重载铁路湿陷性黄土路基工程施工技术探讨

郑卫东

(北京铁研建设监理有限责任公司，北京 102628)

1 工程概况

某重载铁路工程呈南北走向，经地质勘查报告显示，沿线地貌多为山间河谷区、低中山区及山前洪风积黄土高原区等。全线分布最广的地层为第四系上更新统砂质黄土 (Q3eol+pl3)，在山前缓坡、阶地及山顶处最多，具有Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性黄土特点，对于本工程具有较大影响。

根据勘查可知，DK107+500～DK107+722段为湿陷性黄土路基集中段，且位于重载铁路路桥过渡段，12.1 m为路基面宽度，8.0 m为路基填高平均值。主要参数如表1所示。

表1 重载铁路工程具体参数

2 灰土挤密桩地基加固机理

黄土主要特点为湿陷性，浸水后，湿陷性黄土土体强度快速下降，在外部荷载影响下，出现沉降变形现象。作为一种特殊的塑性变形，黄土湿陷变形的特点为突发性、间接性，且不可逆，因此，将重载铁路建设于黄土区的施工难度较大。

灰土挤密桩是指利用专门机具成孔，在杆状尖锤高压动能作用下，冲击夯扩孔内填料，达到原土结构破坏的目的，促使填料向孔底及周围挤压，以此形成复合地基，提升地基承载力和稳定性。在湿陷性黄土、杂填土、非饱和黏性土等土层内具有广泛适用性。相比其他地基加固方法，灰土挤密桩的优势集中于以下几点。

1)上部荷载可由桩与桩间土体共同担负，能够合理利用原地基土，并形成复合地基，提高地基承载力，降低沉降量。

2)操作简单，施工便捷，能够有效降低施工成本。

3)在大厚度湿陷性黄土中应用效果良好，5～15 m为处理深度范围。

3 灰土挤密桩施工要点

为保证灰土挤密桩施工效果，决定选取DK107+500～DK107+722段内DK107+500处进行施工，经地质勘查结果表明，本试验区处于黄土缓坡地带，沿线具有较为平坦的地势，0.031～0.041为本试验区湿陷性系数，10～14 m为湿陷土层厚度。

在本次施工中，采用石灰、黄土为灰土桩材料，石灰：黄土=2:8，石灰内有效氧化钙、氧化镁含量应控制在60%以上，含水率则控制在2%以内。黄土过筛，合理控制含水率。灰土挤密桩复合地基的具体情况如表2所示。

表2 灰土挤密桩复合地基具体情况

根据设计规定，须合理控制灰土挤密桩复合地基承载力，保证在150 kPa以上控制复合地基承载力特征值，灰土桩桩体压实系数和桩间土挤密系数分别控制在0.97、0.90以上。

4 灰土挤密桩施工试验结果分析

为验证灰土挤密桩复合地基施工质量，可通过平板静载荷载试验、钻芯法、室内土工试验等获取地基承载力、平均挤密系数、湿陷性系数等指标。

4.1 平板载荷试验

作为一种常用的地基承载力原位测试方法，平板载荷试验检测结果较为准确。采用承压板作为圆形钢板，0.945 m承压板，0.701 m2为底面积，试验时，须采取不同位置测点进行测定，测点共6个，试验如下。

4.1.1 试验准备

试验前，须将粗砂铺设于地基凹凸不平处，从而保证承压板和地基充分贴合整平。试验加载反力装置为地锚钢梁联合反力系统，压力测试以标准压力表为准，以承压板为中心，按照正三角形进行3个百分表布设，用于沉降值测量。

4.1.2 加载过程

加载分8级完成，400 kPa为最终加载值，50 kPa为各级加载量，相比承载力设计值，应大于其2倍左右。待完成各级加载后，不同时间段读取数据，当1 h内沉降量在0.1 mm以内，则说明沉降已趋于稳定，即可加载下一级。

4.1.3 卸载过程

卸载分4级完成，100 kPa为各级卸载量，每级卸载后，均应进行回弹量记录，并在不同时间段内进行数据读取，待完全卸载后，仍须进行3 h监测，并做好回弹量记录工作。

4.2 室内土工试验

采用钻芯取样法进行灰土桩体、桩间土体检测，并做室内土工试验。主要对试样湿密度、干密度进行测定。具体计算公式如下：

ρ0=m0/v
ρd=ρ0/(1+W1)

其中，湿密度由ρ0表示；干密度由ρd表示；湿土总质量由m0表示；环刀容积由v表示；试样含水率可由W1表示。此次试验验证时以平行测定为准，所得平行差值在0.03 g/cm3以下，取平均值。

4.3 灰土挤密桩复合地基试验结果

4.3.1 复合地基承载力分析

通过平板载荷试验，可获取6个测点的数据，并进行P-S曲线绘制。由此可见，6个测点所处地基变形形式全部为缓变形式，未见明显比例极限，可根据相对变形量进行复合地基承载力特征值检测。据相关规范要求，可取s/d=0.008时的荷载压力值分析灰土挤密桩复合地基的承载力特征值。相比最大荷载，若压力值大于该值，则承载力特征值取最大荷载1/2。在承压板直径为0.945 m、最大加载值400 kPa的条件下，不同测点所得结果如下。

1)测点1，s/d=0.008时的荷载压力值为227 kPa，承载力特征值为200 kPa。

2)测点2，s/d=0.008时的荷载压力值192 kPa，承载力特征值为192 kPa。

3)测点3，s/d=0.008时的荷载压力值为197 kPa，承载力特征值为197 kPa。

4)测点4，s/d=0.008时的荷载压力值为206 kPa，承载力特征值为200 kPa。

5)测点5，s/d=0.008时的荷载压力值为188 kPa，承载力特征值为188 kPa。

6)测点6，s/d=0.008时的荷载压力值为185 kPa，承载力特征值为185 kPa。

根据上述分析，6个测点的承载力特征值范围为185～200 kPa，取平均值为193.7 kPa，与设计(150 kPa)要求相符。

4.3.2 复合地基综合评价分析

为了解复合地基情况，本文采用钻芯取样、环刀法与室内试验等检测方法进行分析，桩号选取A、B、C、D、E 5个桩体，并在深度1 m、3 m、5 m、7 m 4个不同深度下进行压实系数分析，最终获取各个桩号的平均压实系数。

1)桩号A，1 m深压实系数为0.97，3 m深压实系数为0.98，5 m深压实系数为0.98，7 m深压实系数为0.97，平均压实系数为0.98。

2)桩号B，1 m深压实系数为0.99，3 m深压实系数为0.99，5 m深压实系数为0.98，7 m深压实系数为0.99，平均压实系数为0.99。

3)桩号C，1 m深压实系数为0.98，3 m深压实系数为0.98，5 m深压实系数为0.98，7 m深压实系数为0.98，平均压实系数为0.98。

4)桩号D，1 m深压实系数为0.97，3 m深压实系数为0.99，5 m深压实系数为0.98，7 m深压实系数为0.99，平均压实系数为0.98。

5)桩号E，1 m深压实系数为0.97，3 m深压实系数为0.98，5 m深压实系数为0.98，7 m深压实系数为0.99，平均压实系数为0.98。

由此可见，4个不同深度条件下，5处灰土桩的桩体压实系数均在0.97以上，表明能够符合复合地基设计规定。

为获取挤密系数、湿陷系数等，同样可在4个不同深度条件下取样检测，取3个桩中心进行分析，所得结果如表3所示。

表3 灰土挤密桩复合地基桩间土试验检测结果

5 结语

湿陷性黄土区路桥过渡段沉降的主要原因在于黄土地基沉降变形。重载铁路建设需要有效处理天然黄土地基，在天然地基湿陷性消除后，才能保证地基承载力满足规范要求，提高地基稳定性，减小沉降变形。目前，常用的黄土地基处理方法包括重锤夯实、强夯法、灰土挤密桩等，其中灰土挤密桩复合地基可有效消除大厚度湿陷性黄土的湿陷性，在湿陷性黄土地基处理中得到了广泛应用。