摘要：重载铁路路桥过渡段路基极易发生差异沉降现象,若不及时处理,将会引发碴囊、道碴槽等问题,甚至危害行车安全。若过渡段路基位于湿陷性黄土区,由于地基土性质特点,路基沉降差异更为严重。为此,结合具体工程案例,采用灰土挤密桩处理重载铁路过渡段湿陷性黄土路基,希望由此消除湿陷性,提高施工质量。
关键词：重载铁路; 湿陷性黄土; 路基工程; 灰土挤密桩;
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227kPa,承载力特征值为200 kPa。
2)测点2,s/d=0.008时的荷载压力值192kPa,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197kPa,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206kPa,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188kPa,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185kPa,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,1m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,1m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,1m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,1m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,1m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。
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