高速铁路斜底深厚流塑状软土地基加固处理设计_王开云.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202302028开放科学（资源服务）标识码（OSID）高速铁路斜底深厚流塑状软土地基加固处理设计王开云（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘要：高速铁路技术标准要求高，如何合理选择斜底深厚流塑状软土地基加固措施是设计的关键。结合西南地区高速铁路某车站中斜底软弱地基处理实例，采用桩筏结构、桩网结构，配套反压护道、桩顶系梁等综合措施，解决斜底软土地基加固问题。关键词：高速铁路；斜底地基；软土；横向稳定性；桩筏结构；桩网结构中图分类号：TU471.8文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0132 06 0 引言对斜坡软土工程特性的认识，始于铁路部门在内昆铁路的工程实践，铁路设计院对斜坡软土的性质和危害进行了系统研究总结1。众多学者也开展了相关研究。魏永幸等2通过数值分析、离心模型试验、现场测试等手段，进行斜坡软弱地基填方工程特性及工程技术研究，提出以限制斜坡软弱地基水平变形为核心的设计原则；姚裕春等3分析在斜坡地基上修建高速铁路路基工程可能存在的问题，提出应对的工程技术措施；黄兵等4对系梁式桩网结构加固斜坡软弱路堤进行数值模拟，进行了系梁布置形式、弹性模量与厚度等核心设计参数的敏感性分析。但中间无硬塑状土层过渡，流塑-软塑状软土层下直接为基岩，且软土与基岩衔接面陡斜的情况较为少见。高速铁路技术标准要求较高，如何合理选择此类地基加固措施是设计的关键。西南地区新建高速铁路某车站内分布有多段斜底深厚流塑状软土路基，本文结合此车站内的两段地基处理工程实例，介绍处理措施设计思路，最终采用桩筏结构、桩网结构；配套反压护道、桩顶加筋垫层、桩顶系梁等综合措施来解决斜底软土地基加固问题。1 工程概况 1.1 工程简介工点处原地貌为水塘、荷塘，线路以半填半挖逐渐过渡到填方通过，正线最大填高约 10 m，考虑站台墙高时最大填高约 11 m；填方基底不良地质特殊岩土为软土、松软土，局部软土厚达 11 m；该段软土具有高含水量、大孔隙比、高压缩性、低承载力等特点；部分地段基底土石分界面陡斜，陡斜面达 33。其不仅应考虑无碴轨道路基的沉降控制，还应充分考虑其横向稳定性5。1.2 地层岩性Qel+dl4Jpl3段内上覆第四系全新统，坡洪积（）软土（软粉质黏土）、松软土（软塑状粉质黏土），下伏侏罗系上统蓬莱镇组下段（）泥岩夹砂岩。Qel+dl4Qel+dl4Qdl+el4Jpl3-2 软土（）：褐黄色，软塑-流塑状，土质较纯，黏性较强；软土具有高含水量、大孔隙比、高压缩性、低承载力等特点。-3 松软土（）：褐黄色，软塑状，土质较纯，黏性较强；松软土具有较高含水量、较大孔隙比、较高压缩性、较低承载力等特点。-3 膨胀土（）：褐黄色，硬塑状，质较纯，局部含少量砂泥岩质碎石角砾。-3 泥岩夹砂岩（）：泥岩为紫红色，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落，具遇水软化崩解、失水收缩开裂等特性；砂岩多为长石石英砂岩，浅灰、紫红色，中-细粒结构，泥质胶结，中厚-厚层状，质稍硬。全风化带（W4）可见原岩结构，岩体风化呈土状；强风化带（W3）节理裂隙发育，质较软；以下为弱风化带（W2）。2 设计方案分析先按常规设计思路，采用 CFG 桩复合地基控制沉降+侧向约束桩控制横向稳定性的组合措施，收稿日期：2023 03 27作者简介：王开云（1979），男，福建南平人。高级工程师，硕士，主要从事岩土工程勘察设计工作。E-mail：。路基工程 132 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）通过沉降及稳定计算分析常规措施的可行性，再根据工程特点确定最终的加固方案。2.1 沉降控制措施分析本项目铁路时速 350 km，铺设无碴轨道，其工后沉降控制要求严格，工后沉降一般不超过扣件允许的沉降调高量 15 mm，且路基与桥梁、隧道或横向结构物交界处的差异沉降不大于 5 mm6。工点上部路堤填料参数取值为：容重=20 kN/m3，c=20 kPa，=25。其余各地层物理力学计算参数，见表 1。表1物理力学参数地层岩性岩土名称天然密度/（gcm3）黏聚力c/kPa内摩擦角/（）钻孔灌注桩极限摩阻力/kPa基本承载力/kPa压缩模量/MPa变形模量/MPa桩的极限端阻力标准值/kPa-2软土1.757.143.0120602.04/-3松软土1.8910.404.36301003.10-3泥岩夹砂岩W42.0020.0018.00602007.00泥岩夹砂岩W32.1035.00120300301900 软土层下直接为基岩，沉降计算时，CFG 桩极限最大桩长按照入基岩 0.5 m 考虑；桩间距按照 0.91.3 m 范围设置，结合堆载预压措施进行试算。工后沉降计算结果，见表 2。无堆载预压措施时，工后沉降量 1530 mm，不满足要求。当路堤填高大于 9 m 及流塑状软土厚度大于 9 m后，采用堆载预压措施后沉降量仍大于 15 mm，不能满足控制要求。表2工后沉降计算结果方案组合工后沉降范围/mmCFG桩桩间距0.91.3 m无堆载预压15303.1 m高堆载预压918 同时考虑以下几方面因素：倾斜基底中左侧软土分布浅薄，采用挖除换填处理，右侧深厚软土地基加固处理后的工后沉降仍较大，横向差异沉降5 mm 控制难以达到。流塑状淤泥质软土中的CFG 桩成桩效果差。堆载预压工期长，施工组织影响大。通过分析比较，采用桩网（桩筏）结构的刚性桩打入基岩方案解决沉降控制问题。桩网（桩筏）结构均采用钢筋混凝土桩基础，但支撑上承荷载的结构形式不同。桩网结构是由钻孔灌注或预制打入的钢筋混凝土桩(群)与桩帽及加筋垫层组成的结构。桩筏结构是由钻孔灌注或预制打入的钢筋混凝土桩(群)、垫层及钢筋混凝土筏板组成的结构。填土高度小于 3 m 时，在列车动荷载作用下，桩网结构柔性加筋垫层由于受到动力作用而变得复杂，目前还缺乏相应的研究。因此，填土高度小于3 m 时不宜采用钢筋混凝土桩网结构，宜采用桩筏结构5。按照此原则，工点中 DK51+305.0+350.6段选用桩筏结构加固地基，DK51+424.0+832.0段选用桩网结构加固地基。2.2 横向稳定性控制措施分析行车速度 350 km/h 路堤稳定安全系数要求，见表 3。对于斜坡软弱地基地段路堤，其稳定安全系数应根据软弱地基横向坡度大小修正 5。工点横向坡度大于 17.5，安全系数须增加 0.15。表3路堤稳定安全系数地形情况工况增加修正值安全系数非斜坡软弱地基施工期1.15运营期1.30斜坡软弱地基：工点横向坡度大于17.5施工期0.151.30运营期0.151.45 路基稳定处治设计中，应根据路堤填高、软土厚度及性状、不同斜坡地形等情况，经稳定性安全验 算 后，采 取 合 理 的 加 固 措 施。工 点 中DK51+305.0+350.6 桩筏结构加固段，最大路堤填高 3 m，左侧基底挖除换填至基岩，右侧基底软土层最大厚度未超过 8 m，桩上部筏板整体性受力，横向稳定性较好。DK51+645.0+754.0 桩网结构加固段路堤普遍填高 911 m，右侧软土厚度 811 m，部分地段为单一无硬壳的流塑状软土地层下伏基岩 W3，且基底土石分界面陡斜，仅桩网结构单一加固措施，不能满足横向安全稳定性。桩网结构加固段需进行横向稳定性计算，并采取加强措施确保横向稳定性。设计中主要考虑以下几种方式加强横向稳定性3,5,7：（1）在斜坡软土侧路堤设置反压护道，反压护道通过增加自重起到抵抗斜坡软弱地基下滑作用，提高横向稳定安全系数。（2）对桩间土进行加固，提高复合土层抗剪强度，提高土体的水平抗力系数。（3）在路堤可能发生滑坡的深度，预先采用搅拌桩加固至硬塑土层或加固至潜在滑面以下一定王开云：高速铁路斜底深厚流塑状软土地基加固处理设计 133 厚度，形成横向传力区，提高横向约束，减少位移。（4）在桩网结构桩顶采用纵横向刚性连接，使桩网结构中的桩形成整体框架式结构，桩身的弯矩、剪力更好地分担到桩网整体结构中，提高斜坡地基横向稳定性。先按照（1）（3）加固措施组合进行各方案稳定性安全验算。若（1）（3）加固措施组合仍不能满足稳定安全系数要求，则考虑（4）桩网结构顶部设置系梁方案。在站台墙里程范围附近断面软土厚度厚，路堤填方高，为检算控制性代表断面，运营期荷载包括路堤自重、列车和轨道荷载，为设计控制工况。运营期各方案组合计算结果，见表 4。表4各加固措施组合方案路堤安全系数方案组合安全系数无护道+系梁区域基底搅拌桩加固1.064 m宽护道+系梁至护道坡脚基底搅拌桩加固1.167 m宽护道+系梁至护道坡脚基底搅拌桩加固1.2510 m宽护道+系梁至护道坡脚基底搅拌桩加固1.40 水泥土多向搅拌桩及反压护道加固措施有效提高了路堤稳定安全系数，采用水泥土多向搅拌桩+10 m 宽反压护道加固情况下，计算安全系数1.40 略低于规范要求。因此，填方边坡需设分级宽平台作为反压护道，路堤右侧坡脚至系梁桩区域均需采用水泥土多向搅拌桩加固，同时在DK51+645.0+754.0 桩网结构加固段桩顶部需设置系梁进一步加强横向稳定性。按照 FS=1.45 反算最大推力，将桩位处最大推力 1 200 kN 作为桩结构的横向荷载。2.3 竖向承载力检算按照铁路工程地基处理技术规程TB1010620105，计算桩网（桩筏）结构单桩竖向容许承载力P并取其较小值，可得P=1 357 kN。站台墙平台至基底最大填高约 11 m，设计最大嵌入基岩 W3 层深度 9 m，单桩荷载 P=1 300 kN，单桩荷载 P竖向容许承载力P，竖向承载力满足要求5,8。2.4 系梁桩网结构计算系梁桩网结构按照杆系结构进行有限元数值分析计算。路堤填料（包括反压护道及碎石垫层）、地基岩土体均按照摩尔库仑弹塑性本构模型，采用弹簧单元模拟。钻孔灌注桩及系梁按照理想线弹性模型，采用梁单元模拟。钻孔灌注桩及系梁取容重=26 kN/m3，弹性模量 E=35 GPa，泊松比=0.15。其余参数（表 1），材料参数，见表 54,9。表5材料参数岩土名称弹性模量E/MPa泊松比水平向地基系数m/(kPacm2)地基系数K/(kNcm3)软土30.35500泥岩夹砂岩W31200.3260000路堤填料200.33 未设置系梁的钢筋混凝土桩桩体最大弯矩896 kNm、最大剪力 256 kN。设置系梁的桩体最大弯矩 330 kNm、最大剪力 190 kN，系梁最大弯矩 130 kNm、最大剪力 283 kN。系梁组合结构有效地分担了桩体弯矩和剪力，提高了斜坡软土横向稳定性。根据铁路工程地基处理技术规程，还需进行桩网结构地基路堤侧向滑动稳定计算，按其条文说明中的公式计算主动土压力 Ea=356.1 kN/m，加筋垫层设计拉力 f=25.6 kN/m。加筋垫层加筋体土工格栅设计拉力为 200 kN/m，按两层土工格栅设置，加筋垫层加筋体设计拉力 T1=400 kN/m。T1Ea f，满足规范要求。3 工程设计措施工程平面示意，见图 1。DK51+305挖除换填挖除换填挖除换填挖除换填桩网结构桩网结构水泥土多向搅拌桩水泥土多向搅拌桩塘塘塘水泥土多向搅拌桩挖除换填水泥土多向搅拌桩桩网结构水泥土多向搅拌桩桩网结构挖除换填挖除换填挖除换填桩筏结构挖除换填挖除换填桩筏结构桩网结构桩网结构桩网结构3.7DK51+30517.9DK51+350617.9DK51+3506DK51+4243.714.1DK51+42419.0+46019.0+49019.021.0+55021.023.4+57023.425.8+61025.828.2+63028.230.6+69040.346.0+74028.246.0DK51+83228.246.1DK51+83221.539.4+78021.539.4+75011.721.538.9+64540.3+71830.6+46014.1+51014.116.5+53016.518.9+57018.921.3+60021.3+64515.8+6502.7+7102.7+710+7302.7+75415.82.111.7+65021.34567834图1工程平面示意路基工程 134 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）3.1 DK51+424.0+832.0 段高填方段路基本段桩网结构地基加固代表性横断面示意，见图 2。地基加固平面布置示意，见图 3。（1）左侧基底采用分层台阶挖除换填至 W3或 W2 岩层。（2）基底挖除换填边界至右侧正线无碴轨道影响范围（无站台范围对应路堤右侧坡脚，站台范围对应站台墙起点按 11.5 放坡至地面坡脚范围）采用桩网结构加固。其中 DK51+645.0+754.0段桩网结构正线右侧坡脚，最外侧 5 排钢筋混凝土桩桩顶设置系梁。纵、横向系梁截面尺寸均为 0.8 m0.8 m。C35 钢筋混凝土桩基采用 60 cm 钻孔灌注施工，正方形布置，桩间距 2.4 m。桩顶嵌入桩帽或系梁内长度不小于 5 cm。无系梁段桩，桩基顶设置边长 1.4 m 的正方形 C35 钢筋混凝土桩帽，桩帽高 0.4 m。桩顶铺设 0.6 m 厚碎石垫层夹两层土工格栅(单向 PET 聚脂土工格栅，纵向抗拉强度200 kN/m)加固。0.6 m碎石垫层夹两层土工格栅级配碎石掺3%水泥钢筋混凝土系梁水泥土多向搅拌桩人字型截水骨架内撒籽间植灌林护坡水平铺设土工格栅（幅宽4 m）11.7511.511.5人字型截水骨架内撒籽间植灌林护坡水平铺设土工格栅（幅宽4 m）0.6 m碎石垫层夹两层土工格栅4.018.510.7-2-3-3W3-3W4钻孔灌注桩-3W3-3-3W2图2桩网结构地基加固代表性横断面示意（单位：m）桩帽+桩网加固区有系梁桩网加固区水泥土多向搅拌桩加固边缘线多向搅拌桩矩形布置区域多向搅拌桩正三角形布置区域大里程端水泥土多向搅拌桩边界路肩线桩网结构加固边缘线股道中线股道中线桩网结构加固边缘线小里程端桩网间距多向搅拌桩间距水泥土多向搅拌桩桩帽+钢筋混凝土桩有系梁钢筋混凝土桩2.42.41.21.11.11.11.2图3桩网结构地基加固平面布置示意（单位：m）（3）DK51+750.0+832.0 段左侧基底、DK51+645.0+832.0 段右侧基底采用水泥土多向搅拌桩加固。桩径 0.5 m，采用正三角形布置，桩间距为1.1 m。（4）DK51+650.0+750.0 段右侧路堤边坡外侧设置反压护道，护道顶面位于路肩以下 6.0 m处，站台里程范围护道顶宽 4.0 m，无站台里程范围护道顶宽 10.0 m，过渡里程范围护道顶宽 4.0王开云：高速铁路斜底深厚流塑状软土地基加固处理设计 135 10.0 m。3.2 DK51+305.0+350.6 段半填半挖段路基本段桩筏结构地基加固代表性横断面示意，见图 4。地基加固平面布置示意，见图 5。1.2-3-3W3-3W2-2-3W2边坡平台筏板+找平层+垫层钢筋混凝土桩换填合格填料桩筏结构加固区桩筏结构加固区11.2511.5314图4桩筏结构地基加固代表性横断面示意（单位：m)3.7路肩线大里程端股道中线股道中线17.9桩筏结构加固边线桩筏结构加固边线小里程端2.42.4图5桩筏结构地基加固平面布置示意（单位：m)（1）路肩高程以下 3 m 范围内采用挖除换填处理。左侧基底采用分层台阶挖除换填至 W3 或W2 岩层。（2）基底挖除换填边界至右侧路堤坡脚平台外侧范围采用桩筏结构加固。C35 钢筋混凝土桩基采用 60 cm 钻孔灌注施工，正方形布置，桩间距 2.4 m。桩顶高程在同一水平面上。钻孔桩桩顶设置 0.2 m 厚碎石垫层+0.1 m 厚C15 素混凝土找平层。找平层顶设置 0.5 m 厚 C35 钢筋混凝土筏板，筏板顶面高程在同一水平面上。每块筏板之间设置 0.02 m 伸缩缝，缝间填塞沥青木板。4 工程效果代表性断面 DK51+593.0 路堤基底中心位置传感器的时间-沉降曲线，见图 6。路基沉降主要发生在 2012 年 8 月2013 年 2 月期间，2013 年 2 月以后沉降曲线基本趋于平缓，路基沉降趋于稳定，最大累积总沉降 4.51 mm，满足无碴轨道的工后沉降要求。路堤整体是稳定安全的，加固效果良好。00.51.01.52.02.53.03.54.04.5沉降量/mm观测日期2012-08-162012-09-302012-11-162013-01-042013-02-222013-04-112013-05-312013-07-182013-09-062013-10-162013-12-042014-01-232014-03-14图6DK51+593.0 路堤基底监测点时间-累积沉降5 结语本文结合西南地区高速铁路某车站内的两段地基处理工程实例，介绍了处理措施设计选择思路，最终采用桩筏结构、桩网结构；配套反压护道、桩顶加筋垫层、桩顶系梁等综合措施来解决斜底软土地基加固问题。（1）深厚流塑-软塑状软土层下直接为基岩的软土路基采用传统地基加固方式，较难满足高速铁路无碴轨道沉降控制严格的要求。桩网（桩筏）结构具有竖向变形小、施工方便等优点，可更好地处理此类问题。（2）深厚软土地段，同时遇到软土与基岩衔接面陡斜时，仅采用桩网结构加固，其横向稳定性不足，需采用综合处理措施加强配套来解决。（3）在斜坡软土地基的斜坡侧坡脚，设置反压护道增加自重抵抗下滑，采用搅拌桩与土体形成复合地基共同承担荷载，发挥桩土共同作用。反压护道及基地搅拌桩加固，对提高路堤稳定安全系数效果十分明显。设计中根据路堤填筑高度、软土厚度及性状、不同斜坡地形等情况，经计算分析可组合灵活选用。（4）在桩网结构桩顶增加系梁，形成钢筋混凝土桩和系梁组合整体结构，使桩身的弯矩、剪力更好地分担到桩网整体结构中，可弥补桩网结构在斜坡软土情况横向稳定性不足的局限性，丰富桩网结构解决工程问题的适用场景。（5）桩网结构的横向稳定性计算方法，目前还不是很成熟。可进行有限元计算分析，对各桩之间受力分布情况进行研究，更好地指导设计。参考文献(References)：1 苏志强,米德才,李毅.六河路斜坡软土路段路基稳定处治技术J.公路交通科技(应用技术版),2009,5(10):73 75.路基工程 136 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）SU Z Q,MI D C,LI Y.Subgrade stability treatment technology of slopesoft soil section of Liuhe RoadJ.Highway Traffic Technology,2009,5(10):73 75.2 魏永幸,罗强,邱延峻.斜坡软弱地基填方工程特性及工程技术研究 J.铁道工程学报,2006,23（9）:10 15.DOI:10.3969/j.issn.1006-2106.2006.09.003.WEI Y X,LUO Q,QIU Y J.Research on engineering characteristics andengineering 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