更有效地控制沉降，但剛?cè)嵝越M合樁經(jīng)濟(jì)性更為突出，最終確定采用剛?cè)嵝越M合樁方案。

表1 剛?cè)嵝越M合樁與樁板結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)比較

2.3 剛?cè)嵝越M合樁設(shè)計(jì)

柔性樁采用水泥土擠密樁，樁徑為0.4 m，樁間距為1.0 m，處理范圍為坡腳外3 m；剛性樁采用CFG樁，樁徑0.4 m，樁間距2.0 m，處理范圍至兩側(cè)坡腳處。組合樁平面采用正方形布置，CFG 樁孔中心間距是擠密樁的2 倍，間隔布置。典型斷面IIIDK808+950 橫斷面布置如圖1所示。

2.3.1 樁間距

水泥土擠密樁主要作用是擠密土體，消除黃土濕陷，樁間距L按式（4）計(jì)算確定。

式中：d為預(yù)鉆孔直徑，0.4m為成樁后樁間土的平均擠密系數(shù)［4］，0.93；ρdmax為輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到的地基土最大干密度，1.76 g/cm3；ρd0為天然地基土的干密度，1.23～1.39 g/cm3。

由式（4）計(jì)算可得，L為 0.95～1.02 m，因考慮CFG 樁采用非擠密成樁工藝長(zhǎng)螺旋鉆施工，樁間距取2.0 m（5倍樁徑），故水泥土擠密樁樁間距取1.0 m。

2.3.2 樁長(zhǎng)及墊層

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的結(jié)論，強(qiáng)濕陷性黃土地區(qū)短樁長(zhǎng)度宜控制在5～10 m，可消除淺層黃土的濕陷性、提高防滲效果，故水泥土擠密樁樁長(zhǎng)取8 m；CFG 樁主要是提高基底承載力，控制路基工后沉降，樁長(zhǎng)穿透下部礫砂并進(jìn)入細(xì)圓礫土層0.5 m，長(zhǎng)19～24 m；組合樁頂部鋪設(shè)1 層6%水泥的改良土墊層，厚1.0 m，墊層內(nèi)水平鋪設(shè)2層雙向土工格柵。

2.3.3 復(fù)合地基承載力

先求出柔性樁復(fù)合地基承載力，再把柔性樁復(fù)合地基看成是組合樁復(fù)合地基的樁間土，以此計(jì)算剛?cè)嵝越M合樁復(fù)合地基承載力［6］。本線采取面積加權(quán)法，根據(jù)剛性樁承載力、柔性樁承載力和樁間土［7］承載力，分別乘以其強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)。

剛?cè)嵝越M合樁復(fù)合地基承載力fspk為

式中：fsk為樁間土容許承載力；m1，m2分別為 CFG 樁和擠密樁的置換率；P1，P2分別為CFG 樁和擠密樁單樁容許承載力，取值分別為192.4，627.6 kN；A1，A2分別為 CFG 樁和擠密樁橫截面面積；β1，β2分別為 CFG 樁和擠密樁間土的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)［8］。

按式（5）計(jì)算得出fspk=265.5 kN，滿足基底以上路基結(jié)構(gòu)承載要求。

2.3.4 路基工后沉降計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的結(jié)論，按照式（1）、式（2）、式（3）對(duì)工點(diǎn)IIIDK808+24 斷面進(jìn)行沉降檢算，沉降修正后計(jì)算結(jié)果為：列車(chē)荷載沉降計(jì)算深度37.0 m，壓縮模量加權(quán)值17.05 MPa，考慮堆載預(yù)壓后總沉降完成92%，得出路基工后沉降計(jì)算值為13.8 mm＜15.0 mm，滿足無(wú)砟軌道鋪設(shè)要求。

4 剛?cè)嵝越M合樁處理效果

4.1 多級(jí)加載條件下復(fù)合豎向位移

沿線路縱向取樣，黃土擠密系數(shù)均大于0.93，濕陷系數(shù)小于0.015，淺層地基黃土濕陷性消除；復(fù)合地基靜載試驗(yàn)分10級(jí)進(jìn)行加載［9］，豎向位移云圖見(jiàn)圖2。可知，最終加載到335.1 kPa（大于設(shè)計(jì)值265.5 kPa）時(shí)，沉降為8.6 mm，小于設(shè)計(jì)值13.8 mm。

圖2 多級(jí)加載豎向位移云圖

4.2 路基工后沉降評(píng)估

本段路基工程2014 年4 月完成了復(fù)合地基施工，7 月完成本體填筑，9 月完成路基堆載預(yù)壓施工，至2015 年12 月評(píng)估之日，中心組合沉降板累計(jì)沉降15.42～69.37 mm（路基本體填筑及堆載預(yù)壓［10］期間，基底沉降板累計(jì)沉降達(dá)到90%以上，與設(shè)計(jì)值基本吻合），預(yù)測(cè)工后沉降為7.42 mm，滿足無(wú)砟軌道鋪設(shè)要求。典型橫斷面中心沉降板觀測(cè)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 IIIDK808+950橫斷面中心沉降板觀測(cè)曲線

4.3 運(yùn)營(yíng)評(píng)價(jià)

寶蘭客運(yùn)專線于2017 年8 月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，運(yùn)營(yíng)速度250 km/h，本段路基狀況良好，列車(chē)運(yùn)行平順［11］，旅客舒適度高。

5 結(jié)論及建議

1）首次提出了地基處理設(shè)計(jì)中工后沉降的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)分析驗(yàn)證該方法具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值，同時(shí)對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)價(jià)值。

2）在處理深厚層濕陷性黃土地基時(shí)，柔性短樁長(zhǎng)度宜控制在5～10 m，可消除淺層黃土的濕陷性、加固淺層地基土，在一定程度上提高防滲效果，同時(shí)為大厚度濕陷性黃土地基處理積累經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。

3）挖方地段路基荷載較小時(shí)，剛性樁的抗壓強(qiáng)度及承載能力不能充分發(fā)揮出來(lái)，采用剛?cè)嵝越M合樁既不合理，也不經(jīng)濟(jì)；當(dāng)荷載超過(guò)200 kPa（路基填高超過(guò)8 m），應(yīng)適當(dāng)增加剛性樁的樁土應(yīng)力比值，以提高剛性樁荷載分擔(dān)比，充分發(fā)揮長(zhǎng)樁減沉作用。