王 兵 廖 彪
（中交第三航务工程局有限公司，上海，610031）
Applied Research on Collapsible loess foundation treatment
in Datong-Xi'an Passenger Dedicated Line
Yu Xinyu Liao Biao
(CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd ,Shanghai 610031 )
【摘 要】针对大西客运专线祁县车站地基处理的施工，通过对采用水泥土挤密桩+CFG桩或柱锤扩桩+CFG桩的综合地基处理方式的分析，得出这种处理方式在消除黄土的湿陷性，提高地基承载力方面是可行的。其采用的方法和提供的施工技术参数对类似工程具有借鉴意义。
【关键词】湿陷性黄土；地基处理；应用研究
【Abstract】For the foundation treatment of Qixian Station in Datong-Xi'an Passenger Dedicated Line, through the use of cement soil compaction pile +CFG pile or column hammer pile +CFG pile comprehensive foundation treatment, that this approach to eliminate the collapsibility of loess, improve the bearing capacity of the foundation is feasible. The method and technical parameters have a reference for similar engineering.
【Key words】Collapsible loess foundation Foundation treatment Application research
1．引言
随着我国中西部开发建设，各种大型基础设施尤其是高速铁路、铁路客运专线的修建获得了快速发展。大西客运专线（大同到西安）建设中不可避免的要克服由于黄土湿陷带来的危害，如果采用常规的压实方法往往达不到令人满意的效果，所以针对湿陷性黄土结构性强、遇水发生湿陷并且强度迅速软化的特点需要采取相应的地基处理方法。近年来的高速铁路客运专线在通过黄土地区采用了冲击压实、强夯、挤密等技术取得了比较好的技术经济效果，但是对于各种方法压实机理以及施工工艺等方面的研究还不完善，因此对黄土地基的压实特性、施工工艺、处理效果及检测技术等问题开展研究从经济和社会意义来讲，都是十分必要的。为此，本文基于大西铁路客运专线祁县东站的湿陷性黄土地基处理技术展开研究，分析研究了试验段黄土地基工程特性和采用的地基处理方法、处理效果，为后续工程的开展提供必要的理论依据和技术参数。
2．湿陷性黄土地基工程特性
2.1工程概况及工程区黄土特征
新建铁路大同至西安客运专线站前4标段祁县东站位于晋中市祁县境内，路基施工里程为DK351+387～DK354+142.69，全长约2.7公里。线路以填方通过冲洪积平原，地基上层为新黄土。黄土孔隙度较高，孔隙度在33%~46%之间，有显著的垂直节理，无层理，在干燥时较坚硬，一被流水浸湿，通常容易剥落和遭受侵蚀，甚至发生坍陷。
2.2湿陷性黄土物理力学性质
根据祁县东站DK351+650、DK352+650处进行的土工试验资料分析，该地区黄土粘粒含量相对较少，这样土体中作为起胶结作用的成分较少，易产生湿陷变形。干容重变化范围在13.7 16.5 KN/m3之间。在DK351+650处具有湿陷性的地基土含水率6% 8.3%之间，DK352+650处具有湿陷性的地基土的含水率为17.6%。研究区域湿陷性地基土孔隙比变化范围一般在0.85 0.92之间，液限在21.8% 33.6%之间。祁县东站湿陷性黄土地基的压缩系数介于0.13 0.37MPa-1之间，压缩模量4.4 12.4 MPa，属于中等压缩土。
2.3工程区黄土湿陷性评价
通过试验确定DK351+650 处黄土地基在地表下2米范围内、DK352+300处黄土地基均在地表3米范围存在湿陷性，黄土的湿陷系数在0.016-0.026之间。DK351+650处地表下2米位置湿陷起始压力25.8Kpa，地表下3米位置湿陷起始压力122.3Kpa。DK352+300处地表下1米位置湿陷起始压力46.8Kpa。根据各试验场地的湿陷试验结果，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)，各试验场地土的计算湿陷量、湿陷类型及湿陷等级详见表1。
3．地基处理方法分析
目前湿陷性黄土的地基处理技术主要有垫层法、强夯法、挤密法和预浸水法。本工程若采用换土垫层法虽然可进行黄土湿陷性地基处理，但是仅仅适用于处理浅层地基土，处理深度为换填层的厚度，一般采用换土垫层法处理深度在3m范围内是经济合理的。采用垫层提高了地基土的强度，但是对于垫层以下的湿陷性黄土地基没有达到消除黄土湿陷性的目的。另外换土垫层法对于车站大面积的地基处理也是不经济的。若采用预浸水法由于用水量大并且工期长，根据该工程的特点也不适合用预浸水法进行湿陷性黄土的地基处理的。
若采用强夯法，由于夯实过程中会产生较大的冲击能，地表产生震动，以振动波的形式向周边传播，对周边建筑产生较大的影响。根据以上分析，针对铁路施工的特点采用挤密法对祁县东站进行地基处理是合适的。
4．湿陷性黄土地基现场试验分析
4.1地基处理试验方案
针对该地区的地质情况结合当时施工环境，对祁县东站路基湿陷性黄土地基处理采用CFG桩+水泥土挤密桩、CFG桩+柱锤冲扩桩。水泥土挤密桩和柱锤扩桩主要是为了消除黄土的湿陷性，CFG桩主要提高地基承载力。
4.2水泥土挤密桩试桩试验
4.2.1试验段参数设计及试桩方案
本段采用的桩孔直径为40cm，如果桩径过小，则桩数增加并增大打桩和回填的工作量；桩径过大，则桩间土挤密不够，同时对成孔机械的要求也高。根据路基对地基的要求，地基的湿陷类型、湿陷等级及湿陷性黄土层厚度及打桩机械的条件综合考虑桩孔深度为11m。
由于本段湿陷性黄土拟采用的是水泥土挤密桩+CFG桩共同处理的方案。所以在水泥土挤密桩在布桩上采用的是正方形布置。桩间距按照桩体直径的2.5倍考虑，取桩间距为1m。
在DK351+650线左征地界内进行水泥土挤密桩试桩试验，采用锤击沉管成孔工艺，试桩12根。在试桩过程中采用隔桩跳打（按施工顺序1-1与1-3、3-1与3-3、3-4与3-2、2-2与2-4隔桩跳打）、隔排隔桩跳打（剩余桩按施工顺序），一次成3孔，其中3-2和2-2采用连续成桩。以在回填时观察对其他孔的影响。
4.2.2检测结果统计分析
水泥土挤密桩试桩检测平面图如图1。
图1 水泥土挤密桩试桩检测平面布置图
试桩里程为DK352+650，地面标高为772.60m，桩顶设计标高为772.56m。在距桩2-4外侧6-7m处布置钻孔3进行场地地质核查。在桩1-3、1-4、2-3、2-4围成的形心处布置钻孔1#取样测定土的干密度与最小挤密系数。在桩1-4与2-3截面中心连线距桩2-3边缘100mm处布置钻孔2#，取样测定土的干密度，并结合钻孔1的资料计算桩间土平均挤密系数。1-3、1-4、2-3、2-4做桩体取芯压实度检测。桩号1-1、1-2、2-1、2-2做单桩复合地基承载力复核检测。
通过一个钻孔的地质核查，获得场地的岩土层的物理力学特征指标性与勘察给出的结论一致。所检桩的单桩复合地基承载力值均满足设计不小于250kPa的要求。所检桩桩身压实系均满足设计不小于0.95的要求。所检桩间土最小挤密系数与平均挤密系数均满足不小于0.88与0.93的要求，处理区域形心处桩间土的湿陷系数满足设计要求不大于0.015的要求。场地内原土的最大干密度存在一定的波动性，为便于后期施工的检测与施工控制，应尽快完成本场地各类土最大干密度的测试工作。砂类土的最大干密度可考虑采用振动击实法逐点实测。
4.3柱锤冲扩桩试桩试验
4.3.1试验段参数设计及试桩方案
柱锤冲扩桩采取长螺旋成孔，钻孔直径0.5m，成孔直径0.65m，桩间距为1m，正方形布置；夯填料为灰土比8%的水泥土。在DK352+300征地界内进行水泥土挤密桩试桩试验，采用锤长螺旋成孔工艺，共2组9根桩。试验段地面高程为772.151m。试桩过程中采用隔桩跳打的施工顺序。对柱锤冲扩桩施工质量的检测主要有桩3-1、3-2、3-3、2-3做单桩复合地基承载力检测，1-1、1-2、1-3、2-1做桩体取芯压实度检测，其中2-1、1-3兼做重型动力触探试验。在桩1-1、1-2、2-1、2-2围成的形心处布置钻孔5#，取样测定土的干密度与最小挤密系数。在桩1-1与2-2截面中心连线距桩1-1边缘100mm处布置钻孔6#，取样测定土的干密度，并结合钻孔1的资料计算桩间土平均挤密系数。在距桩2-1外侧6-7m处布置钻孔4#进行场地地质核查。.柱锤冲扩桩试桩检测平面图如图2。
图2 柱锤冲扩桩试桩检测平面布置图
4.3.2检测结果统计分析
通过一个钻孔的地质核查，获得场地的岩土层的物理力学特征指标性与勘察给出的结论一致。所检桩的单桩复合地基承载力值均满足设计不小于250kPa的要求。所检桩桩身压实系均满足设计不小于0.95的要求。所检桩间土最小挤密系数与平均挤密系数均满足不小于0.88与0.93的要求，处理区域形心处桩间土的湿陷系数满足设计要求不大于0.015的要求。
地质核查显示，本场地5m到8m、11.8m到14.5m区间段存在多层粉细砂，该层砂在冲扩过程中容坍塌,造成断桩，在夯扩及成桩过程中应密切监视该现象发生的程度，采用必要的有效的措施处置。场地内原土的最大干密度存在一定的波动性，为便于后期施工的检测与施工控制，建议尽快完成本场地各类土最大干密度的测试工作。场地内砂类土的最大干密度波动较大，建议应采用震动击实法逐点实测。
4.4 CFG桩试桩试验
4.4.1试验段参数设计及试桩方案
本段采用的桩孔直径为550mm，如果桩径过小，施工质量不容易控制，桩径过大，需要加大褥垫层厚度才能保证状土共同承担上部结构传来的荷载。结合地质情况及设计要求试验段桩长取25m。桩间距根据设计复合地基的承载力、土性和施工工艺综合确定为2m。
在DK351+700左侧征地界内进行CFG桩地基试桩试验，采用长螺旋钻孔管内泵压与振动沉管两种CFG桩成孔工艺，各试桩4根。试桩平面布置图如下图3。1#、2#、3#、4#为CFG桩，桩间距2m，桩长25m。
图3 CFG试桩平面布置图
4.4.2试桩试验结果分析
CFG桩进行质量检测，所采用的检测方法有基桩低应变反射波法、单桩竖向抗压静载试验、CFG桩钻芯试验。
本次检测的两组工艺共计8根CFG桩混凝土设计强度C15，所测波速度4020—4120m/s之间，桩身混凝土完整性好，桩身混凝土强度达到了设计要求。判定4根桩为I类桩，为桩身质量优良桩。
以长螺旋钻孔法所测的CFG4#桩单桩承载力检测P-s曲线为例说明，从图4可以看出，当荷载加到设计荷载的2倍时，P-s曲线没有出现明显的拐点且未出现破坏迹象，桩顶最大沉降为1.103mm，累计回弹0.551mm，CFG桩的单桩承载力满足设计不小于700KN要求。
图4 4# CFG桩单桩承载力检测P-s曲线
桩身混凝土在检测深度25m的范围内，芯样灰白色，骨料分布均匀，断口拼接好，芯样侧面有少许气孔，芯样以长柱状为主，胶结较好，芯样混凝土质量良好，也未见见混凝土离析、裂析等缺陷。混凝土桩身完整连续。完整性评价等级为I类桩。
5．结论
本文针对大西客运专线祁县东站湿陷性黄土路基处理技术开展了广泛的资料调研、现场试验，对大西客运专线湿陷性黄土路基处理方案及试验结果行了评价、分析及计算。得出的主要结论如下:
5.1 通过水泥土挤密法和柱锤冲扩法地质核查钻孔资料，核实祁县东站湿陷等级为Ⅰ级轻微非自重湿陷。
5.2根据水泥土挤密法施工质量检测成果：地基处理后孔隙比减少，最大干密度增大，湿陷系数减小，土体压缩系数减小和压缩模量有所增大；桩间土挤密系数和桩体压实系数均达到设计要求；经过处理后的地基土湿陷系数均小于0.015，故可判定处理后的地基土不存在湿陷性，达到了处理效果，验证了设计参数和施工工艺的可行性。
5.3 柱锤冲扩桩法施工质量检测成果也证明了所采用的设计参数和施工工艺的可行性。
5.4 CFG桩施工质量检测成果证明了CFG桩提高了地基的承载力，单桩承载力和复合地基承载力均满足设计。从而验证了水泥土挤密桩+CFG桩或柱锤扩桩+CFG桩的综合地基处理手段在消除黄土的湿陷性，提高地基承载力方面是可行的。
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论文作者:王兵,廖彪
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年3月总第208期
论文发表时间:2016/6/13
标签：地基论文; 黄土论文; 祁县论文; 钻孔论文; 系数论文; 场地论文; 水泥论文; 《工程建设标准化》2016年3月总第208期论文;