速鐵路軟土地基處理技術(shù)摘要：鐵路路基工程中經(jīng)常會遇到軟土問題，處理的質(zhì)量與選擇的方法將直接影響到軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全使用，因此軟土地基的處理技術(shù)對高速鐵路建設(shè)十分重要。本文首先闡述了軟土地基尤其是鐵路軟土地基的特點，對目前常用的軟土地基處理方法以及新技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，然后提出適合高速鐵路軟土地基處理的方法，并發(fā)展和提出了高速鐵路軟土地基處理的新技術(shù)，對高速鐵路軟土地基常用的處理方法及其施工工藝進(jìn)行詳細(xì)介紹。關(guān)鍵詞：軟土高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)地基處理1．前言軟土是在靜水或緩慢流水環(huán)境中以細(xì)顆粒為主的近代沉積物,其天然含水量大、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、滲透性小,是一種呈軟塑到流塑狀態(tài)的飽和粘性土。由于高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)修建在軟土中,則此結(jié)構(gòu)的地基就稱為高速鐵路軟土地基。軟土作為特殊土的一種，有其獨特的土力學(xué)性能：軟土的天然含水量高，一般大于30%；孔隙比大，天然孔隙比e>1；壓縮系數(shù)1120.5~2α=MPa；透水性低,豎向與水平滲透性不同，一般垂直方向的滲透性系數(shù)要小些；抗剪強(qiáng)度低,因為軟土的內(nèi)摩擦角接近于零，抗剪強(qiáng)度主要決定于內(nèi)聚力；軟土具有觸變性與流變性。鐵路在通過沿海一帶及湖泊沼澤地區(qū)時，常常會遇到軟土地基問題，主要有路基沉降不穩(wěn)定及變形過大；路基邊破失穩(wěn)外擠；路基基床病害等。由于軟基變形對鐵路路基運(yùn)營期間造成了較大的危害，它影響了行車安全，增大了線路的養(yǎng)護(hù)維修量。從50年代開始，鐵路工程技術(shù)人員就針對路基工程遇到的軟土地基處理問題進(jìn)行了大量的現(xiàn)場軟基試驗和研究。經(jīng)過幾十年的努力，通過提高現(xiàn)場勘察技術(shù)和手段、采用各種新的原位測試技術(shù)和方法、應(yīng)用各種軟基處理新技術(shù)和新方法，使鐵路路基工程遇到的軟土地基處理問題得到了較好的解決。2．軟基的破壞形式軟土由于其不良的工程力學(xué)特性，對工程有極大的危害性，綜合分析主要有以下幾種形式：①剪切破壞，由于地基抗剪強(qiáng)度不足以承受其上列車所施加的動、靜荷載，造成破壞，表現(xiàn)為使鄰近地基產(chǎn)生隆起；②由于軟土地基的高壓縮性，發(fā)生不均勻沉降，使軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)由于應(yīng)力集中出現(xiàn)裂縫，最終使軌道結(jié)構(gòu)遭到破壞，失去其使用功能；③由于軟土地基的高空隙比與高含水率，在使用中發(fā)生排水固結(jié)，發(fā)生不均勻沉降，使軌道結(jié)構(gòu)下沉量過高，影響使用功能。在工程應(yīng)用實際中，由于鐵路路基是承受靜、動雙向荷載，其受力的復(fù)雜性，決定其軟土地基發(fā)生均勻沉降的可能性極小。3.軟土地基處理方法分類及應(yīng)用范圍經(jīng)過長期工程實踐已形成了多種形式的軟土地基處理方法，如下：3.1換填墊層法此法處理的經(jīng)濟(jì)實用高度為2～3m，如果軟弱土層厚度過大，則采用換填法會增加棄方與取土方量而增大工程成本。通過換填具有較高抗剪強(qiáng)度的地基土，從而達(dá)到增強(qiáng)地基承載力的目的，滿足軌道結(jié)構(gòu)對地基的要求。主要加固方法有換填、拋石擠淤、墊層、強(qiáng)夯擠淤幾種。墊層法根據(jù)材料的不同可分為砂(礫石)墊層、碎石墊層、粉煤灰墊層、干渣墊層、土(灰土、二灰)墊層。代表方法有砂墊層法及換填法。3.2深層密實法適用于軟土厚度>3m的中厚軟土的加固，分布面積廣的軟基加固處理，其加固深度可達(dá)到30m。通過振動、擠壓使地基中土體密實、固結(jié)，并利用加入的具有高抗剪強(qiáng)度的樁體材料置換部分軟弱土體中的三相(氣相、液相與固相)部分，形成復(fù)合地基，達(dá)到提高抗剪強(qiáng)度的目的。主要加固方法:強(qiáng)夯法、土(或灰土、粉煤灰加石灰)樁法、砂樁法、爆破法、碎石樁法(振沖置換法)、石灰樁法、水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁法)、粉噴樁法、旋噴樁法。代表方法有碎石樁法、強(qiáng)夯法、水泥粉煤灰碎石樁法、粉噴樁法。3.3置換法由于深層密實法中的幾種方法都有加入高抗剪強(qiáng)度的材料，置換軟土中部分成分的加固機(jī)理，與原有的土體共同組成復(fù)合地基，達(dá)到加固地基的目的，因此深層密實法有時也稱為置換法。3.4排水固結(jié)法適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)粘土及沖填等飽和粘性土地基。軟土地基在附加荷載的作用下，逐漸排出孔隙水，使孔隙比減小，產(chǎn)生固結(jié)變形。在這個過程中，隨著土體超靜孔隙水壓力的逐漸擴(kuò)散，土的有效應(yīng)力增加，并使沉降提前完成或提高沉降速度。主要加固方法:堆載預(yù)壓法、砂井法、袋裝砂井、真空預(yù)壓法、電滲排水法、降低地下水位法、塑料排水板法等。3.5化學(xué)加固法即在軟土地基中加入水泥或其它化學(xué)材料進(jìn)行軟土地基處理，適用于處理砂土、粉土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土和一般人工填土，也可以在處理裂隙巖體及已有構(gòu)筑物地基加強(qiáng)中。水泥或其它化學(xué)材料注入土體后，與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸收和擠出土中部分水與空氣，形成具有較高承載力的復(fù)合地基。主要加固方法:粉噴樁、旋噴樁、注漿、水泥土攪拌法。3.6加筋土法通過在路基中埋入高強(qiáng)度、大韌性的土工聚合物、拉筋、受力桿件或柴(木)梢排等方法加強(qiáng)路基的自身強(qiáng)度，增加抵抗地基變形沉降的能力。適用于軟弱巖體、土體中的路堤與路塹。主要加固方法:加筋土路基、土工聚合物、土釘墻、土層錨桿、土釘、樹根樁法、柴(木)梢排法。3.7其它加固方法除了上述軟土路基處理方法外，比較常用的還有樁基、沉井、側(cè)向約束法、反壓護(hù)道法。樁基與沉井常用于在軟土地基中建設(shè)重要構(gòu)筑物(橋梁、大型涵洞等)的基礎(chǔ)中，根據(jù)軟弱土層的厚度其下承層土質(zhì)情況，樁基設(shè)計可分為柱樁與摩擦樁兩種。常用的樁基有鉆孔樁、挖孔樁、管樁、木樁。側(cè)向約束與反壓護(hù)道的加固機(jī)理均是限制軟弱土體向旁擠出，以增加路堤的抗剪能力。側(cè)向約束法適合軟土層厚度較小，軟土體面積較大的軟土地基的加固。反壓護(hù)道法適合軟土體分布面狹窄而軟土體厚度較大的軟土地基的處理。4.針對高速鐵路的軟基處理技術(shù)4.1砂石樁法碎石樁和砂樁總稱為砂石樁，又稱顆粒土樁，是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入已成的孔中，形成大直徑的砂石所構(gòu)成的樁體。①砂石樁的加固機(jī)理:在松散砂土與粘性土中有所不同的，在松散砂土中主要是發(fā)揮砂石對軟土的擠密作用、排水減壓作用、和砂基預(yù)振效應(yīng)，而在粘性土中主要是對軟土(特別是飽合軟粘土)的置換作用。②方法的特點是:加固期短，可以采用快速連續(xù)加載方法施工路堤，設(shè)備簡單，工作面可以加大，對縮短工期十分有利。③施工步驟主要分兩大部分：成孔→加填料密實成樁。砂石樁法在19世紀(jì)30年代起源于歐洲，20世紀(jì)50年代引入我國后，在工業(yè)、交通、水利水電設(shè)施中得到廣泛的應(yīng)用，目前已形成了多種施工方法，主要有以下幾種：振沖擠密法、沉管法、干振法、鉆孔錘擊法、振動氣沖法、強(qiáng)夯置換法、水泥碎石樁法、裙圍碎石樁法、袋裝碎石樁法等。在實際施工中，可以根據(jù)地質(zhì)條件及機(jī)具設(shè)備情況選用合適的施工方法。④成樁材料要求：選用未風(fēng)化的干凈碎石、礫石、礦渣、碎磚及滲水性好的中粗砂等，含泥量應(yīng)≤5%～10%，碎石粒徑最大應(yīng)≤50m，以免樁孔或振沖器磨耗過大。⑤施工機(jī)具：根據(jù)選用施工方法的不同，合理選用以下幾種：振動打樁機(jī)，柴油打樁機(jī)、電動落錘、振動沉樁機(jī)、沖擊成孔機(jī)、振沖器、起重設(shè)施、空氣壓縮機(jī)以及樁管、打樁架等。⑥施工中常發(fā)生的質(zhì)量問題及注意事項：A.樁的施工次序一般是由里向外或一邊推向另一邊，有利于擠出部分軟土。對抗剪強(qiáng)度低的粘性土地基，為減少制樁時對原土的擾動，宜用間隔跳打的方式施工。B.在成孔過程中應(yīng)首先嚴(yán)格控制水壓、電流和振沖器在固定深度位置的振留時間，以防縮孔、塌孔。C.填料要分批加入，次數(shù)頻繁，每次少進(jìn)料，保證試樁標(biāo)定的裝料量。每一深度的樁體在未達(dá)到規(guī)定的密實電流時要繼續(xù)加料振實，以防斷樁、縮徑。⑦質(zhì)量控制:單可采用挖開的方法檢查，并在施工中做好記錄控制。施工質(zhì)量的檢驗可以對碎(砂)石樁進(jìn)行單樁荷載試驗，也可采用動力觸探試驗，也可用標(biāo)準(zhǔn)貫入法、靜力觸探法檢查處理前后的對比結(jié)果及樁間土的擠密效果。整體加固效果的檢驗可以進(jìn)行單樁復(fù)合地基和群樁復(fù)合地基的大型試驗。4.2塑料排水板①加固原理:塑料排水板是一種復(fù)合土工材料，由芯板和濾膜組成，其加固軟土地基的機(jī)理是在軟土地層中按一定的間距和布置形式打設(shè)塑料排水板，在軟土中形成豎向排水通道，加速排水，特點是單孔水?dāng)嗝娲?，排水暢通、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，耐久性好。②適用范圍:當(dāng)軟土層較厚，路堤較高時，常用塑料排水板法加速固結(jié)沉降。③施工方法:插設(shè)塑料排水板→塑料排水板樁頭處理→(鋪設(shè)砂墊層)→路基填筑。④施工用主要機(jī)械設(shè)備:插板機(jī)主要由工作裝置、驅(qū)動裝置和行走裝置組成。工作裝置由導(dǎo)向架和導(dǎo)管組成，導(dǎo)向架由角鋼分段焊接，每段長6m，段與段之間用螺栓連接。導(dǎo)管采用熱軋無縫鋼管制成。為適應(yīng)在軟土中行走多采用履帶式，也有輪胎式。⑤施工注意事項:為方便機(jī)械設(shè)備移動及排水板樁頭直立，可先將地表清流水面后鋪設(shè)砂墊層；為保證排水通道暢通，每根樁均采用一整條的排水板，不允許有接頭，并應(yīng)保持排水板不扭曲，透水膜不被撕破和污染；牽動排水板下沉的錨銷與排水板連接可靠，并且錨銷與導(dǎo)管下端口密封要嚴(yán)，以免泥砂進(jìn)入排水板內(nèi)阻塞排水通道；拔導(dǎo)管時應(yīng)輕輕進(jìn)行，以免帶出排水板；打設(shè)完成后，人工扶正排水板外露的頭部，并用砂土緊打管口洞口，輕拍砂土至緊密，保證樁頭是直立的。⑥插設(shè)塑料排水板質(zhì)量控制:在打設(shè)過程中，嚴(yán)格控制打樁機(jī)就位時導(dǎo)向架的垂直度，以保證樁身的垂直度，一般要求其斜度不超過深度的1.5%；因為在軟土中，排水速度與距離的平方成正比，因此打設(shè)塑料排水板應(yīng)嚴(yán)格控制平面位置，偏差位≤5cm；塑料排水板在插設(shè)過程中，若被導(dǎo)管帶出，應(yīng)在距廢棄排水板附近補(bǔ)打。4.3袋裝砂井法①原理:袋裝砂井是把砂裝入長條形、透水性好的紡織袋內(nèi)，然后用專門的機(jī)具設(shè)備打入軟土地基內(nèi)代替普通大直徑砂井。袋裝砂井既有大直徑砂井的作用，又可以保證砂井的連續(xù)性，避免縮徑現(xiàn)象。由于袋裝砂井的直徑小，材料消耗小，造價低，施工速度快，設(shè)備輕型，更適應(yīng)在軟弱的地基上施工。袋裝砂井適用于軟土層厚度>5m，且路堤高度的自重靜壓超過天然地基承載力很多時，常采用袋裝砂井法。②材料要求:采用聚丙烯或其他抗拉強(qiáng)度能保證承受砂袋自重的紡織料，裝砂后砂袋的滲透系數(shù)不小于砂的滲透系數(shù)。砂采用滲水率較高的中、粗砂，粒徑>0.5mm的砂的含量宜占總量的50%以上，含泥量≤3%，滲透系數(shù)≥5×103cm/s。采用風(fēng)干砂，以免袋內(nèi)砂干燥后體積減小，造成袋裝砂樁縮短與排水墊層不搭接等質(zhì)量事故。③砂井的布置:袋裝砂井可呈矩形，梅花形布置，井徑采用7～12cm的直徑，井距1～2m，砂墊層厚40～50cm。④工藝流程:整平原地面→攤鋪下層砂墊層→機(jī)具定位→打入套管→沉入砂袋→拔出套管→機(jī)具移位→埋砂袋頭→攤鋪上層砂墊層。⑤施工注意事項:砂井定位要準(zhǔn)確，垂直度要正確，沉樁時用兩臺經(jīng)緯儀“十”字交叉控制砂井位置，用錘球控制垂直度；砂袋灌入砂后，露天堆放要有遮蓋，不能長時間暴曬，施工中避免砂袋掛破漏砂；砂袋入井時，用樁架吊起垂直下井，防止砂袋發(fā)生扭結(jié)、縮徑、斷裂和砂袋磨損；拔鋼套管時，更要垂直起吊，在出現(xiàn)砂袋帶出或損壞砂袋現(xiàn)象時，要在原孔邊緣重新打孔施工。連續(xù)兩次將砂袋帶出時，要停止施工，查明原因后再施工；砂袋露出井長度要保證伸入砂墊層至少30cm以上，要保證直立。4.4真空預(yù)壓法①原理:在軟土地基上先施作豎向排水系統(tǒng)(砂井或塑料排水板)，然后在加固的區(qū)域內(nèi)覆蓋不透氣膜，利用真空源不停地對加固的土體進(jìn)行抽氣，使其內(nèi)部形成一個近似真空的環(huán)境，土體中的孔隙水在負(fù)壓作用下，沿著排水通道加速被吸出，從而達(dá)到加固的作用。②真空預(yù)壓法也屬于排水固結(jié)類的加固范圍，其排水固結(jié)作用與加載預(yù)壓作用是可以相疊加的，可以加速排水，在工期緊時可以使用該法加快軟土固結(jié)的速度。適用于軟土厚度大、工期緊的軟土地基。其設(shè)備與材料損耗小，可以重復(fù)使用。③使用的設(shè)備材料:真空源一般采用射流箱與離心泵組成，在加固施工中，一套真空裝置應(yīng)能擔(dān)負(fù)1000～1200m2加固面積，覆膜采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜。④施工注意事項:施工時應(yīng)對加固區(qū)進(jìn)行分塊，目前國內(nèi)單塊加固面積可達(dá)30000m2，一般分塊面積可根據(jù)工程地基的實際情況進(jìn)行考慮，以不超過真空設(shè)備的能力為準(zhǔn)；排水系統(tǒng)設(shè)置要密封，以防空氣進(jìn)入真空區(qū)內(nèi)降低加固效果；真空覆膜處理時接縫采用熱合焊接，可平搭接，也可以立縫搭接，熱合時根據(jù)塑料膜的材質(zhì)、厚度確定熱合溫度、刀的壓力和時間，使熱合縫牢而不熔；由于覆膜的密封性是真空預(yù)壓加固措施成敗的關(guān)鍵，在鋪設(shè)時一定要小心謹(jǐn)慎，避免劃傷、刺破，膜下真空度值一般要求≥80KPa；經(jīng)常檢查加固的壓力，當(dāng)氣壓值超過要求值時，應(yīng)及時檢查原因，采取補(bǔ)救措施。⑤質(zhì)量控制:本加固法成敗的關(guān)鍵為真空度保持，因此要嚴(yán)格控制覆膜的密封質(zhì)量及邊緣的密封土施工，保證不透氣。經(jīng)常檢查真空度，當(dāng)氣壓超過規(guī)定值時及時進(jìn)行處理。4總結(jié)與建議4總結(jié)與建議地基處理技術(shù)發(fā)展十分迅速，老方法得到改進(jìn)，新方法不斷涌現(xiàn)，在軟土地基處理方面，公路與鐵路建設(shè)中都有很多成功的實例，也不乏失敗的教訓(xùn)。針對這些工程中應(yīng)用的經(jīng)驗與教訓(xùn)，在軟土地基處理中應(yīng)當(dāng)遵循以下幾條原則組織設(shè)計與施工，才能更好地達(dá)到預(yù)期的效果：①認(rèn)真進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行合適的設(shè)計與變更設(shè)計，達(dá)到預(yù)期的加固效果，避免返工處理的現(xiàn)象。②在工程施工時，要充分了解各種形式的軟土地基加固機(jī)理，以便針對加固機(jī)理進(jìn)行有重點的質(zhì)量控制，該放寬的技術(shù)指標(biāo)可適當(dāng)調(diào)整，以降低成本。例如砂樁與砂井的加固機(jī)理就不同，砂樁對軟土的加固作用主要是擠密作用(特別是在粘性土中)，因此砂樁的數(shù)量與直徑應(yīng)有充分的保證，對其平面分布的均勻性可以適當(dāng)放寬標(biāo)準(zhǔn)，砂井的加固機(jī)理偏重于排水固結(jié)，因此在早期砂井加固基礎(chǔ)上，又改進(jìn)形成了袋裝砂井的技術(shù)，以保證砂井的均勻程度與連續(xù)性。同屬深層密實法加固的粉噴樁與旋噴樁，粉噴樁更傾向于噴粉與軟弱土形成復(fù)合地基，而旋噴樁則偏重于噴體的樁作用，因此在旋噴樁設(shè)計時就充分驗證其作為樁基礎(chǔ)的力學(xué)效果。③加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科的研究，給軟土地基處理技術(shù)更有力的支持。目前國際上軟土加固技術(shù)已得到較大的發(fā)展，但其理論基礎(chǔ)還存在著不準(zhǔn)確性與不確定性。例如，強(qiáng)夯法在多處工程施工中的應(yīng)用并且實測效果證明其加固效果可用，但其加固機(jī)理在土力學(xué)中還沒有完全從理論方面得到證明，或部分還存在著模糊的概念；在