大西客运专线湿陷性黄土柱锤冲扩桩复合地基沉降计算研究
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摘要：以大西客运专线为工程背景，分析柱锤冲扩桩法控制湿陷性黄土地基工后沉降的机理及其技术优势，提出柱锤冲扩桩法工后沉降计算及参数选取模式，结合具体工点进行设计分析，为铁路客运专线的地基处理设计提供参考。
关键词：客运专线湿陷性黄土柱锤冲扩桩法沉降控制
中图分类号： TU444文献标识码：A
一、工程概况
大西（大同～西安）客运专线设计标准为250km/h，要求全线一次性铺设CRTSII型板式无碴轨道，路基变形控制成为了设计施工的重难点。路基工后沉降量按无碴轨道扣件可调高量减去5mm控制，为2～3cm。严格的工后沉降控制对湿陷性黄土地基处理提出了更高要求。柱锤冲扩桩法作为一种处理湿陷性黄土地基的有效方法，可充分提高湿陷性黄土地基抵抗湿陷和振陷的能力，减小地基沉降。其在建筑基础、大型油罐基础等领域均有成功应用的先例，但在铁路、尤其是高速客运专线中应用很少。本文主要针对高速客运专线采用柱锤冲扩桩法的技术优势、工后沉降控制及计算模式等进行分析和研究，从而为大西客运专线路基设计施工提供参考。
二、 柱锤冲沉降控制机理分析
柱锤冲扩桩法具有设备简单，施工方便，速度快，利用建筑渣土变废为宝，节省材料，投资省而且适用范围广等优点[1，2]。对湿陷性黄土地基，采用柱锤冲扩桩处理后的复合地基承载力较高，可达300~800KPa，消除黄土地基湿陷性、减小增湿沉降，降低地基压缩变形，提高抵抗振动能力，从而达到控制路基工后沉降的目的。应用于高速客运专线地基处理，分析认为其沉降控制机理要有以下几个方面。（一）、地基土抵抗湿陷和振陷的能力提高，工后沉降减小。黄土的强结构性及大孔隙性是产生工后沉降的主要原因，柱锤冲扩桩由于在施工过程中因冲击振动而对桩周土体充分振动，使大孔隙性黄土的原有结构受到破坏，且变得结构紧密，从而提高了抵抗湿陷和振陷的能力，减小了工后沉降。
（二）、桩周土体挤密、模量提高。在成桩过程中，桩间土也受到很大侧向挤压力，同样也被挤密加固，形成了强制挤密区、挤密区以及挤密影响区，提高了桩周土体模量，减小地基整体压缩变形。
（三）、桩体强度高、模量大。由于采用较重夯锤，孔内加固料单位面积受到高动能、强夯击，使地基土受到很高的预压应力，桩体强度高、模量大。已有工程处理表明，处理后的地基浸水或加载都不会产生明显的压缩变形。
（四）、地基处理深度大。柱锤冲扩桩处理深度可达30m，可满足大西客运专线的深厚湿陷性黄土地基处理的要求。
（五）、地基整体刚度较均匀。柱锤冲扩桩处理湿陷性黄土地基，由于桩体及桩间土均得到了有效加固，复合地基的整体刚度较均匀，利于高速行车。
（六）、柱锤冲扩桩桩径灵活，可在0.6~2.5m内自由选择，从而满足不同加固要求。柱锤冲扩桩桩体用料广泛，凡是无机固体材料、建筑渣土等均可使用。另外，柱锤冲扩桩施工公害小，无噪声、振动、空气污染等。因此，在大西客运专线湿陷性黄土地基处理中，可将柱锤冲扩桩技术作为一种有力的加固措施，从而消除地基湿陷性，控制工后沉降。
三、 沉降计算模式
（一）、 桩土加固区的沉降量。桩土加固区的沉降量计算模式可采用复合地基压缩模量法进行。柱锤冲扩桩法加固区沉降计算的准确性主要取决于加固区参数的选取，本文对计算模式中计算参数选择方法及其合理性进行了分析，考虑成桩过程中的扩孔作用和夯锤冲扩对桩间土压缩模量的提高作用，提出了柱锤冲扩桩法复合地基较为合理的参数选取模式。计算公式为：，式中： ，式中： S1 为 桩土加固区沉降量（mm）； 为 附加应力增量（kPa）；hi 为 分层厚度（m）；m 为 复合地基置换率，在计算置换率时应考虑成桩过程中的扩孔作用； n 为 分层总数；Eps 为 桩体压缩模量（MPa）；Ess 为桩间土压缩模量（MPa）。由于柱锤冲扩桩法对桩周土体的挤密作用，应考虑桩间土压缩模量的提高，桩间土压缩模量按式计算，式中： 为 桩间土压缩模量提高系数；Es 为 天然地基土体压缩模量（MPa）。
（二）、 复合地基下部土体的沉降量。柱锤冲扩桩法下卧层沉降计算的准确性主要取决于下卧层表面附加应力的确定。常用的计算方法有应力扩散法、等效实体法和改进的Geddes法等。应用等效实体法计算困难在于侧摩阻力的合理选用，实事上，将加固土体作为一分离体，侧面上剪应力分布很复杂，选用不合理时误差可能很大，该法的适用性还应加强研究。采用改进的Geddes法计算需要确定荷载分担比，另外需假定桩侧摩阻力分布，上述两项估计将给计算带来误差；特别是后者桩土相对刚度对其影响很大，仍需进一步开展研究。本文建议用应力扩散法计算柱锤冲扩桩法下卧层顶面附加应力，用分层总和法计算下卧土体沉降量S2的公式为 ，式中：为第i层土的平均附加应力（kPa）；Esi 为第i层土的压缩模量（MPa）；hi为 第i层土的厚度（m）。
四、 工点设计及计算分析
（一）、 计算标准。计算荷载包括路基填土自重、轨道结构自重和列车活载，其中列车荷载为ZK活载，根据《高速铁路设计规范（试行）》（TB 10621-2009），取换算土柱宽、高分别为3.25m、2.6m（路基填土容重取20KN/m3）。压缩层厚度确定标准为附加应力小于0.1倍自重应力。工后沉降为铺轨工程完成后，基础设施产生的沉降量。路基工后沉降量按15mm控制。
（二）、 设计断面及其参数。在目前工后沉降控制严格的条件下，需要设计计算准确，而计算的准确性取决于参数取值，因此必须十分重视参数的测定工作。对湿陷性黄土层时行了原位勘探取样及室内试验工作，代表性断面及其土层计算参数如表1所示。该断面填土高度达5.02m；地基上覆黄土厚约40m，其中湿陷性黄土厚约20m，下部为压缩性较低的砂质黄土；下伏为中粗砂层，压缩性较小。
（三）、设计及计算。由于大西客运专线工后沉降控制严格，建议采用强度较高、压缩性较低的水泥土作为填充料，桩身长度宜穿透湿陷性土层及高压缩性土层，设计桩径可根据施工机具选型确定，桩间距根据沉降计算得到。参考有关资料[3~5]，该工点设计柱锤冲扩桩水泥土桩径取0.6m，桩间距取0.9m，桩长取25m。桩体压缩模量取200MPa。对于桩间土提高系数，其值在1.1～1.5，由于大西客运专线路基施工标准较高，本次计算中取=1.5。经编程计算得到，铺轨前加固区土层沉降为25.6mm，下卧层土层沉降为9.3mm，地基总沉降为34.9mm；铺轨后加固区土层沉降为30.0mm，下卧层土层沉降为19.3mm，地基总沉降为49.3mm；加固区工后沉降为4.4mm，下卧层工后沉降为10.0mm，地基总工后沉降为14.4mm，满足大西客运专线路基工后沉降控制要求。
表1 天然地基地层参数汇总
土层编号 土名 厚度（m） 容重（KN/m3） 压缩模量（MPa）
2-1 砂质黄土 9.20 15.0 3.3
2-2 砂质黄土 10.60 14.7 5.5
2-3 砂质黄土 5.15 16.0 8.7
2-3 砂质黄土 7.20 19.0 28.0
2-3-1 砂质黄土 5.40 19.8 27.0
2-9 粉质黏土 3.90 19.4 30.0
3-6 中粗砂 — 19.6 50.0
五、结语
对大西客运专线湿陷性黄土地基采用柱锤冲扩桩法加固的适用性及加固机理进行了分析，进而提出了客运专线柱锤冲扩桩设计计算的基本原则和方法。柱锤冲扩桩法加固区沉降计算的准确性主要取决于加固区参数的选取，应考虑成桩过程中的扩孔作用和夯锤冲扩对桩间土压缩模量的提高作用；柱锤冲扩桩法下卧层沉降计算的准确性主要取决于下卧层表面附加应力的确定，可采用工程中较实用的应力扩散法进行计算。建议采用水泥土作为柱锤冲扩桩填充料，桩长宜穿透湿陷性土层及高压缩性土层，设计桩径可根据施工机具选型确定，桩间距根据沉降计算得到。结合大西客运专线的现场工程实际，通过对柱锤冲扩桩复合地基的沉降计算，验证了该法处理湿陷性黄土地基的正确性、合理性，为今后客运专线路基处理积累资料、提供参考。
参考文献
[1]郑大明，杨立强，何军夯实水泥土桩在处理湿陷性黄土工程地基中的应用[J] 建筑技术开发 2002（1）
[2]司炳文，唐业清孔内深层强夯技术的机理与工程实践[J] 施工技术 1999（5）
[3]宋德安水泥土桩处理湿陷性黄土地基设计与施工[J] 石家庄铁路工程职业技术学院学报 2004（2）
[4]王广吉孔内深层强夯法在局部地基处理中的应用[J] 甘肃科技纵横 2003（1）
[5]殷郑海灰土挤密桩在湿陷性黄土地基处理中的应用[J] 路基工程 2005（1）