高速铁路软土地基处理及沉降控制研究.doc

高速铁路软土地基处理及沉降控制研究中铁四局一公司 曹 翔1、前言随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，大量旅客运输的高速化是我国社会发展的必然趋势，而现有的运输方式不能满足市场的这种需求：民航速度快，适合长距离运输，但运量小，票价贵；高速公路方便灵活，仅适合短距离运输。而高速铁路运量大，票价低，适合中长距离的运输，其建设势在必行。而我国软土分布相当广泛，在拟建的几条高速铁路中，有很大部分是在软土地区，软土具有高压缩性等特点，在其上上修建高速铁路，就会面临稳定与变形的问题，需对地基进行处理。软土地基和处理主要目的是两个：1、稳定性控制；2、变形（主要是沉降）控制。稳定性控制不是难题，对此具有丰富的工程实践经验，而沉降控制却是一大难题，也是一项复杂的系统工程，需要勘察、设计、施工等共同控制。而高速铁路对路基工后沉降、差异沉降的要求极其严格，使得在软土地基上筑路问题变得异常复杂，也对勘察、设计、施工带来了更高的技术要求和更大的工作难度。2、我国路基工后沉降和差异沉降控制我国铁路系统对工后沉降控制要求比较晚，为此付出了沉痛的代价。至到1992年铁道部颁发了铁路特殊土路基设计规则，首次在铁路系统内将不大于50cm作为、铁路路基工后沉的设计标准，才使软土路基设计有了明确的依据。随着普通铁路列车的多次提速、客运专线的建成通车和高速铁路的拟建，铁道部组织专家通过大量的研究和多次讨论，初步制定出快速成铁路和高速铁路路基工后沉降的控制标准。1998年出版的时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定中规定：一般地段路基工后沉降不应大于是15cm，年沉降速率应小于4cm，桥路过渡段不应大于8 cm；同年5月铁道部第三勘测设计院等单位研究拟定的规定：一般地段路基工后沉降不应大于是10cm，年沉降速率应小于3cm，桥路过渡段不应大于5 cm以此暂作为京沪高速铁路的设计标准；差异沉降的控制，高速公路设计中于888？年就提出了，在铁路系统中，对差异沉降进行控制的要求还是今年提出的，正在编入京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定的修改版中。3、高速铁路软基处理及沉降控制思路软基处理及沉降控制思路可分为三个阶段：1、勘察阶段；2、设计阶段；3、施工阶段。3.1勘察阶段勘察的成果是软基处理方案选定主要依据之一，其精确度直接影响到进行稳定、沉降计算结果，是软基处理成功与否的关键因素之一。而高速铁路是一种连续分布的条形建筑物，具有分布范围广，沿线地质条件复杂的特点，需要选取一种合适的勘察手段与技术途径，达到快速、准确、经济的目的。采用传统勘察试验手段和技术，同高速铁路的高标准要求很不适应，在高速公路的建设中，总结出了一套成熟的技术，即采用对较多鉴别孔进行普遍勘察的基础上，辅以对少量的技术孔进行详细测试的方法，可获得较高质量的设计参数，而目前广泛应用的十字板剪切、静力触探试验只能提供单一土层指标，难以较好地完成普勘任务，可使用孔压静力触探进行快速变勘。孔压静力触探能精确划分土层，并提供承载力、强度、固结系数等多项指标，可设计提供较准确的设计参数。3.2设计阶段根据勘察的结果，对地基的稳定和沉降进行理论计算，根据工后沉降及差异沉降控制标准、投资、工期等，选定合理的处理方案。经计算不能满足工后沉降或稳定控制要求的地基，需进行加固处理。目前有很多种软土地基加固技术，主要分为两大类：1、排水固结；2、复合地基。各种加固方法，都有其适用性，要结合具体条件进行选择。因为软土地基加固费用占总投资的比重很大，约1/3左右，所以合理选取经济、有效的加固方案非常重要，根据国内外工程经验，对于正常压密的软土面言，排水固结法是最经济有效的，只有在工期过急或荷载过大等特殊条件下，才会考虑使用复合地基的方法。当方案选定后，根据工期、填土临界高度，拟定施工期和预压时间，利用各软土层的物理力学指标值，进行软土地基稳定性、总沉降量和施工期沉降量的计算，求其铺筑上部结构后的工后沉降值和差异沉降值，当稳定性或沉降不能满足使用要求时，应局部调整处理方案或填土期，多次反复循环计算，直到满足控制要求为止。3.2施工阶段当软土地基处理方案确定后，应根据设计方案，编制合理的施工方案，若采用的是排水固结法，需对施工、预压期的沉降进行控制，以设计计算的总沉降量及工后沉降量为参考，以“沉降荷载时间”关系曲线用反演法推算出的总沉降量及工后沉降量为依据，确定预压期。在填土前需要设置沉降板及位移边桩（若条件允许，设置分层沉降仪和测斜管更好），每个路基断面布置3个左右的沉降板（为使路基填筑施工方便，一般布设3个，线路中轴线1个，左或右线中轴线1个，左或右线路肩1个），2个位移边桩。沉降板应保持底板水平，标杆垂直；位移边桩应埋在坡角外侧12米处，桩用砼固定桩，桩顶预埋刻有“十”字叉丝的钢筋。埋设好后，立即用高精度仪器以二等水准测量的标准测量初始数据。若采用的是排水固结法或复合地基中的柔性桩，应成立专业的量测队伍，编制量测方案，对在填土荷载作用下的地基进行观测，当填土高度低于填筑临界高度时，每两天观测一次；当接近或超过临界高度时每天观测一次，当沉降急剧加大时，每天观测23次。整理“填土高度沉降量时间”关系曲线，分析软土地基的稳定性和沉降量。4软土地基处理方法简介目前软基处理方法有两类：1、复合地基处理方法，包括粉喷桩、碎石桩和旋喷桩、CFG桩等。2、排水固结处理方法，包括堆载预压和新近引入的真空堆载联合预压。本节着重分析各种处理方法的施工工艺及其特点。4.1 排水固结法4.1.1堆载预压 堆载预压方法是一种在世界上公认的经济、有效的软土地基处理方法，它是借助堆载使加固区形成超静孔隙水压力区，通过超静孔隙水压力的消散，有效应力的增长达到加固地基的目的。 堆载预压施工可分为施工准备和软基处理，施工准备包括：清场、铺设砂垫层、打设袋装砂井或塑料排水板等；软基处理按地基强度增长规律填筑路堤，在高速公路施工中，一般需要进行超载预压，按卸载标准卸载等。其技术控制措施如下： (1)砂垫层作为排水固结方法的横向排水体，其质量直接影响到加固效果。砂垫层应选用级配良好的中粗砂，含泥量不大于3%，有机质含量不大于1%，渗透系数不小于10-3cm/s。为了保证在整个施工期和预压期的连续性，路中的砂垫层厚度不小于50cm，并伸出坡脚外11.5m。 ( 2)袋装砂井作为排水固结方法的竖向排水体，其质量也直接影响到加固效果。施工过程中应控制(1)灌砂的密实度、(2)砂的质量(要求为风干的中粗砂)、(3)砂井的间距(考虑到的土体强度的扰动作用，一般不小于1.0m)、(4)砂井机导管直径和厚度(道管直径不大于120mm，壁厚不大于5mm)、(5)拔管时的水压(一般控制在1kg/cm2)和(6)预留长度(一般不小于50cm)。 (3)严格控制土体速度，表面沉降量不大于10cm/d，水平位移不大于5mm/d时，可保证路基的稳定性。表面沉降在5mm/d以下可以进行下一级土体。 堆载预压作为一种目前高速公路广泛采用的软基处理方法，有作一整套较完善的施工工艺和质量控制标准，但随着高速公路的发展，以及市场经济对效益的要求，使得该种处理方法的不足显得更加突出，虽然，对该方法进行了一些的改进，但仍未根本解决。如施工工期、下卧层的固结沉降问题和填筑路堤过程中的稳定性问题等等仍未得到很大的改善。4.1.2真空堆载联合预压法 真空堆载联合预压加固软基方法是从真空预压和堆载预压基础上发展起来的新一代软基处理方法，该方法利用抽真空使加固区内形成负压区，这不仅可以加快固结沉降速度，而且，较好地解决了填筑路堤过程中的稳定性问题，缩短了填筑路堤的施工工期，是一种在沿海地区修筑高速公路值得推广的软基处理方法。 真空堆载联合预压方法的施工可分为施工准备和软基处理两部分，施工准备包括：清场、铺设砂垫层、打设袋装砂井(试验段)等；软基处理包括：真空预压、真空堆载联合预压。其技术控制措施如下。 (1)砂垫层同上。 (2)袋装砂井同上。 (3)对真空度的技术控制等。 (4)根据试验段的试验研究，表面沉降量不大于60mm/d，水平向外挤出位移不大于5mm/d时，可保证路基的稳定性。表面沉降在20mm/d以下可以进行下一级土体，在路堤填土高度小于5m以下，每级填土1.5m为宜；路堤已填土高度大于5m，每级填土1.0m为宜。具体每级填土高度还应考虑路堤的密实要求。 (5)严格按设计要求控制联合预压的时间，一般情况下要保证有3个月的联合预压时间，延长或缩短应根据卸载标准。 真空堆载联合预压方法在缩短施工工期、消除工后沉降和提高施工质量等方面有诸多的优势，已越来越多的受到关注。但应该清楚认识到，作为新一代的软基处理方法，设计计算等方面仍有许多不完善的地方，切不能盲目追从。4.2复合地基复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载。一般分为三类：1、散体桩复合地基，如砂桩、碎石桩为增强体复合地基；2、低粘结强度桩，如石灰桩、水泥土桩做为增强体的复合地基；3、高粘结强度桩，如CFG桩、薄壁管桩做为增强体的复合地基。各举一例进行介绍。4.2.1碎石桩碎石桩加固软基以置换作用为主，它是通过专门桩机振冲成孔，成孔后填碎石由振冲器上下振动使土体和填料被挤密实成桩，从而使地基得到加固。 碎石桩的施工一般可分为振冲成孔、清孔、灌料、振动上拔、继续填料上拔、成桩等过程，其技术控制措施如下： (1)进行勘探取土样工作，了解土层分布情况和软土层抗剪指标、塑液限等物理力学参数，确定碎石粒径及级配。 (2)在施工前进行成桩试验，确定相关参数，并作为后续施工的依据。 (3)严格控制每次灌料量，一般应小于0.3m3，充盈系数不小于1.2。但必须充分保证灌料量。 (4)控制水压和水量，一般成孔水压力控制在3kg/m2为宜，供水量20m3/h。 (5)控制振密电流和留振时间，一般电流不小于45A，留振时间1020S。以保证密实度和成桩质量。 东南沿海地区的软土(淤泥)层，一般含水量高、土体的抗剪强度和塑液限低，不是很适合采用这种软基处理方法。4.2.2 粉喷桩 粉喷桩处理软基是通过专门的机械将粉体固化剂(水泥、石灰等)喷出后在地基深处就地与软基强制搅拌，利用固化剂和软土之间产生的一系列物理化学反应，在原地基中形成强度、刚度较大的桩体，同时也使桩间土体性质得到改善，桩与桩间土体形成复合地基共同承担外荷载。在施工中一般用于桥头附近地基和涵洞等结构物处地基，其目的是解决桥头、涵洞等结构物处与路堤相联接处的不均匀沉降问题，在施工工期紧张的路段有时也采用粉喷桩处理，以提高路堤填筑速度。 粉喷桩的施工一般可以分为成孔、喷粉成桩、复搅(视设计而定)等几个过程，其技术控制措施如下： (1)进行钻勘取土工作，了解加固区软土层的分布范围、含水量、有机质含量和地下水的侵蚀性等情况。 (2)粉喷桩施工前进行室内试验和工艺性试验，了解成桩情况并确定各种操作技术参数。 (3)严格控制水泥材料的质量，对每批水泥进行抽检，使每批水泥的标号、细度等都达到设计要求。 (4)施工过程控制制桩长度、提升速度、粉喷量，对每根桩记录其位置、长度、喷粉量、搅拌次数等。 粉喷桩质量检验方法主要有：桩头开挖、N10轻便触探、抽芯及标贯和单桩静载等。 尽管粉喷桩在施工工艺、质量检验等方面都有规范可循，但实际施工中成桩质量和加固效果很难得到保证。另外，粉喷桩的有效长度一般只有1012m左右，软土层普遍较厚的沿海地区使用该种处理方法受到一定的限制。4.2.3 CFG桩CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称.它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水水拌合形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。在铁路系统应用很少，最近建设司在同济大学内做了一个试验段，正在进行如何根据高速铁路及沿海地区的特点，将CFG桩软基处理方法用于该地区的高速铁路软基处理中的研究。CFG桩的成桩工艺与碎石桩相近，这里就不多述。在工民建及高速公路中有些