客运专线铁路软土地基加固处理方案选择与设计.pdf

线路 路 基 客运专线铁路软土地基加固处理方案选择与设计 张利 国 (铁道第三勘察设计院集团有 限公 司，天津3 0 0 2 5 1)摘要：客运专线铁路 路基 工后 沉降控制 标准 高，增加 了软 弱 土地基 沉降控制难度。根 据软土类型及特征，探 讨适 用于客 运 专 线铁 路 软 土 地 基 处 理 方 案、地 基 加 固 的 优 化 设 计 和 变 形 计 算，对软弱 地 基加 固 方案、设 计 参 数、沉 降计 算 方 法 等提 出 建议。关键词：客运 专线铁路；地基加 固方案；优 化设计；沉降检算 中 图分 类 号：U 2 3 8；U 2 3 1 1 5 文 献 标 识 码：A 文 章 编 号：1 0 0 42 9 5 4(2 0 1 0)1 00 0 2 50 3 1 概述 软土是指近代水下沉积的饱 和松软的黏性土，一 般 的把 天然 孔 隙 比大 于 或 等 于 1 0，且 天 然 含 水 量 大 于液 限的细粒 土判定 为软 土，包 括 淤 泥、淤 泥质 土、泥 炭、泥炭质 土等。软 土天然 含水量 等于 或大 于液 限，一 般大于 4 0 ，最高可达 9 0，孔隙 比大于 1。其压缩 性高，压缩模量一般在 1 5 MP a。软土因其承载力很 低，并且在 上部施 加荷 载后会 产生较 大 的沉 降变形，所 以在修筑路 堤之前 要 进 行适 当 的处 理，方 能 满 足 铁路 客运专线路基的设计要求。由于客运专线对沉降变形的苛刻要求，在初步设 计 之前 的勘察选 线 中，对 于深 厚 软 土地 段 首 先要 进 行 选线研究和路改桥的技术经济比较，在进行综合 比较 中选择地 基处理 方 案。而 在 线 位相 对 确定 的条 件 下，地 基处理 方案 的选 择 又 直接 受 地 质 条件、软 土 的性 能 及 工程变 形要求决 定。2软土地 基加 固处理 方案 的选择 选择加固处理方法时，必须查明地形和地质条件，根据路堤高度、填料及工期结合路基稳定及变形控制 要求，同时综合 考虑施 工条 件、周 围环 境等诸 多 因素选 择技术 可行，而且 经 济适 用 的方 法。地层 条件及 土性参 数是 选择地 基处 理方 案 的首 要 收稿 日期：2 O L O一0 3 2 0；修 回E t 期：2 O l O一0 7l 5 作者简介：张利国(1 9 7 0 一)，男，高级工程 师，1 9 9 4年 毕业 于河北 地质 学院地质系地勘专业。依 据，首 先根 据地层 条件 和处理 深度，地基处 理分 为浅 层 处理 和深层 处 理两 种。浅 层 处理 主 要 包括 换 填、压 实或夯实、风干、拌填混合材料及铺设土工材料等，用 于处理埋 藏浅、厚度 小 的软土层。实践证 明，浅层软 基 处理的设计和施工都较易操作，处理效果也容易保证。深层 处理 主要采 用 排 水 固结 法 和 复合 地基 法，由 于铁路客运专线对路基变形控制 的要求 十分严格，多 采用复合地基处理方法。深 厚软 土地 基加 固深度应 穿透 软土，避免悬 浮桩。加 固桩 型 可采用 预制 桩及 加 固土桩，软 土地基 C F G桩 质量控制较为困难，应慎用；粒料桩变形相对较大，一 般 所需 工期较 长，在客运 专线铁 路 中应 用较 少。预 制桩加 固地 基一般应 设置 筏板 基础或 设置 桩帽 结构以利桩身能力发挥。筏板结构一般应设置 0 1 0 3 m厚 褥垫层 以保 证各 桩受 力 及变 形 协调。桩 帽 的 设置有利于土拱的形成，其上一般设置垫层加筋结构。加 固土桩技 术近 年 来 在我 国获 得 长足 发展，多 向 搅拌 技术 的发 明和掺砂 技术 的采用 解决 了桩体 强度控 制和 提高技术 难题，为 加 固土桩 的广 泛应 用 提 供 了 良 好 的支 撑。加 固土桩桩 顶一般 设置 垫层加 筋结构 以调 整 桩土 受力。3软 土地基 加 固方案 设计 软土地 基加 固方 案设计 一般 步骤：(1)根 据地 质勘察 报告，确定桩 问土 承载力；(2)根据地质勘察报告，确定桩端持力土层，初步 确定桩长，并计算单桩承载力；(3)根据施 工工 艺，确定桩径；(4)计算不 同桩间距时的复合地基承载力；(5)根据复 合地基 承 载力要求 确定 桩 间距；(6)计 算复 合地基 变形；(7)判断变形是否满足要求(如不满足，需调整桩 长 与桩 间距)。复合地 基设计 中几 个重要 设计参 数 的确定。(1)桩 型选 择：一 般 根 据 地 层 地质 条 件及 施 工 机 7 梁广深 地铁设计 中几个热 点问题 的探 讨 J 城市 轨道交通研 究，2 0 0 2(1)8 苏梅 我 国城市铁路最高设计速度值研究 J 交通运输系统工 程 与信息，2 0 0 4(4)铁道 标准设 计R AI L W AY S T A N D A RD D E S I G N 2 0 1 0(1 0)9 铁道第三勘察设计院集 团有 限公司 沈阳至铁岭城际铁路工程可 行性研究报告 R 沈阳：2 0 0 9 1 0 铁道第三勘察设计 院集 团有限公司，沈阳至抚顺快速铁路客运 工程一期工程可行性研究 R 天津：2 0 0 7 2 5 线 ii 路 基 张利国一客运专线铁路软土地基加固处理方案选择与设计 械情况通过经济技术 比较确定，软土地区宜优先采用 质量易 于控制 的预制 桩加 固方案。(2)桩长：应根据上部结构对承载力和变形 的要 求通过计 算确定 桩长，并 宜 穿透 软 弱 土层 到 达 承载 力 相对较 高 的 土 层，在 深 厚 软 土 层 中应 避 免 采 用“悬 浮”桩。(3)桩径：一般采用 5 0 0 m m，或通过经济技术比较 确定。(4)桩 间距：桩 间距 的大 小 取 决 于 设计 要 求 的复 合地基 承载力 和变 形。一 般设 计 要 求 的承 载力 大 时，间距取小值，但必须考虑施工时相邻桩之间的影响，就 施工而 言希望 采用较 大桩距，因此应 综合 考虑。(5)垫层厚度：一般 采用 0 4 0 6 m。4复合地基 变形检 算 客运 专线铁路 软 土路 基 设计 时，沉 降 检算 是 一 个 十分关键的环节。由于客运专线铁路路基沉降控制标 准高，地基处理多采用 C F G桩、管桩、灌注桩等半刚性 或刚性桩进行加固。按复合地基，荷载通过基础将一 部分荷载直接传递给地基土体，另一部分通过桩体传 递给地基土体。在荷载作用下，增强体与天然地基土 体通 过变形协 调共 同直接承 担荷 载作用是 形成 复合地 基 的基 本条件 。图 l 反 映的是 目前客 运专线 路基沉 降控制中常采用的的几种地基加固形式情况。(a)(b)(c)图 1 客运专线路基地基加 固常用形式 在路堤荷载作用下，刚性筏板基础可以保证桩和 土共 同直接 承担荷 载，可更 充分 发挥桩 的承载 潜能，如 图 1(a)所示。为 了保 证桩 和桩 间土共 同承担 荷 载，可 在刚性 筏板基 础下设 置 一 定厚 度 的柔性 垫 层，通 过柔 性垫层的协调，可以减少桩土荷载分担 比，充分发挥桩 间土 的承载 潜能，如 图 1(b)中所 示。还可在 路堤 下直 接设置碎石加筋垫层来提高桩土荷载分担 比，在京沪 高速铁 路设计 中在桩 顶加 帽使桩 的承载 潜能得 以更充 分 的发挥，如 图 1(c)所示。加 固桩采 用 C F G桩、低强 度 素混凝 土桩、预 制管桩、钢筋 混凝 土灌注桩。地基沉降一般采用分层总和法计算，对于饱和土 地 基按照太 沙基 固结 理论 进 行 计算，对 于 非 饱 和土 地 基按 照 建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范(G B 5 0 0 0 7-2 0 0 2)进行计算，复合地基加 固下卧层沉 降计算时 应考虑应力扩散影响，对于地基土层沉降变形完成时 间，采 用理论 分析(包 括规 范经 验)和 施工 时 现场 实测 2 6 的方法，通过精确 的沉降观测来推算。目前设计多采 用 复合模 量法或 桩基方 法疏桩 理论 进行沉 降计算。4 1 天 然地基 的沉 降计算 天然地基 的总沉降量 一般情 况下 可 由瞬时沉降 与 主 固结 沉 降之和计 算。此 外，对 于泥炭 土、富含有机质 土和高塑性黏土地层，可视情况考虑计算次固结沉降。地基的总沉降除了按前述的分瞬时沉降、主固结沉降、次 固结 沉降 3部 分计 算，也 可 以采 用 沉 降 系数 与 主 固 结 沉降计 算。计 算过程 可参 考相关 手册。4 2 复合地基 变形计 算(1)直 接计算 法 s=式中Js 复合地基最终沉降量，m m；复合地基沉降折减系数；P 对应于荷载标准值 时的基础底面处附加 压力，k P a；基础底面至复合地基底面平均附加应力 系数；由基础底面算起 的复合地基的厚度，m；E 。复合地基变形模 量，MP a，可 由载荷试验 直 接测得。当复合 地基 的厚 度 小 于地 基压 缩 层 厚度 时，应 同 时计 算下 卧层 变形。(2)复合模 量 法 复合模量法是通过复合求和计算，由桩与土的模 量求 出复合地 基 的模量，再 按 直 接计 算 法求 复 合 地基 变形 E 。=m E。+(1一m)E 式 中 E 桩 的变形模 量或 压缩模量；E 天 然地基 的变形 模量或 压缩模 量；E 。桩土复合 体 的模量；当 E。为变形模量 时，复合后的 E 。亦为变形模量，当 E。为 压缩 模 量 时，复 合 后 的 E 。亦 为 压 缩 模量。m 置换率(以小 数表示)。(3)沉降折减法 利用沉降折减法需先根据桩间土的变形参数，按 天然地基计算其最终沉降量 s。，折减系数可根据沉降 观测资料对 比确定，也可按下面的计算式求出 S=J B S 0 卢 s 或 卢=E E p 式中 s 与桩 间 土 同性 质 的 天然 地基 最 终沉 降量；沉降折减系数，0 1；铁道 标准设计R A I LW AY S T A ND A RD D E S I G N 2 0 1 0(1 0)张利 国一客运专线铁路软土地基加 固处理方案选择与设计 n 桩土模 量 比，由试 验 测 定，也 可 以参 照 当地或类 似试 验工 程 的试 验 资料 确 定。无 资料 时，对 于粒 料 桩 地 基 可 取 2 5，对 于加 固土桩 地基 可取 3 6，当桩底 土 质好、桩 间土 质差 时 取 高 值；否 则 取 低值。4 3地基沉 降计算 一般 情况下，水 泥 土桩、C F C桩 加垫 层、C F G桩 带 帽加垫层、刚性筏 板 基础 下 加 柔性 垫 层 等 均可 以按 复 合地基进行沉降检算。但当加 固桩采用预制管桩 或钢筋混凝土灌注桩等刚性桩 时，宜按复合桩基进行 沉 降检算。地基 的沉降包 括加 固 区的变形 和下 卧层 的沉降两 部分。加 固区 的变 形计算 根据 不 同的地基 处理 措施选 择不 同 的方 法，下 卧层 的沉 降按 照 天 然地 基 的沉 降计 算方法 进行计 算。当检 算 结 果 不满 足 设 计要 求 时，要 根据路 基沉 降控制 分析结 果调 整设计 方案。5 实例(1)工 程概 况 某客 运专线 软 土路 基 地 段位 于 东北 沿海 地 区，地 层为素填 土、黏 土、粉质 黏 土、粉 土、淤 泥、淤 泥质 粉 质 黏 土、粉 质 黏土 和 粉砂。其 中，淤 泥，褐 灰 色，流 塑，呈 透镜 状分 布，层 厚 0 5 0 m；淤 泥 质 粉 质 黏 土，褐 灰 色，流塑，呈 透镜状 分 布，层 厚 0 7 3 1 0 I n。淤 泥 和淤 泥 质粉 质黏土 为软 土。本段路基填高 6 m，基底宽度为 3 2 m，路堤基床表 层填筑 级配 碎石，厚 0 4 m；基 床底 层及 以下 填筑 A、B 组土。路堤 两 侧 采 用 拱 形 骨架 护 坡 结 合 种 紫 穗 槐 防 护。基底采用桩基加 固。基床底层施工完成后，实施 堆载预 压。路基 横 断面设计 如 图 2、图 3所 示。基 床表层 粉 图 2桩网路基标 准横 断面 形式(A断面)图 3桩板路基标准横断面形式(B断面)(单位：m)铁道标准设计R A I LW AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 0(1 0)线路 路 基 (2)路基加 固沉 降检算 分析 按 客运专线无砟轨道铁路设计指南 的相关 规定，路 基工 后沉 降一 般不 应 超 过 扣件 允 许 的沉 降 调 高量 1 5 mm；沉降比较均匀、长度大于 2 0 In的路基，允 许的最大工后沉降量为 3 0 m m，并且调整轨面高程后 的竖 曲线半径应能满足下列要求 R h 0 4v2 j 式 中 尺 轨 面 圆顺 的竖 曲线半 径，m；，设计 最高 速度，k m h。对不同桩型复合地基分别采用理正软件、复合地 基沉降计算模板进行计算。根据本地区工程特点，计 算主要 参数 选取如 表 l 所 示。表 1 主要计算参数 检算结果显示：搅拌桩、砂浆桩、旋喷桩复合地基 均 不 能 满 足 变 形 要 求，考 虑 工 前 已 完 成 总 沉 降 的 5 0 7 0 ，采用 C F G桩复合地基 的沉降控制即可达 到设 计要 求。见表 2。表 2 不 同桩型沉降检算结果 路基沉降在横断面方向一般表现为“锅底”状，其 中心 区域 沉 降明显 大于两侧 坡脚。根据 京津 城际铁路 的监测结 果，在 桩顶 设 置 刚性 筏 板 可 以大 大平 缓 这种 不 均匀沉 降，同 时 使 工后 沉 降 也 有 所 减 少。因此，在客 运专 线软土路 基设 计 中可优先 考虑桩 板形 式。(3)桩 型及路基 结 构形式 选择 经计算 和技术 经 济 比较，本 段 路 堤基 底 最 终采 用 C F G桩加 固，桩径 0 4 m，纵 向 间 距 1 5 In，横 向间 距 1 2 0 1 5 0 m，桩 长 2 5 2 7 m，桩 顶 设 置 0 1 5 m 厚 的 碎 石垫 层，碎 石垫 层顶设 置厚 0 5 m的 C 3 0混凝 土板，基床底层施工完成后，实施堆载预压。通过沉降观测 变形来看，地基加固处理达到了设计的预期效果。6 结 论 选择地基处理方案时要做到 因地制宜，根据地层 条件、施工条件和工程技术要求来综合确定。首先考 察地基条件 的适宜性，软弱层浅埋地段，可采用换填 27 线路 路 基 A b u j a 城铁 L o t l B线 G a i k i 站至 Wu s e 站 区段选线技术方案探讨 顾拥武(中国土木集 团工程有限公 司，北京 1 0 2 3 0 0)摘 要：A b u j a 城铁 L o t l B线是 尼 日利 亚 首都 修 建的 第一条城 市铁路，G a i k i 站至 Wu s e 站 区段 地形 复杂，线路 长度在 3 4 k m 的范围内，最大地面 高差达到 4 5 m，选线 难度很 大。通过 调查 当地气象水文情况，主要 材料价格，对高 架桥、高架站、深路 堑 及 地 面 线 几种 选 线 方案 和 车 站 布 置 方 案 进 行 技 术 经 济 比 选 和 可行性比选，分析影响土 建工程造 价的主要 因素，提 出较 为合 理、经 济、适 用 的技 术 方 案。随 着 中 国轨 道 交 通 技 术 逐 渐 走 向 国外，该文章对国外类似 工程选线有一定的参 考意义。关键词：选线；高架；深路堑；技 术方案；投资估算 中 图分 类 号：U2 3 9 5 文献 标 识 码：A 文章编号：1 0 0 4 2 9 5 4(2 0 1 0)1 0 0 0 2 8 0 5 1 概述 尼 日利 亚首都 A b u j a(阿 布贾)坐落 在尼 日尔 州 境 内，为尼 日尔 州、卡杜纳 州、高 原 州和 克 瓦拉 州 的 交 汇 点，距 离拉各 斯 约 5 0 0 k m，是 全 国的 地 理 中心。由 于 拉各斯 城既 是全 国第 一大 港，又是 全 国工 业 中心，人 口 过于稠 密，城 市 交 通 拥 挤，且 该 城 位 于 尼 日利 亚 的西 陲，故 而 尼 日利亚 政府 1 9 9 1年 1 2月 首 都从 原 拉各 斯 正式迁入 A b u j a。作为首都城市，近年来 A b u j a 发展非 常迅速。根据尼 日利亚国家发展规 划，A b u j a远期将形成 衔接东、西、南、北 四个方 向的铁路枢纽，是尼 日利 亚三 收稿 日期：2 0 1 00 4 0 7 作者简介：顾拥武(1 9 7 3 一)，男，高级工程 师，1 9 9 5年毕业 于长 沙铁道 学院铁道工程专业。法，对于深厚松软土路段则适宜采用复合地基，重点在 于桩 型、桩径、桩 长及 桩 间距 的优 化选择。水 泥土桩、C F G桩、低 强 度 素混 凝 土 桩 复 合 地 基 在 内陆盆地及 东北部 沿海 地区 的软土处 理有很 强 的适 应性，在京津城际和京沪高速铁路的路基设计中，采用 桩上 刚性筏板 和桩 帽在 地基加 固及 变形控 制方 面取得 了良好效果。当采用预制管桩或钢筋混凝土灌注桩等 刚性桩时可使路基变形得到更充分的控制。在软土地基加固处理设计 中不仅要遵 循一般规 律，而且要重点考察 当地的特点和工程的具体要求，使 各项参数的选取符合当地的实际。有必要进行经济条 件下 的方案 比较，使 设 计指 标 在经 济 技 术条 件 下 都达 纵三横路网规划中南北 中线和东西南线 的交汇点，是 联系东、西、南、北四个方向地区以及北部港 口与中南 部 内陆 的主要纽 带 和交 通要 道，将 成 为尼 日利 亚重 要 的人流、物流 中心之一。A b u j a 地 区铁路 交通 系 统早 在 1 9 8 1年，首都 地 区 交通部就进行了规划，并在 2 0 0 6年进行了修订。尼 日 利 亚 A b u j a 城 铁初 期线 网 由 L o t 1 A、L o t 1 B、L o t 2、L o t 3线构成。2 0 0 6年 1 2月完成 了其中 L o t 1 A、L o t 1 B和 L o t 3方案研究，线路总长 6 0 6 7 k m。2 0 0 7年 8月根据 城市 规划 的调整，将 3条 线 路长 度调 整 为 7 7 6 k m，先 期建 设 L o t 1 A、L o t 1 B和 L o t 3线，并考虑 L o t 2线预 留 到 以后修 建。2 L o t 1 B线 Ga i k i(盖奇)站至 Wu s e(乌塞)站 区段工 程条件(1)自然地理 A b u j a 市 区 占地 2 5 0 k m ，地处 尼 日利 亚北部 豪 撒 高平 原，一 般 海 拔 4 0 0 m，地 理 位 置 适 中，地 形 开 阔。属热带稀树草原气候，凉爽宜人，水源丰富。市区规划 为新 月形，位于首 都 区东 北 部瓜 瓜 平 原上。市 中心 为 国家政 府 机关 和商 业 区，建 有 总 统 府、国会 大厦 和立 法、司法部门等高层建筑。市中心以南为主要居民区，市南端 规划 为工业 区。有 通往机 场及各 州首府 的高速 公路。(2)气 象 区内属热带 季风气 候 区，分 干、湿 两季。4l 0月 到最优。参考文 献：1 龚晓南 复合地基理论及工程应用 M 北京：中国建筑工业 出版 社 2 0 0 2 2 G B 5 0 0 0 7-2 0 0 2，建筑地基基础设计规范 s 3 屈晓辉，崔俊杰 客运专线铁路路基设 计技术 M 北京人民交 通出版社，2 0 0 8 4 邓跃光，黄荣 C F G桩复合地基的原理和设计 J 地 质灾害与环 境 保护，2 0 0 2(3)：6 97 2 5 丁桂伶，王连俊，刘升传 柔性 基础下 褥垫层厚度 对带帽 C F G桩 符合地基特性分析 J 岩土工程学报，2 0 0 9，3 1(7)：9 9 7 1 0 0 1 6 铁建设 函 2 0 0 5 7 5 4号，客运专线无砟轨道铁路设计指南 S 7 崔维孝，赵成刚 深厚压缩层地基条件下路 基沉降控制 J 铁道 工程学报，2 0 0 7(1 2)：2 83 1 铁道标准设 计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0(1 0)