高速鐵路路基下伏軟土層復(fù)合地基處理技術(shù)研究

梁云超、董超月

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京100070）

0 引言

當(dāng)前隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，普通的鐵路已無(wú)法滿足現(xiàn)階段的社會(huì)發(fā)展，高速鐵路的發(fā)展勢(shì)在必行，國(guó)家也在積極規(guī)劃高速鐵路的建設(shè)。而軟土層是高速鐵路建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到的地質(zhì)條件，尤其是我國(guó)東部沿海地區(qū)，軟土分布非常廣泛，但高速鐵路負(fù)載很大，軟土層無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效承載，易引發(fā)路基沉降，進(jìn)而發(fā)生危險(xiǎn)，對(duì)此各鐵路建設(shè)工程人員都在深入研究軟土層復(fù)合地基處理技術(shù)，為高速鐵路的建設(shè)提供非常重要的支撐。

1 軟土層的概念

通常情況下，把含有有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)的細(xì)粒土，稱之為軟土，其厚度在幾米和數(shù)十米之間，通常分布在我國(guó)的沿海以及沿湖區(qū)域內(nèi)，在水中沉積而形成的，包括淤泥、泥炭、淤泥質(zhì)粉土等類型，其特點(diǎn)主要是空隙大、強(qiáng)度低以及含水量高等，無(wú)法有效承載較大的壓力。根據(jù)其形成原理可以分為四種：其一，濱海沉積，分為濱海相、潟湖相、溺谷相以及三角洲相，重要是臨近海水區(qū)域，受到海水、潮汐、波浪、海浪等作用下沉積而成，其土質(zhì)顆粒微小，孔隙比較大，含水豐富，強(qiáng)度低下；其二，湖泊沉積，從字面意思上可得知其主要是湖泊水中沉積形成，多出現(xiàn)于內(nèi)陸淡水和咸水盆地，多為粉砂顆粒，具有一定的層理性，但結(jié)構(gòu)松軟，其厚度多為10cm 左右；其三，河灘沉積，其沉積形成是河流所致，由于我國(guó)的多數(shù)河流受季節(jié)影響較大，因此形成情況相對(duì)復(fù)雜，且成分存在差異，具體的厚度和走向存在一定變化，多是砂石和泥炭組成，厚度則相對(duì)較低；其四，沼澤沉積，通常情況下，當(dāng)?shù)叵滤虻乇硭判共豁槙硶r(shí)，就會(huì)在區(qū)域內(nèi)形成沼澤地，長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)造成軟土沉積，其特點(diǎn)為位于地表之上，存在淤泥層以及泥炭層等。通常情況下，軟土層的形成多是長(zhǎng)時(shí)間累積所致，不同的環(huán)境下形成的軟土層，其物理特性并不相同，需要對(duì)其進(jìn)行深入的分析，才能設(shè)計(jì)出合適的處理方案，從而提升路基的承載效果。

2 軟土層地基的危害

現(xiàn)階段我國(guó)的高速鐵路速度已經(jīng)領(lǐng)先于世界，尤其是客運(yùn)高鐵速度可達(dá)380km/h，如此高的運(yùn)行速度對(duì)鐵路路基要求極高，倘若在勘探期間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軟土層存在，未在施工前進(jìn)行合理的處理，在施工過(guò)程中再對(duì)其進(jìn)行處理，則會(huì)影響正常的施工進(jìn)程，產(chǎn)生較大損失[1]。若沒(méi)有針對(duì)軟土層進(jìn)行完善的處理，則會(huì)引發(fā)工程質(zhì)量問(wèn)題，給高速鐵路的運(yùn)行產(chǎn)生危險(xiǎn)。此外，不同類型軟土層，其厚度以及分布也會(huì)不同，為勘察人員提供了一定的難度。但是為了高速鐵路的安全運(yùn)行，需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)沿途進(jìn)行深入勘察，確定軟土層的詳細(xì)情況，同時(shí)針對(duì)具體的類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。未對(duì)軟土層地基進(jìn)行有效處理，會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法承受高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中的巨大壓力，進(jìn)而產(chǎn)生流動(dòng)性，致使路面沉降問(wèn)題的出現(xiàn)，鐵軌因而出現(xiàn)形變，當(dāng)列車行駛在此路段上之時(shí)，會(huì)引發(fā)較為嚴(yán)重的后果，因此其危害是不容小覷的[2]。

鐵路路堤以及涵洞橋梁軟土路基的危害，高速鐵路路堤雖然不是鐵軌的承載者，但是若未對(duì)其軟土路基進(jìn)行有效處理，會(huì)因?yàn)楦哞F運(yùn)行的高負(fù)荷之下，路堤會(huì)出現(xiàn)向外隆起的情況，致使整體的路基出現(xiàn)下陷開(kāi)裂，影響正常的列車運(yùn)行安全，嚴(yán)重的則可能引發(fā)路基坍塌，危害列車運(yùn)行。當(dāng)涵洞或橋梁的地基位于軟土層之上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋墩下陷以及涵洞墻壁開(kāi)裂、凹陷等問(wèn)題，涵洞以及橋梁的主體結(jié)構(gòu)遭受很大影響，無(wú)法承受原有的負(fù)荷，引發(fā)坍塌等問(wèn)題[3]。

3 復(fù)合地基的概念以及特點(diǎn)

將天然地基中的部分土體進(jìn)行增強(qiáng)或置換，進(jìn)而形成人工地基。這樣的地基類型就被稱為復(fù)合地基，現(xiàn)階段我國(guó)的高速鐵路針對(duì)軟土層處理的復(fù)合地基，主要是采用了樁－網(wǎng)復(fù)合地基，其原理是首先在軟土層中設(shè)置豎直向上的增強(qiáng)體，此謂“樁”，然后再在軟土層的上部設(shè)置水平方向的增強(qiáng)體，此為“網(wǎng)”，如此一“樁”一“網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)下，可以增強(qiáng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的承載力。不過(guò)該方法中的“樁”和“網(wǎng)”并非特指具體的承載結(jié)構(gòu)，而是一系列承載手段的統(tǒng)稱，是一種理念，而且該結(jié)構(gòu)中還有一個(gè)不可或缺的主體就是“土”，三者缺一不可。因此無(wú)論是設(shè)計(jì)、施工，都不可忽視這三者的協(xié)同作用，只有將三者充分利用起來(lái)，才能獲得優(yōu)良的承載效果，其優(yōu)點(diǎn)主要有四點(diǎn)：

其一，具有良好的排水、防護(hù)等綜合效果。

其二，該方法的運(yùn)用可提升施工便利性。

其三，可以充分控制該結(jié)構(gòu)的沉降。

其四，降低工程成本。由于樁－網(wǎng)復(fù)合地基的眾多優(yōu)點(diǎn)，令其具有非常廣泛的運(yùn)用場(chǎng)景，眾多鐵路、公路、堤壩等施工中都運(yùn)用了該方法，不過(guò)該方法的原理相對(duì)較為復(fù)雜，一些研究尚未成熟，且與設(shè)計(jì)人員的能力具有很大關(guān)系，因此相關(guān)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)水平，對(duì)復(fù)合地基的具體效果具有較大影響。

4 高速鐵路路基下伏軟土層復(fù)合地基處理技術(shù)

4.1 CFG 樁處理方法

當(dāng)前我國(guó)針對(duì)軟土層的復(fù)合地基處理技術(shù)中經(jīng)常用到的“樁”為CFG 樁，即混凝體類樁，這類樁體的研究是由我國(guó)科學(xué)研究院提出的，于1988年立項(xiàng)并進(jìn)行運(yùn)用，1994年成為全國(guó)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，由于其成本低、工期短、便于控制工程質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到多種建筑工程中，例如高層建筑、高速公路以及高速鐵路等復(fù)合地基建設(shè)，其加固機(jī)理是利用樁柱特性和擠密雙重作用，首先，CFG 樁體的成分，在承受相應(yīng)負(fù)荷的情況下，其壓縮性要比軟土層小，復(fù)合地基的附加應(yīng)力轉(zhuǎn)移到樁體之上，有效降低地基沉降問(wèn)題，而且CFG 樁體的復(fù)合地基變形小，促使地基沉降穩(wěn)定，然后在進(jìn)行CFG 樁體施工之時(shí)，會(huì)對(duì)周圍的軟土層產(chǎn)生振動(dòng)和擠壓，從而達(dá)到“擠密”的效果，讓其整體效果得到提升，其綜合承載力獲得提升。其次，CFG 樁體施工過(guò)程中的排水作用，當(dāng)樁體在飽和的軟土層施工過(guò)程中，沉管和拔管所產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)讓相應(yīng)土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，改善土層中水含量，提升地基的物理作用，樁體承載力獲得提升。最后是墊層作用，CFG 樁復(fù)合地基與傳統(tǒng)的樁基存在不同，傳統(tǒng)的樁基會(huì)與土層基礎(chǔ)直接接觸，長(zhǎng)期使用之后，會(huì)產(chǎn)生一定的沉降，影響其承載力，而復(fù)合地基，則擁有顆粒材料組成的散體墊，通過(guò)這些材料的流動(dòng)補(bǔ)償，讓地基土強(qiáng)度獲得補(bǔ)償增強(qiáng)，提升其整體效果。

4.2 置換或灌入固化物處理方法

置換形成復(fù)合地基的處理方法，是運(yùn)用物理性質(zhì)良好的巖土材料置換掉軟土層中的部分或全部土體，進(jìn)而促進(jìn)地基的承載力，降低沉降。該方法的運(yùn)用主要針對(duì)軟土層厚度較低，長(zhǎng)度較小者。倘若軟土層的厚度較大，則適用于灌入固化物的方法，該方法是指在軟土層中灌入或拌入一些化學(xué)固化漿，例如水泥、石灰等，進(jìn)而在軟土層中形成增強(qiáng)體，令其擁有良好的承載力，目前純粹的置換和灌入固化物方法已經(jīng)摒棄，轉(zhuǎn)而將兩者合二為一，使其得到更加廣泛地運(yùn)用，且效果較為良好。根據(jù)不同的機(jī)理，可以將其分為三類。

其一，整體置換和局部置換。倘若地面軟土層擁有良好的平面范圍，且深度和長(zhǎng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，則可以將其全部挖出，然后整體置換成為其他物理性質(zhì)良好的土質(zhì)，局部置換則是將一定深度的軟土層進(jìn)行挖出，或者進(jìn)行打樁擠開(kāi)，然后運(yùn)用物理性質(zhì)良好的材料進(jìn)行填充，進(jìn)而形成較好的承載力。

其二，靜力置換和動(dòng)力置換。靜力置換即換填，是將軟土層中的軟土挖掘出來(lái)，然后使用品質(zhì)良好的土質(zhì)進(jìn)行回填，而動(dòng)力置換則是使用夯錘等機(jī)械設(shè)備將物理性質(zhì)良好的土質(zhì)夯入上層地基當(dāng)中，達(dá)到置換的目的，該方法的運(yùn)用范圍可以是全部或是局部軟土層。

其三，物理置換和化學(xué)置換。物理置換下，軟土層僅發(fā)生物理變化，例如含水量的減少，減少其流動(dòng)性，增加承載力量，化學(xué)置換，則是利用水泥、石灰等材料，加入軟土層當(dāng)中，增加其硬度，增強(qiáng)承載力。

4.3 振密、擠密法

通常情況下，針對(duì)軟土層所具有的空隙大、流動(dòng)性良好等特點(diǎn)，可使用振密擠密法，該方法的原理是利用振動(dòng)或擠壓，讓地基密度升高，進(jìn)而提升其承載力以及減少沉降，目前運(yùn)用該方法的處理方式主要有原位壓實(shí)法、強(qiáng)夯法、擠密砂石柱以及爆破擠密法等。

其一，原位壓實(shí)法是指運(yùn)用大型壓路設(shè)備，在軟土層之上進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)，將軟土層空隙進(jìn)行充分減小，增加承載力，這種方法的運(yùn)用范圍相對(duì)較小，主要針對(duì)軟土層厚度較小者，且土層位置要高于設(shè)計(jì)位置。

其二，強(qiáng)夯法則更容易理解，是利用夯實(shí)設(shè)備反復(fù)夯實(shí)土層，讓其密度獲得有效提升，這種方法的運(yùn)用范圍與原位壓實(shí)法基本相同。

其三，擠密砂石柱是將砂石柱打入軟土地基當(dāng)中，利用該柱體擠密軟土層，據(jù)我國(guó)對(duì)該方法的運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，該方法可有效降低原有軟土層的沉降度，適用于要求較高的高速鐵路建設(shè)，不過(guò)在應(yīng)用時(shí)，需要綜合考慮軟土層情況、施工機(jī)械設(shè)備以及成樁方法的因素，以防止出現(xiàn)效果不佳的狀況。

其四，爆破擠密法是利用爆破來(lái)改變?cè)熊浲翆拥拿芏龋贿^(guò)該方法有一定的缺陷，例如具有一定的危險(xiǎn)性等，因此該方法已經(jīng)應(yīng)用得較少了。

4.4 堆載預(yù)壓和排水固結(jié)法

傳統(tǒng)的軟土層處理方法就是堆載預(yù)壓法，通常情況下是指在軟土層表面，堆填路基材料，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的壓載之后，依靠其重力作用，將軟土中的空氣和水分排出，這樣一來(lái)軟土的空隙得到減小，水分排出，令其獲得一定的承載能力，不過(guò)該方法通常會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，已經(jīng)逐漸不適用現(xiàn)階段的高速鐵路施工。因此其運(yùn)用變得越來(lái)越少，但是根據(jù)其演變而來(lái)的方法卻逐漸獲得更廣泛地使用，例如排水固結(jié)法，就是利用了預(yù)壓排除軟土中的水分，使其固化成型。根據(jù)不同的操作方法，可以將其分為三類：首先，負(fù)壓法，也叫真空法，是利用一些機(jī)械設(shè)備，對(duì)軟土層進(jìn)行抽氣處理，這樣一來(lái)土壤中的壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)，在其作用下，水分被排除，達(dá)到固結(jié)的目的，形成復(fù)合地基，增強(qiáng)地基的承載能力；其次，常壓法，通常情況下，軟土層中的土壤顆粒周圍的壓強(qiáng)要高于大氣壓強(qiáng)，可以利用這種情況，利用排水坡降，將其中的水分排出土層，主要的運(yùn)用方法為縱橫盲溝的挖設(shè)，此外還可利用毛細(xì)作用，排出水分，主要的運(yùn)用有塑料排水板法，是將帶狀塑料板插入軟土層地基中，然后在路基之上增加負(fù)荷，在其作用下，水會(huì)從塑料溝槽中流出，從而達(dá)到加速固化的作用；最后，超壓法，強(qiáng)夯法就屬于此類。

4.5 反壓護(hù)道法

通常情況下，高速鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)，路堤兩側(cè)通常會(huì)有運(yùn)輸?shù)缆?，設(shè)計(jì)人員和施工人員可以充分利用這些道路，讓其成為護(hù)道，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)路堤產(chǎn)生的壓力，將路基下的軟土向路基兩側(cè)進(jìn)行擠壓，但是在護(hù)道的作用之下，路堤不會(huì)因此而被擠出或隆起，進(jìn)而保護(hù)了路基的穩(wěn)定性，但是具體的護(hù)道寬度和高度，需要根據(jù)軟土層的實(shí)際情況而確定，而且兩側(cè)的護(hù)道寬度以及厚度并不相同，同樣需要實(shí)際情況進(jìn)行確定，這樣處理的優(yōu)勢(shì)在于施工便捷，可以同路堤同時(shí)進(jìn)行填土壓實(shí)作業(yè)，但是對(duì)土方的需求較大，而且鐵路長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)之后，路面仍會(huì)出現(xiàn)一定的沉降，需要道路養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行反復(fù)處理，增加了他們的工作量，同時(shí)還具有一定的危險(xiǎn)性。此外，該方法的運(yùn)用具有較大的局限性，通常僅適用于軟土層厚度較低者，不適用厚度較大者，而且需要鐵路養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行定時(shí)檢查路堤沉降情況，以便及時(shí)進(jìn)行處理。

4.6 土工合成材料加固法

現(xiàn)階段，我國(guó)的化工業(yè)發(fā)展非常迅速，化學(xué)纖維材料和塑料工業(yè)材料獲得長(zhǎng)足發(fā)展，其材料強(qiáng)度越來(lái)越高，已被廣泛應(yīng)用到各類特殊行業(yè)，而這些高強(qiáng)度的土工合成材料可以運(yùn)用到復(fù)合路基建筑當(dāng)中。利用這些材料橫鋪在路堤之下，位于砂墊層當(dāng)中，使路基擁有良好的拉力和承載力，從而有效防止軟土層受壓后導(dǎo)致路基兩端隆起的現(xiàn)象。目前主要的運(yùn)用材料有土工布和土工隔柵，這些材料的優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格低、強(qiáng)度好、整體性好、重量輕、施工簡(jiǎn)便、滲透性良好以及耐久度好等特點(diǎn)，因此該方法的運(yùn)用已經(jīng)越來(lái)越高，且取得了良好的效果[4]。此外，針對(duì)不同的軟土層結(jié)構(gòu)，單一的方法往往所取得效果較小，無(wú)法充分地提升地基的承載力，為此需要多種方法中和利用，尤其是一些較為復(fù)雜的軟土層結(jié)構(gòu)，其厚度和長(zhǎng)度較大，僅僅依靠某一種方法，無(wú)法有效提升其承載力，若多種方法配合使用，則有效提升復(fù)合地基的能力，且高速鐵路的要求非常高，更需要多種復(fù)合地基處理方法的共同進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)高鐵技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先于全世界，而路基建設(shè)是高速鐵路中的重中之重，良好的地基是高鐵穩(wěn)定平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，但是軟土層的存在讓鐵路施工難度增加。針對(duì)軟土層的概念、危害以及復(fù)合地基的概念和特點(diǎn)，進(jìn)行分析研究，介紹了6 種速鐵路路基下伏軟土層復(fù)合地基處理技術(shù)，分別是CFG 樁處理方法、置換或灌入固化物處理方法、振密擠密法、堆載預(yù)壓和排水固結(jié)法、反壓護(hù)道法以及土工合成材料加固法，希望通過(guò)這些方法可以為高速鐵路建設(shè)技術(shù)人員提供幫助，從而進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)高速鐵路事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。