浅谈湿陷性黄土路基沉降控制措施研究

宋鹏华

摘 要：路基沉降的影响因素较多，包括路基本身变形、地基变形、地基湿陷变形以及高铁运行中的变形等，本文通过对湿陷性地基处理、填筑过程控制、两种失陷性黄土的处理手段效果分析，比较了其沉降控制效果和适用性，阐述了沉降观测与动态评估理念要求。

关键词：失陷性黄土;路基沉降

湿陷性黄土除了具备黄土的一般特征外，粒度成份以粉土颗粒为主，约占50%以上。垂直大孔性、松散多孔结构和遇水即降低或消失的土颗粒间的加固凝聚力是它发生湿陷的内部因素，而压力及水是外部条件。而正在修建银西铁路主要位于陕西咸阳市、甘肃省庆阳市，路基均为湿陷性黄土路基，究其原因无非是因为路基在处理过程中没有达到有效的处理效果，进而导致路基在施工和使用的过程中发生了不良的沉降现象，给高铁的运行安全造成了一定的影响，同时增加了后期的维护成本，造成了一定的经济损失。

一、影响路基沉降的因素

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力与土的自重压力下引起的湿陷变形，是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，对建筑物的危害性大。

（一）路基本体压缩变形

路基本体的变形是受其自身重力以及其上部轨道、车体的影响下，造成路基本身受到体积压缩后的变形，这部分的变形原因一般源于路基填筑过程中未严格控制碾压质量所造成。

（二）路基地基变形

路基地基变形是受地基本身和下卧层的影响，与路基的变形相似，地基本身的变形也是受自重及上部荷载的作用力影响而发生的不良变形。而在路基地基处理过程中对下卧层处理措施不当，导致湿陷性不能有效消除，加之地表水的渗入，也是导致路基地基变形因素之一。

（三）地基湿陷变形

对于高铁铁路施工来说，失陷性黄土的一大重要弊端性能就是其在遇水后体积会有所减少，承载力骤然下降。对于失陷性的黄土路段处理，要重点做好防水处理，如果失陷性黄土路基区域影响范围内不能做到有效的地下水防治，那么对于路基的危害会非常大。

（四）运营阶段的荷载作用变形

运行阶段的荷载作用主要是行驶列车的重力作用，随着铁路的运营时间的增加，在运营行驶的过程中，失陷性黄土路段的高铁路基沉降会越来越明显，这样变形状况由最早的弹性变形逐渐演变为塑性变形，塑性变形在变形发生之后不能很好的恢复，造成高铁运行过程中产生较大的颠簸甚至是安全隐患。

二、湿陷性黄土路基沉降控制措施

（一）路基本体压缩控制措施

受当地气候环境影响，本地空气干燥、湿度小，拌和好的改良土水分损失严重，在以后填筑过程中做好以下5点控制措施：在拌和过程中根据当地气温环境及运输距离适当加大拌和含水率;运输过程中对拌和好的改良土进行覆盖，减少水分损失;本层改良土摊铺前对碾压完的上层路基进行洒水，确保摊铺前上层路基表面湿润，填土后上下两层有个更好的连接;摊铺后碾压过程由于环境气温较高，表面容易失水，针对此现象在碾压过程中及时均匀洒水，确保在碾压前路基表面湿润。洒水量以改良土不粘结压路机钢轮及不出现橡皮土为宜，摊铺碾压完成后，及时洒水养护。

（二）路基地基变形控制措施

为了验证路基沉降控制措施和这些措施的实际效果，根据我标段施工范围内的地质特点，施工范围内的场地均为湿陷性黄土场地，湿陷土层厚度为3.2m-17m。根据湿陷性土层厚度，为消除地基湿陷性，选择了水泥土挤密桩、柱锤冲扩桩强夯等不同处理措施，每种处理措施选择一段比较有代表性的路基进行试验。

1、水泥土挤密桩参数选取

现场施工采用履带式柴油打桩机成孔，夹杆式自动上料夯实机夯填;夯实机夯击重量200KG，锤径φ=0.28m，锤长0.45m，夯锤落距不小于0.5m;根据设计要求选择3个区域，每个区域7根桩进行试桩试验。每个区域选择不同填料厚度、不同锤击次数进行试验，确定满足设计及规范要求的试桩综合必选，选取的施工参数，在3处试桩区域按照制桩桩号表进行成桩施工，以检测桩间土挤密系数（≥0.90）、湿陷系数δs小于0.015、单桩或复合地基承载力。

2、柱锤冲扩桩参数选取

试桩共16根，划分为4个单元，每个单元4根桩。各单元采用不同的施工參数进行施工，以验证有关施工工艺和施工参数。填料采用固定容积的水桶人工装填，每层装填0.1m³水泥改良土。

2.1单元1采用柱锤重3 t，空夯6次，桩底至桩底以上3m的水泥土填料每层夯实遍数为8次，提升不小于3m， 桩底以上3m至桩顶以下3m每层夯实遍数为8次，提升不小于3m， 桩顶以下3m至桩顶为10次， 提升不小于2m。

2.2单元2采用柱锤重3 t，空夯8次，桩底至桩底以上3m的水泥土填料每层夯实遍数为10次，提升不小于4m， 桩底以上3m至桩顶以下3m每层夯实遍数为12次，提升不小于3m， 桩顶以下3m至桩顶为12次， 提升不小于2m。

2.3单元3采用柱锤重3 t，空夯8次，桩底至桩底以上3m的水泥土填料每层夯实遍数为10次，提升不小于4m， 桩底以上3m至桩顶以下3m每层夯实遍数为13次，提升不小于4m， 桩顶以下3m至桩顶为15次， 提升不小于2m

2.4单元4采用柱锤重3t，空夯8次，桩底至桩底以上3m的水泥土填料每层夯实遍数为10次，提升不小于5m， 桩底以上3m至桩顶以下3m每层夯实遍数为15次，提升不小于4m， 桩顶以下3m至桩顶为18次， 提升不小于2m。

从理想模型角度考虑将每车虚料倒入孔内中，视为直径为40cm的圆柱体，压缩成直径为60cm的圆柱体：从原始记录表分析：每层填料0.1m³，理论填高为0.8m，实际填高为0.9m-0.95m之间（U形锤头），夯实后第1单元桩平均每层厚度为0.33m，填土3.8 m³，第2单元桩夯实后平均每层厚度为0.31m，填土4.1 m³，第3单元桩夯实后平均每层厚度为0.30m，填土4.2 m³，第4单元桩夯实后平均每层厚度为0.29m，填土4.3 m³。现场试验（灌砂法）第1单元桩桩体压实度小于0.97，2、3、4单元桩桩体压实度均符合设计要求。对桩头直径丈量得知第1单元桩平均桩径为0.55m， 第2单元桩平均桩径为0.60m， 第3单元桩平均桩径为0.61m， 第4单元桩平均桩径为0.63m。分析得知：从第2单元桩开始，桩径及桩体压实度符合设计要求。按照试桩方案要求的锤击次数试验：根据桩状体剖切查看桩径情况，判断每车虚料锤击后的形状，所以实际量取的锤后孔深只是锤尖痕迹到孔口的距离。桩径扩张的过程中，首先是U形锤头夯击痕迹周边填料本身的压缩，压缩到密实度很高的时候才会向外挤压桩间土使得桩径扩张。

（三）地基湿陷变形控制措施

路基地基处理完成之后清除50cm厚虚桩头，换填80cm厚（清表30cm、清理桩头50cm）6%水泥改良土垫层并加铺2层单向土工格栅，在垫层底以上20cm和垫层顶以下20cm处，中间40cm改良土，分四次碾压成型。由于水泥改良土有不透水性，能有效防止地表水进入路基地基，防止地基湿陷性变形。

（四）运营阶段的荷载作用变形控制措施

路基基床底层填筑完成后，根据底层分布情况、路基填高、施工工期等确定是否堆载预压。堆载时间不小于6个月，预压土柱高度为3m，并经过一个雨季，待路基沉降稳定评估通过后卸载预压土，铺设基床表层。可有效控制工后沉降，确保运营阶段的路基不均匀变形，消除行车安全。

三、湿陷性黄土路基沉降控制效果

通过对路基地基处理三种措施由中间的过渡地带分割开，施加同等条件的预压土，对基床底层压缩沉降、基床以下路堤压缩沉降、路堤本体总沉降的沉降量进行有效的数据监测，监测方式采用科学化的土体分层沉降测试法，这种方法是利用预先埋入土体中的管道测量，管道的外圈套有可以随土体沉降移动的磁环，通过在管内下沉瓷环深度监测仪器，能够正确的记录瓷环的沉降动态变化，从而能够有效的获知路基沉降量的变化。在实验区设置了7个沉降监控测量点，对各个实验区域进行预压土体施加荷载后，经过一个月的荷载作用后，其各个沉降点的沉降数据如下表所示：

通过三个实验区与过渡区的沉降数据对比发现，过渡区的沉降值均大于三个实验区的沉降数值，说明了三种常用的湿陷性黄土沉降控制措施，能够有效的控制其沉降发展，对比三种沉降控制手段发现，强夯区的基床下路堤压缩沉降控制效果不佳，说明了对于湿陷性深度较大的路基地基，采用强夯法不能有效的深入到土层深处。

四、路基沉降观测与动态评估

在路基沉降监控的基础上，通过对已有监测数据的有效整理和分析，运用科学的数学运算模型或者沉降发展预测软件，能够很好的对路基沉降的未来发展趋势和沉降的严重程度进行有效的把握，实现客观沉降数据监测分析与动态评估相结合的科学路基沉降问题分析机制。

（一）沉降变形观测。对于沉降数据观察获取的设备较多，包括上述土体分层沉降仪在内的各种沉降监控设备都能很好的反应出土体的沉降变化，但是在仪器的选择上要注意该设备能够有效的避免工程施工过程中的各种干扰，测量精度要符合要求。

（二）沉降变形评估满足的要求。路基沉降预测应采用曲线回归法;根据路基填筑完成或堆载预压后不少于 6个月的实际观测数据作多种曲线的回归分析，确定沉降变形的趋势，曲线回歸的相关系数 R 不应低于0.92;沉降预测可靠性应经过验证，间隔 3-6个月的两次预测最终沉降的差值不应大于 8mm;路基填筑完成或堆载预压后，最终的沉降预测时间应符合要求。

五、结语

湿陷性黄土区域的高铁路基沉降控制的控制手段和研究方法很多，通过不断完善研究方法，为高铁路基的施工运行安全做出重要的贡献。

参考文献：

[1] 苗学云.三种常用地基处理方法在黄土区高铁地基中的适用性研究[J].中国铁道科学 2015.

[2]屈耀辉.黄土区高铁柱锤冲扩桩地基沉降控制效果研究[J].铁道工程学报， 2012.