砂石桩在厂区铁路地基处理中的应用研究论文_王鑫

中冶天工集团天津有限公司 300308

摘要：碎石桩是指振动、冲击或水冲等方式在松软土地基中成孔后，再将碎石挤压入土孔中，形成大直径的由碎石构成的密实桩体，其适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基。本文论述了砂石桩在厂区铁路地基处理中的应用。

关键词：砂石桩；铁路路基；地基处理

近年来，地基处理技术逐渐得到完善，可应用的范围也越来越广泛。碎石桩复合地基是其中一种新型的地基处理技术，能使桩身与桩周土结合更紧密，极大地提高了地基承载的能力，因此在实际工程建设中也得到了广泛的应用。

一、碎石桩概述

碎石桩是以碎石（卵石）为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩和砂桩等在国外统称为散体桩或粗颗粒土桩。而散体桩是指无粘结强度的桩，由碎石柱或砂桩等散体桩和桩间土组成的复合地基亦可称为散体桩复合地基。广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基。

碎石桩适用于挤密松散的砂土、粉土、素填土和杂填土地基。在复合地基的各类桩体中，碎石桩与砂桩同属散体材料桩，加固机理相似。随被加固土质不同机理有所差别：对砂土、粉土和碎石土具有置换和挤密作用；对黏性土和填土，以置换作用为主，兼有不同程度的挤密和促进排水固结的作用。碎石桩在工程中主要应用于软弱地基加固、堤坝边坡加固、消除可液化砂土的液化性、消除湿陷性黄土的湿陷性等方面。

二、工程概述

某大型钢铁厂铁路全部位于新形成的吹填区，该地区原地基有软土层，厚度为3.0m～11.0m，后吹填4.0m左右的砂层，场地形成后采用真空预压联合强夯法进行预处理。经处理后，地面表层承载力特征值不小于90kPa，软土的固结度不小于0.8，作为一个普通的施工场地，处理后的吹填土能满足要求，但对于以350t鱼雷罐车为主的钢铁厂铁路，这种处理显然不能满足使用要求，必须进行两次加固。如何处理表层填土和深层软土，有许多方法可供参考。本工程结合地基处理的效果，采用砂石桩加固铁路路基。结果表明，该方法不仅能满足铁路路基的要求，而且施工周期短、成本低。

三、碎石桩处理软土地基的加固原理

碎石桩加固软土地基主要是与天然软土地基形成一种复合地基，从而提高地基承载力、减少沉降量、提高地基土体的抗剪强度，增强了地基土地的抗滑稳定性。碎石桩对软土地基的加固作用主要有置换、挤密、振密、排水、垫层及加筋等。

1、置换作用。通过成桩机械将不良地基强制排开并置换，以性能良好的砂石来替换不良的软弱粘胜土。而碎石桩的刚度比桩间土的刚度大，在荷载作用下，为了保持桩土变性的协调，地基中的应力向桩身发生集中，从而相应减小了桩间土承受的应力，使复合土体的承载力较原地基有所提高，沉降量得到下降。桩的置换作用大小主要取决于桩间土对桩体的约束力。

2、挤密作用。下沉桩管时桩管对周围土体产生很大的横向压力，将土体中等于桩管体积的土挤向周围土体使之密实；灌注碎石后振动、反插也使周围土体受到挤密，从而提高了地基强度。侧向约束力对碎石桩性状影响至关重要，如桩侧土对碎石柱的约束力很小，不但形不成应力向桩体集中，而且还影响碎石桩对桩间土的挤密作用。

3、振密作用。碎石桩主要靠桩的挤密和施工中的振动作用使桩周围土的密度增大，从而使地基的承载能力提高，压缩性降低。当被加固土为液化地基时，由于土的空隙比减小、密实度提高，可有效消除土的液化。

4、排水作用。在软粘土中，碎石桩是粘性土地基中一个良好的排水通道，碎石桩的反滤性和渗透性较好，它能起到排水砂井的作用，缩短了土体固结排水路径，提高了固结速度。

5、垫层作用。对较厚的软弱土层，碎石桩不能穿透整个土层，加固过的地基部分对下卧层起到垫层的作用，垫层将荷载扩散，使扩散到下卧层顶面的应力减弱并使分布趋于均匀，从而提高地基的整体抵抗力，减小其沉降量。

6、加筋作用。对厚度不大的软弱土层，碎石桩可穿透整个软弱土层并置于其下的硬底层上，桩体在外荷载的作用下会产生一定的应力集中现象，从而使桩间土承担的压力相应减小，提高了复合地基的承载力，减小了压缩量，进而加强了稳定性及加快了沉降速率，可提高土体抗剪强度，加固后的复合桩土层能改善土坡的稳定，像抗滑桩一样迫使滑动面远离坡面、向深处转移，这种加固作用即通常所说的加筋作用。

四、钢厂铁路路基地基处理的必要性

1、荷载分析

1）地基承载力验算。鱼雷罐车轴线总长25.8m，主动侧总长7.6m，轨枕长度按2.5m计算，得出混凝土轨道下碎石道床荷载大小。因道碴基础承载力的特征值可基本达到300kPa以上，故道碴可满足地基承载力要求。

2）软弱下卧层验算。地基应力扩散角按30︒计算，砾石道碴和垫层的总厚度为2.1m，地下水位在垫层的底部。道碴重度按18kN/m3考虑，计算出道碴底部的平均压力。经加固后的吹填土地基承载力特征值低于道碴底部的平均压力，即软弱下卧层不能满足地基承载力要求，需二次加固。

2、沉降分析。采用分层总和法，铁路路基在铁路荷载作用下总沉降量约为0.2m～0.61m，不能满足规范要求。因此，需加固。

3、加固方案的选择。不同设计单位对竞标中的铁路二次基础加固方案有不同意见，有的主张水泥土搅拌桩，有的主张水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩），运用刚度大的水泥土搅拌桩和CFG桩加固的目的是改变原来地基中的软弱土层，从原来的60kPa左右，提高到规范要求的150kPa，本工程根据铁路路基的受力特点，并结合场地形成时地基处理的结果，提出一种新的设计理念，认为只有表面吹填砂层的地基承载力处理到规范要求的150kPa，而下部软土层仅满足软弱下卧层的承载要求即可，可根据此要求进行地基加固设计。因此，砂石桩因具有较低的置换率可用于地基处理，三种地基处理方法的比较见表1。