大厚度自重湿陷性黄土区高速铁路路基新型地基处理技术研究

时间：2024-09-03

于基宁高志伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

黄土连续分布于我国甘肃的中部和东部、宁夏南部、陕西的西北部和中部、山西和河南的西部及其他一些地区[1]，连续分布面积约44万km2，厚度从数十米至几百米。其中湿陷性黄土分布面积达31万km2，约占全国黄土总面积的72%。黄土在工程上以特有的湿陷变形突变性、非连续性和不可逆性著称，这些特性对工程的危害性极大，因此湿陷性黄土处理技术一直是工程界的研究热点之一。

随着我国高速铁路建设的快速发展，山西、陕西、甘肃、宁夏、内蒙古等地区的高速铁路、城际铁路如雨后春笋般开始建设，线路不可避免地穿越大厚度自重湿陷性黄土地区，如已建成通车的郑西、宝兰、兰新、西宝、大西、西成等客运专线，正在建设的西韩、吴中至中卫、西延等铁路，均穿越了湿陷性黄土厚度25～45 m的地区。目前，对于大厚度自重湿陷性黄土层地层特征和物理力学性质的现有认识与实际仍有一定差距，且由于我国湿陷性黄土分布的复杂性，地基的湿陷性危害极为严重，为高速铁路建设带来很大的困难[2]，同时也出现了需要解决的新问题。在提高大厚度黄土区线形工程的地基处理安全性的同时降低工程投资，就是当前工程建设者们最为关注的问题之一。本文以宝兰客运专线某车站工程实例为研究背景，对大厚度自重湿陷性黄土区采用阻水帷幕+挤密桩新型地基处理措施的合理性与工程效果进行探讨。

1 高速铁路大厚度自重湿陷性黄土地基处理方法

黄土地基是否需要处理主要取决于低湿度黄土地基的湿陷变形量和高湿度黄土地基的压缩变形量是否满足建筑物的相关要求[3]。GB 50025-2018《湿陷性黄土地区建筑标准》规定自重湿陷性黄土场地地基处理深度由剩余湿陷量决定。甲类建筑地基受水浸湿的可能性和对不均匀沉降的限制与其他建筑均不相同[4]，甲类建筑不允许出现任何破坏性的变形，也不允许因变形而影响使用，因此须消除地基的全部湿陷量。乙类建筑剩余湿陷量不应大于150 mm，丙类建筑不应大于200 mm。

根据上述要求，高速铁路地基的湿陷性应全部消除。自2005年郑西客运专线起，对位于大厚度自重湿陷性黄土区的高速铁路地基，特别是无砟轨道地基，广泛采用埋入式连续桩板结构进行处理[5-6]，桩基一般需穿透湿陷性黄土层进入可靠持力层，从而保证了地基的稳定性。随着我国高速铁路网的持续发展，在后续西宝、宝兰、兰新等客运专线的建设中，设计人员开始对大厚度自重湿陷性黄土是否一定要消除其全部湿陷性的问题提出疑问，特别是对有砟轨道地基全部消除其湿陷性的必要性争议较大。为此产生了以部分消除基础以下黄土层湿陷性为理论基础的长短桩处理方法[7-8]，该方法以挤密桩作为短桩消除地表一定深度范围内(6～10 m)地基的湿陷性，以CFG桩、素混凝土桩、螺杆桩为长桩承担上部结构大部分荷载，将湿陷量与压缩量作为两个独立对象分别治理，经工程实践验证效果良好。除此之外，还有能够处理较大厚度湿陷土层的DDC法、柱锤冲扩桩等方法。

长短桩一般适用于有砟轨道和自重湿陷性土层厚度小于25 m的无砟轨道地基的处理。桩板结构一般适用于无砟轨道和自重湿陷性土层厚度大于30 m的有砟轨道路基过渡段、斜坡路基等特殊地段地基的处理。DDC法由于其桩体质量控制难度大、施工速度慢等原因，其应用范围受限，一般用于湿陷土层厚度不大于18 m的有砟轨道地基的处理，自重湿陷性土层厚度小于16 m时，DDC法的综合技术条件最佳，自重湿陷性土层厚度在16～20 m时，长短桩法的综合技术条件最优，自重湿陷性土层厚度大于20 m时，一般采用钻孔灌注桩处理。

2 阻水帷幕+挤密桩新型地基处理措施

低湿度高湿陷性黄土地基的常用处理方法是在放弃利用地基原有高强度和低压缩性的基础上，使黄土结构先破坏(夯、挤、湿)、再变密,只在有限的较小深度内消除湿陷变形的危害性。这种“不破不立”的被动处理思路受到近年来发展的“顺水推舟”主动处理思路的挑战。

图1 阻水帷幕+挤密桩新型地基处理措施示意图

水是黄土地基处理工程中的关键因素，将水看做一种广义上的作用力，对其作用方式、边界条件、渗透规律、作用强度进行系统研究是解决湿陷性黄土地基问题的关键。再在此基础上，充分发挥天然黄土低压缩性的能力，即利用天然黄土高强度的结构性特征，是最为科学合理的湿陷性地基治理方法。基于上述思想，本文提出了一种新型地基处理措施，即在路基两侧设置阻水帷幕，保证地基不受外界水渗透影响，同时设置挤密桩封闭地表水渗入和提高地基承载力，如图1所示。该措施在防止地基发生湿陷的前提下，充分利用了天然黄土高强度的特征，既保证了工程安全又节省了地基处理成本。为验证该措施的可行性，研究其作用机理、设计方法及应用效果，2014年在宝兰客运专线某车站设立试验工点，对黄土渗透性、帷幕止水效果、地基承载力、工后沉降进行了系统的测试和研究。

2.1 试验场地介绍

新建宝兰客运专线某车站位于渭河高阶地之上，地貌属黄土梁前缘的二级阶地。地表覆盖第四系风积黏质黄土，下部为第四系冲积黏质黄土，工点内为IV级(很严重)自重湿陷性场地，湿陷性土层厚30～40 m。工区处涉及地层有第四系上更新统风积、冲积黏质黄土，其工程地质特征描述如下：

2.2 室内模型试验

为验证大厚度强湿陷性黄土路基新型阻水帷幕+挤密桩复合地基处理的可行性，对3种地基形式开展室内模型试验，模型试验方案如图2所示。通过测试不同地基在降雨过程中的渗透深度、渗透规律、沉降速率等，揭示阻水帷幕+挤密桩复合地基的沉降变形控制效果和渗透规律。

图2 模型试验方案示意图(cm)

选取模型试验槽尺寸为100 cm×28 cm×48 cm，将配制好的模型土分层填筑在模型槽内，每层填筑高度控制在40 cm，采用2.5 kg、落距27.5 cm击实仪分层压实，每层满夯3～4遍。模型材料与原型根据具体情况满足主要相似判据。本次试验使模型材料的压缩模量Es、抗剪强度指标C、φ，湿陷性系数δs满足相似判据。共进行了3组对比性试验。

(1)第1组试验：天然地基，模拟路基荷载下和地基渗水后路基沉降的变化特征。

(2)第2组试验：地基采用挤密桩复合地基，模型桩长12 cm，不设阻水结构。

(3)第3组试验：地基采用挤密桩复合地基，模型桩长12 cm，设置侧向防渗阻水。

浸水后，3种形式地基的路基平均沉降对比如图3所示。由图3可知，注水量达到9 L后，天然黄土地基的路基沉降最大值约为4.87 mm，挤密桩复合地基的路基沉降最大值为3.31 mm，挤密桩复合地基+阻水帷幕的路基沉降最大值仅为0.04 mm。通过模型比换算，可粗略估计相同工况下，天然黄土地基浸水后路基的最大沉降约为243.5 mm，挤密桩复合地基浸水后路基的最大沉降约为165.5 mm，挤密桩复合地基+阻水帷幕浸水后路基的最大沉降约为2 mm。

图3 浸水后三种形式地基的路基平均沉降对比图

阻水帷幕+挤密桩模型试验渗透变化范围如图4所示。根据模型试验分析，阻水帷幕+挤密桩复合地基对于大厚度自重湿陷性黄土的防渗效果显著，能够很好地预防和控制地表水下渗导致黄土湿陷引发的路基沉降问题。阻水帷幕有效地阻止了入渗水流的水平渗透，同时阻止了降雨入渗对路基内部地基土体的浸润，可控制高速铁路路基沉降变形，节约地基处理费用，是一种适宜于大厚度强湿陷性黄土地区高速铁路地基处理的新结构。

图4 阻水帷幕+挤密桩模型试验渗透变化范围示意图(cm)

2.3 现场试验

试验工点采用高压旋喷桩阻水帷幕，桩径1.2 m，桩间距0.8 m，桩长36 m，单排设置于挤密桩地基右侧边界。浸水试坑断面选取1 m×1 m×3 m(深×宽×长)场地作为模拟降雨入渗试验区，试验区边界距高压旋喷桩处理边界0.5 m。

在旋喷桩两桩咬合处中心布置两条竖直含水率监测线，检测搭接处阻水效果。在旋喷桩内侧竖直监测线上，分别于地表下0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、5 m、8 m、11 m、14 m、17 m、20 m位置布置10个TDR-3水分传感器。由于TDR-3水分传感器测的是体积含水率或质量含水率，为配合TDR-3进行水分入渗监测，采用微型取土器在与TDR-3水分计度数同一时刻进行取样，测得土体含水率和实际含水率进行对比拟合，但由于体积含水率与实际含水率之间拟合影响因素过多(如土的种类、黄土物质成分、干密度等)实际效果不佳。因此，阻水桩内部的测试结果仍以体积含水率来分析表达。浸水时间17 d，总浸水量约17.5 m3，开挖测试得到水分的最大入渗范围，如图5、图6所示。

图5 浸水17 d后帷幕外侧地基土含水量分布规律图

图6 浸水17 d后帷幕内侧地基土含水量分布规律图

水分呈半椭圆形向外入渗，沿水平方向的最大入渗距离为7 m，沿深度方向的最大入渗距离为8 m，入渗角为55°～67°，与原状土浸水入渗规律一致。帷幕内侧地表1 m的范围内，体积含水率稍有减小，这是由于地表浅层水分蒸发作用导致地表浅层体积含水率减小，但地表1 m以下测得的初始体积含水率在浸水前后几乎没有变化，这说明采用咬合式高压旋喷桩起到了很好的阻水效果，没有发生浸水入渗现象。

为研究高压旋喷阻水+挤密桩组合结构加固路基的效果，选取两个典型路基断面对其沉降进行长期观测。初始采用剖面沉降管进行剖面沉降监测，但由于监测断面处于车站内，线路众多，且路基填土高度较低，剖面管在施工中多处被毁坏，剖面管两端出口严重影响站内排水设施，此方案不予采用。所有路基基底沉降观测点均布设在路基横断面的中心位置，位于垫层下部。

高压旋喷阻水+挤密桩沉降变化规律如图7所示。由图7可以看出：(1)路基沉降随时间的增大而增大，上部荷载增加后，其沉降变化率先迅速增大，然后随时间增大逐渐减小。(2)铺设垫层后，地基沉降随时间逐渐增大，经历一段时间后沉降曲线趋于平缓，沉降值逐渐减小。(3)改良土开始填筑后，沉降曲线迅速向下波动，开始出现较大沉降，经过一段时间后，曲线再次趋于平缓，沉降值逐渐减小。(4)级配碎石及轨道铺设完成后，地基沉降呈现出上述类似的变化规律。从路基基底中心点沉降总时程曲线和最终沉降值可知，路基基底沉降量较小，满足高速铁路设计要求。

图7 高压旋喷阻水+挤密桩沉降变化规律图

3 阻水帷幕+挤密桩新型地基处理措施经济效益分析

试验段场地地基处理宽度约为60 m，场地30 m深度范围内黄土层几乎均存在湿陷性，最大湿陷性系数为0.159，平均值为0.043；最大自重湿陷系数为0.129，平均值为0.03。场地湿陷程度可判定为湿陷性中等～强烈；根据最深的4个探坑(S-1、S-2、S-4和S-5)的湿陷性试验结果，该场地湿陷性下限深度约为30 m，工程设计中出于安全考虑，建议该段路基湿陷性土层厚度取40～45 m。

按照剩余湿陷量进行计算，路基地基处理深度应不小于30 m，水泥土挤密桩、柱锤冲扩桩处理深度均难以满足要求，只能采用埋入式连续桩板结构、CFG桩或刚柔性长短桩。按照铁路双线填方路基、填方高度4.0 m、路基面宽度13.6 m作为分析基准，进行工程成本估算。采用新型阻水帷幕+挤密桩的地基处理措施，工程成本可比刚柔性长短桩复合地基节约近44.5%，同时比埋入式桩板结构节省直接投资38.1%，经济效益显著。