CFG桩加固松软膨胀土体地基关键施工技术研究_陈美香.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）桩加固松软膨胀土体地基关键施工技术研究陈美香（福建省闽设工程检测有限公司，福建省福州市仓山区建新镇金林路 号 ）摘要：膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩的变形特性，导致膨胀土区段极易产生轨道上拱变形和边坡失稳等危害。对膨胀土区段地基加固是解决该问题的有效方法，依托南川北站工点，对膨胀土区段地基加固关键技术进行了讨论。重点研究了工点膨胀土地基的相关力学性质以及 桩施工涉及的关键技术问题，并对 桩加固后地基承载力和沉降量进行分析，定量研究 桩的加固效果，为相似工程提供一定的技术参考。关键词：膨胀土地基；路基病害；桩加固；基础承载力中图分类号：；文献标识码：目前，在我国全面建设高速铁路路网和“一带一路”倡议的大背景下，大量的铁路线路需要穿越不良地质及特殊土区域。膨胀土作为一种特殊土，其具有遇水膨胀、失水干缩等性质，导致膨胀土区域的地基极容易产生变形。如果不进行处理，会造成巨大经济损失，而且严重时会影响列车行车及行人的安全。因此开展膨胀土区地基加固方法研究已经成为路基建设过程中亟待解决的技术之一，具有非常重要的实际意义。针对膨胀土地基的加固问题，不少学者对其开展了相关研究工作。王强等对膨胀土地基病害进行了分类，并基于实际工程，给出了相关的膨胀土治理方法，其中包括铺设砂砾、置换土壤、复合桩加固等方法。孟雄飞等在实际工程问题中通过 桩对地基进行了加固，提升了多层建筑的整体稳定性。姜海军等对 桩复合地基在软土地区大中型油罐地基处理中的应用进行了研究。王安国等通过试验研究了天然地基、普通强夯地基、置换强夯地基和沉管挤密砂石桩地基的承载力，通过对试验数据分析，得出置换强夯工艺对膨胀土路基的加固效果最好。对于如铁路线路所遇到的膨胀土地基加固措施还缺乏一定的研究。因此，依托南川北站 段工程，对膨胀土区段地基加固技术进行研究，为相关地基治理工程提供参考。工程背景 工程概况南川北站平面线路设计范围从 开始，至 结束。车站共设到发线条，其中包含条正线，线路整体有效长度为 。重庆端正线右侧设综合维修工区处，工区内设配线条，设安全线条。车站设 侧式站台座，宽旅客地道处。站房形式为线侧下式，场坪规模为 ，另设信号楼、停车场、派出所、单身宿舍、配电所、垃圾站等场坪 各 处。挖 土 方 ，挖 石 方 ，填石方 ，基床 组填料 ，本体 组填料 ，钻孔注浆 ，冲 击 碾 压 ，钻 孔 灌 注 桩 ，螺杆桩 ，附属混凝土 ，站台墙 。工程地质条件 地层岩性本段地表局部分布第四系全新统人工填土层（）、洪积层（）、坡残积层（），下伏三迭系下统嘉陵江组三段（）灰岩局部夹泥灰岩地层。收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：陈美香（），女，福建福州人，本科，高级工程师，研究方向为岩土工程设计及矿山边坡稳定性分析。：特殊岩土特殊性岩土为膨胀土、杂填土。（）膨胀土膨胀土主要分布于局部的水田、鱼塘内，其工程力学性质差，填方基地不稳。膨胀土主要为灰白色，局部 夹 杂 红 褐 色，其 中 黏 粒 含 量 为 ，自由膨胀率在 ，具备中强膨胀势，具有吸水膨胀变软、失水收缩变硬的不良工程地质性质。（）杂填土段内广泛分布人工填土，主要为南川北固工业园区场平填料、建筑垃圾及采石场弃渣。物质成分以粉质黏土、碎石土为主，褐黄、灰褐色，稍密至松散，稍湿。碎石约占 ，其余为粉质黏土充填，厚 不等，回填年限短，其工程力学性质差。水文地质特征及地震地表水和地下水对混凝土结构侵蚀性等级为。根据 中国地震动参数区划图（），地震动峰值加速度值为 ，地震动反应谱特征周期值为 。工程难点 膨胀土区段路基根据 南川北站站场路基工点设计图（渝黔（江）施站路），本工程项目中包含一段 左右的不良地质路基和特殊土路基区段，其中主要为膨胀土区段路基。因此，本工程的难点为膨胀土区段路基病害的治理及如何进行地基加固。施工周围建筑物多工程所处位置周围建筑物较多，环境复杂。四周还分布有桥梁工程，且包含大量路桥过渡段。与站后单位实行交叉施工，地下管线埋布十分复杂，施工难度极大。膨胀土基本力学特性试验研究 固结试验 试验方案以南川北站膨胀土路基为研究背景，开展了连续加载的固结试验。本次试验共计进行了组，所设计的试样尺寸为：（高直径）。式样的土样深度在 ，为粘土。式样的土样深度在 ，为粉质黏土。两个式样的加载围压从 加载至 ，加载围压间隔为 ，加载时间为，稳压期时间为。数据分析（）应变与时间关系图为试验段膨胀土分级连续加载的轴向应变与时间的关系图。由图像可知，试样与试样的轴向应变均随着荷载的增加而增加。初始的增加速度较为明显，当围压逐渐增大后，轴向应变的变形速率逐渐下降。（）试样（）试样图膨胀土试样应变时间关系图 （）沉降量与时间的关系以式样为例，式样的沉降时间变化关系如图所示。由图可知，沉降时间关系成非线性发展，大致可以分为两个阶段，第一个阶段为式样初始加载期间，沉降量增量增加速率较为缓慢；第二个阶段为当加载时间超过 后，沉降增量迅速增加。根据图像还可以得知，随着围压的增加，沉降增量逐渐减小，当围压超过 时，沉降量增量的变化并不显著。河北水利电力学院学报 图试样加载期间沉降时间关系 压缩模量南川北站典型工点膨胀土的压缩模量如表所示。由表可得固结试验的压缩模量范围在 ，平均压缩模量为 。表典型工点膨胀土的压缩模量 深度 现场平板载荷试验为测得天然地基的基本承载力，在典型工点处开展现场平板载荷试验。根据 铁路工程地质原位测试规程 要求，采取面积为 的方形承载板，厚 度 为 ，在 其 上 分 别 加 ，以及 的上覆荷载，所得的荷载沉降量曲线如图所示，其基本承载力为 。图荷载沉降曲线 膨胀土地基加固措施研究 加固措施分类在进行膨胀土区段地基处理时，不应该盲目选择加固方式，需要综合考虑气象、水文、膨胀土的胀缩特性等，经过综合比对，选取最优加固方法。目前主要的膨胀土地基处理方法包括：桩加固、膨胀土换填、埋深基础及增强排水设施等。针对膨胀土地基加固措施中，最常使用也最为有效的方式就是使用 桩进行加固。（）桩基础加固桩基础加固膨胀土地基主要是将桩基础的持力层打入稳定的土体中，由于桩自身承载力会一定程度上限制膨胀土的涨缩变形，进而减少膨胀土对上部结构的影响。（）膨胀土换填采用换填的方式是解决特殊土路基最直接也是最有效的方式，但是换填一般适用于小型工程，例如涉及的膨胀土深度较浅，范围较小。涉及范围较大时，会导致填挖方工程量巨大，难以满足经济要求。（）基础埋深当工程中采用浅基础时，可以将基础进行深埋，将基础置于膨胀土影响范围以下时，能达到一定的加固效果。（）增加排水设施通过增加排水设施，减少降雨对膨胀土的影响，当地基基础含水率较低时，膨胀土的吸水膨胀特性会受到抑制，有效降低膨胀土对上部结构的影响。桩施工工艺 桩是通过水泥、粉煤灰、河沙、碎石和水制作而成的一种粘结强度较高的桩。桩和桩间土体以及褥垫层组成复合地基。因为其所用材料简单，制作完成后加固效果明显，经济性好，所以在工程中被广泛应用。其组成结构主要由桩身、桩锚和褥垫层三部分组成。施工流程 桩的施工流程主要分个关键技术，施工准备、测量放样、桩基础施工、桩间土清除、桩头环切、桩基础检测以及桩帽施工。关键技术研究（）桩设计参数在进行 桩设计时，需要根据铁路相关规范第期陈美香：桩加固松软膨胀土体地基关键施工技术研究对桩长、桩径、桩体强度以及垫层厚度等参数进行设计。通常情况下，桩桩端应达到持力层下 至，桩径一般为 至，桩间距一般为 倍桩径，采用矩形布置。桩由 级水泥、级粉煤灰、碎石、砂子和水搅拌形成。垫层材料使用碎石和砾石等材料，厚度设置为。（）施工准备在进行施工准备时，首要做的就是清除路基表面多余植被。在确定其桩顶标高时，应确保施工完成后 桩水能通过褥垫层从桩顶排出到两侧的排水沟中。并且路基底部应设置路拱，以保证雨期可以迅速排水，防止路基产生吸水膨胀，影响行车安全。施工完成后，使用压路机对场地进行碾压。（）测量放样在测量放样时，桩以涵洞轴线为中心线，向两侧对称布置，每隔 设置一个断面，每个断面按照左、中、右的顺序放置桩位。然后再根据预设桩间距精准标记出每根桩的位置，并在其中心处插入标记物。当测量放样完成后，需要告知操作手按照预订路线进行移动机器，以防对标识点位造成破坏。（）桩基础施工在桩基础施工时，需要技术人员全程认真记录桩基的各项参数，对现场进行宏观把控。当钻机就位后，要求钻杆精准对准桩位中心位置。钻机钻进过程中，一般先控制较慢的速度，然后逐渐加速钻进。当钻头钻进深度达到预设深度时，应及时停止钻进，并反复确认深度。如果钻探过程中，桩长无法达到预设长度或桩底土质比较软时，应联系设计人员，重新确定桩长。在进行钻机拔管时，应严格控制拔管速度，且拔管过程必须连续。在钻孔中输送混凝土时也应该保证连续性，混凝土应灌注到桩顶以上 ，先停机再停止泵送混凝土，以保证桩顶混凝土的密实性。（）桩间土清除在混凝土龄期达到后，对 桩的桩间土进行开挖和清理。清理时采取小型挖掘机搭配人工方式。现场开挖时需要专业人员在现场进行指挥，施工过程中应严防挖掘机撞坏桩头，以免对桩造成损伤。桩周土体通过人工清理干净。（）桩头环切通过测量挂线确定每根桩的桩顶设计标高，并在桩头用红油漆或墨线进行标识。桩头破除采用环切工艺，以尽量减少对桩头的扰动而形成浅层断桩的情况。每边切入深度不小于 。切完后在桩头切缝处同一水平面，按同一角度插入三根钢钎，用锤击打将桩头截断。再用钢钎铁锤将桩头从四周向中间修平。在环切过程中注意工人的防护工作，配备防护镜及手套。（）桩基础检测 桩成型后，对其采取低应变动力试验检测。检测数量为总桩数的，并且每个工点不应低于根。成桩 后采用复合地基载荷试验进行承载力检验，检验数量为桩总数的，每个工点不小于根。成桩 后，在桩体中心位置，桩长范围内垂直钻孔取芯，观察桩体完整性与均匀性，并在桩身上、中、下取不同深度的不少于个式样做抗压强度试验，试验数量为桩数的，且每个工点不少于根。（）桩帽施工在进行桩帽施工前，首先要做的就是将桩间土进行整平、压实等，并加强场地的排水。桩帽模板采用组合钢模板，确保不变形，保证桩帽成品质量。测量挂线确定模板四角位置，保证桩头处于桩帽中心。并严格控制好桩头标高，保证桩头深入桩帽不小于。桩帽混凝土施工完成后表面必须收光保证外观质量，并及时用土工布覆盖养护。桩帽施工完成后，回填桩间土采取细粒土填充，分两次进行填筑。每层采取小型压路机进行压实，每层压实厚度应大于等于 ，最大不应超过 ，压实质量必须严格满足设计要求。现场实测数据分析 复合地基承载力试验 桩加固后，基于平板载荷试验，对其基本承载力进行了研究。试验方法均参照相关规范要求，加载方式与载荷设置与上文天然地基的平板载荷试验完全相同。所得的荷载沉降量曲线如图所示。根据荷载沉降曲线及相关规范计算得出复合地基的基本承载力为 ，与天然地基相比，承载力提升效果明显，提升幅度达 。河北水利电力学院学报 图 桩加固后复合地基承载力 桩加固后沉降量实测以南川北站 断面为例，该处 桩的桩身长度为，进行路基填高与地基沉降的关系研究。由图可知，一阶段的路基填高最大为 ，二阶段的路基填高最大为 。在路基填筑过程中，随着填高的增加，桩顶和桩间土的沉降量均有所增加，表明上覆土体越重，沉降量越大。当路基填高达到最大后，沉降量增加速率变缓，趋于稳定。从沉降量的变化趋势来看，第二阶段的沉降量大于第一阶段的沉降量。图桩顶和桩间土沉降量实测曲线图 结论以南川北站典型断面为例，研究了工区膨胀土地基的加固方法和关键施工技术问题，得到了以下结论：（）天然地基的基本承载力为 ，桩加固后，复合地基的承载力为 ，地基承载力提升 。（）由三轴试验结果可知，工区膨胀土的平均压缩模量为 ，加载时膨胀土的轴向应变随着荷载的增加而增大，其初始增加速率较大。而当围压增大后，轴向应变的增加速率逐渐降低。（）桩加固后，从现场监测数据来看，在路基填筑过程中，随着填高的增加，桩顶和桩间土的沉降量均有所增加，填筑完成后，沉降量趋于稳定。参考文献黄春丽，马金龙，张涛