淺談濕陷性黃土路基沉降控制措施研究

宋鵬華

摘 要：路基沉降的影響因素較多，包括路基本身變形、地基變形、地基濕陷變形以及高鐵運行中的變形等，本文通過對濕陷性地基處理、填筑過程控制、兩種失陷性黃土的處理手段效果分析，比較了其沉降控制效果和適用性，闡述了沉降觀測與動態(tài)評估理念要求。

關鍵詞：失陷性黃土;路基沉降

濕陷性黃土除了具備黃土的一般特征外，粒度成份以粉土顆粒為主，約占50%以上。垂直大孔性、松散多孔結(jié)構(gòu)和遇水即降低或消失的土顆粒間的加固凝聚力是它發(fā)生濕陷的內(nèi)部因素，而壓力及水是外部條件。而正在修建銀西鐵路主要位于陜西咸陽市、甘肅省慶陽市，路基均為濕陷性黃土路基，究其原因無非是因為路基在處理過程中沒有達到有效的處理效果，進而導致路基在施工和使用的過程中發(fā)生了不良的沉降現(xiàn)象，給高鐵的運行安全造成了一定的影響，同時增加了后期的維護成本，造成了一定的經(jīng)濟損失。

一、影響路基沉降的因素

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔和垂直節(jié)理，在天然濕度下，其壓縮性較低，強度較高，但遇水浸濕時，土的強度顯著降低，在附加壓力與土的自重壓力下引起的濕陷變形，是一種下沉量大、下沉速度快的失穩(wěn)性變形，對建筑物的危害性大。

（一）路基本體壓縮變形

路基本體的變形是受其自身重力以及其上部軌道、車體的影響下，造成路基本身受到體積壓縮后的變形，這部分的變形原因一般源于路基填筑過程中未嚴格控制碾壓質(zhì)量所造成。

（二）路基地基變形

路基地基變形是受地基本身和下臥層的影響，與路基的變形相似，地基本身的變形也是受自重及上部荷載的作用力影響而發(fā)生的不良變形。而在路基地基處理過程中對下臥層處理措施不當，導致濕陷性不能有效消除，加之地表水的滲入，也是導致路基地基變形因素之一。

（三）地基濕陷變形

對于高鐵鐵路施工來說，失陷性黃土的一大重要弊端性能就是其在遇水后體積會有所減少，承載力驟然下降。對于失陷性的黃土路段處理，要重點做好防水處理，如果失陷性黃土路基區(qū)域影響范圍內(nèi)不能做到有效的地下水防治，那么對于路基的危害會非常大。

（四）運營階段的荷載作用變形

運行階段的荷載作用主要是行駛列車的重力作用，隨著鐵路的運營時間的增加，在運營行駛的過程中，失陷性黃土路段的高鐵路基沉降會越來越明顯，這樣變形狀況由最早的彈性變形逐漸演變?yōu)樗苄宰冃?，塑性變形在變形發(fā)生之后不能很好的恢復，造成高鐵運行過程中產(chǎn)生較大的顛簸甚至是安全隱患。

二、濕陷性黃土路基沉降控制措施

（一）路基本體壓縮控制措施

受當?shù)貧夂颦h(huán)境影響，本地空氣干燥、濕度小，拌和好的改良土水分損失嚴重，在以后填筑過程中做好以下5點控制措施：在拌和過程中根據(jù)當?shù)貧鉁丨h(huán)境及運輸距離適當加大拌和含水率;運輸過程中對拌和好的改良土進行覆蓋，減少水分損失;本層改良土攤鋪前對碾壓完的上層路基進行灑水，確保攤鋪前上層路基表面濕潤，填土后上下兩層有個更好的連接;攤鋪后碾壓過程由于環(huán)境氣溫較高，表面容易失水，針對此現(xiàn)象在碾壓過程中及時均勻灑水，確保在碾壓前路基表面濕潤。灑水量以改良土不粘結(jié)壓路機鋼輪及不出現(xiàn)橡皮土為宜，攤鋪碾壓完成后，及時灑水養(yǎng)護。

（二）路基地基變形控制措施

為了驗證路基沉降控制措施和這些措施的實際效果，根據(jù)我標段施工范圍內(nèi)的地質(zhì)特點，施工范圍內(nèi)的場地均為濕陷性黃土場地，濕陷土層厚度為3.2m-17m。根據(jù)濕陷性土層厚度，為消除地基濕陷性，選擇了水泥土擠密樁、柱錘沖擴樁強夯等不同處理措施，每種處理措施選擇一段比較有代表性的路基進行試驗。

1、水泥土擠密樁參數(shù)選取

現(xiàn)場施工采用履帶式柴油打樁機成孔，夾桿式自動上料夯實機夯填;夯實機夯擊重量200KG，錘徑φ=0.28m，錘長0.45m，夯錘落距不小于0.5m;根據(jù)設計要求選擇3個區(qū)域，每個區(qū)域7根樁進行試樁試驗。每個區(qū)域選擇不同填料厚度、不同錘擊次數(shù)進行試驗，確定滿足設計及規(guī)范要求的試樁綜合必選，選取的施工參數(shù)，在3處試樁區(qū)域按照制樁樁號表進行成樁施工，以檢測樁間土擠密系數(shù)（≥0.90）、濕陷系數(shù)δs小于0.015、單樁或復合地基承載力。

2、柱錘沖擴樁參數(shù)選取

試樁共16根，劃分為4個單元，每個單元4根樁。各單元采用不同的施工參數(shù)進行施工，以驗證有關施工工藝和施工參數(shù)。填料采用固定容積的水桶人工裝填，每層裝填0.1m³水泥改良土。

2.1單元1采用柱錘重3 t，空夯6次，樁底至樁底以上3m的水泥土填料每層夯實遍數(shù)為8次，提升不小于3m， 樁底以上3m至樁頂以下3m每層夯實遍數(shù)為8次，提升不小于3m， 樁頂以下3m至樁頂為10次， 提升不小于2m。

2.2單元2采用柱錘重3 t，空夯8次，樁底至樁底以上3m的水泥土填料每層夯實遍數(shù)為10次，提升不小于4m， 樁底以上3m至樁頂以下3m每層夯實遍數(shù)為12次，提升不小于3m， 樁頂以下3m至樁頂為12次， 提升不小于2m。

2.3單元3采用柱錘重3 t，空夯8次，樁底至樁底以上3m的水泥土填料每層夯實遍數(shù)為10次，提升不小于4m， 樁底以上3m至樁頂以下3m每層夯實遍數(shù)為13次，提升不小于4m， 樁頂以下3m至樁頂為15次， 提升不小于2m

2.4單元4采用柱錘重3t，空夯8次，樁底至樁底以上3m的水泥土填料每層夯實遍數(shù)為10次，提升不小于5m， 樁底以上3m至樁頂以下3m每層夯實遍數(shù)為15次，提升不小于4m， 樁頂以下3m至樁頂為18次， 提升不小于2m。

從理想模型角度考慮將每車虛料倒入孔內(nèi)中，視為直徑為40cm的圓柱體，壓縮成直徑為60cm的圓柱體：從原始記錄表分析：每層填料0.1m³，理論填高為0.8m，實際填高為0.9m-0.95m之間（U形錘頭），夯實后第1單元樁平均每層厚度為0.33m，填土3.8 m³，第2單元樁夯實后平均每層厚度為0.31m，填土4.1 m³，第3單元樁夯實后平均每層厚度為0.30m，填土4.2 m³，第4單元樁夯實后平均每層厚度為0.29m，填土4.3 m³?，F(xiàn)場試驗（灌砂法）第1單元樁樁體壓實度小于0.97，2、3、4單元樁樁體壓實度均符合設計要求。對樁頭直徑丈量得知第1單元樁平均樁徑為0.55m， 第2單元樁平均樁徑為0.60m， 第3單元樁平均樁徑為0.61m， 第4單元樁平均樁徑為0.63m。分析得知：從第2單元樁開始，樁徑及樁體壓實度符合設計要求。按照試樁方案要求的錘擊次數(shù)試驗：根據(jù)樁狀體剖切查看樁徑情況，判斷每車虛料錘擊后的形狀，所以實際量取的錘后孔深只是錘尖痕跡到孔口的距離。樁徑擴張的過程中，首先是U形錘頭夯擊痕跡周邊填料本身的壓縮，壓縮到密實度很高的時候才會向外擠壓樁間土使得樁徑擴張。

（三）地基濕陷變形控制措施

路基地基處理完成之后清除50cm厚虛樁頭，換填80cm厚（清表30cm、清理樁頭50cm）6%水泥改良土墊層并加鋪2層單向土工格柵，在墊層底以上20cm和墊層頂以下20cm處，中間40cm改良土，分四次碾壓成型。由于水泥改良土有不透水性，能有效防止地表水進入路基地基，防止地基濕陷性變形。

（四）運營階段的荷載作用變形控制措施

路基基床底層填筑完成后，根據(jù)底層分布情況、路基填高、施工工期等確定是否堆載預壓。堆載時間不小于6個月，預壓土柱高度為3m，并經(jīng)過一個雨季，待路基沉降穩(wěn)定評估通過后卸載預壓土，鋪設基床表層?？捎行Э刂乒ず蟪两?，確保運營階段的路基不均勻變形，消除行車安全。

三、濕陷性黃土路基沉降控制效果

通過對路基地基處理三種措施由中間的過渡地帶分割開，施加同等條件的預壓土，對基床底層壓縮沉降、基床以下路堤壓縮沉降、路堤本體總沉降的沉降量進行有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測方式采用科學化的土體分層沉降測試法，這種方法是利用預先埋入土體中的管道測量，管道的外圈套有可以隨土體沉降移動的磁環(huán)，通過在管內(nèi)下沉瓷環(huán)深度監(jiān)測儀器，能夠正確的記錄瓷環(huán)的沉降動態(tài)變化，從而能夠有效的獲知路基沉降量的變化。在實驗區(qū)設置了7個沉降監(jiān)控測量點，對各個實驗區(qū)域進行預壓土體施加荷載后，經(jīng)過一個月的荷載作用后，其各個沉降點的沉降數(shù)據(jù)如下表所示：

通過三個實驗區(qū)與過渡區(qū)的沉降數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，過渡區(qū)的沉降值均大于三個實驗區(qū)的沉降數(shù)值，說明了三種常用的濕陷性黃土沉降控制措施，能夠有效的控制其沉降發(fā)展，對比三種沉降控制手段發(fā)現(xiàn)，強夯區(qū)的基床下路堤壓縮沉降控制效果不佳，說明了對于濕陷性深度較大的路基地基，采用強夯法不能有效的深入到土層深處。

四、路基沉降觀測與動態(tài)評估

在路基沉降監(jiān)控的基礎上，通過對已有監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效整理和分析，運用科學的數(shù)學運算模型或者沉降發(fā)展預測軟件，能夠很好的對路基沉降的未來發(fā)展趨勢和沉降的嚴重程度進行有效的把握，實現(xiàn)客觀沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測分析與動態(tài)評估相結(jié)合的科學路基沉降問題分析機制。

（一）沉降變形觀測。對于沉降數(shù)據(jù)觀察獲取的設備較多，包括上述土體分層沉降儀在內(nèi)的各種沉降監(jiān)控設備都能很好的反應出土體的沉降變化，但是在儀器的選擇上要注意該設備能夠有效的避免工程施工過程中的各種干擾，測量精度要符合要求。

（二）沉降變形評估滿足的要求。路基沉降預測應采用曲線回歸法;根據(jù)路基填筑完成或堆載預壓后不少于 6個月的實際觀測數(shù)據(jù)作多種曲線的回歸分析，確定沉降變形的趨勢，曲線回歸的相關系數(shù) R 不應低于0.92;沉降預測可靠性應經(jīng)過驗證，間隔 3-6個月的兩次預測最終沉降的差值不應大于 8mm;路基填筑完成或堆載預壓后，最終的沉降預測時間應符合要求。

五、結(jié)語

濕陷性黃土區(qū)域的高鐵路基沉降控制的控制手段和研究方法很多，通過不斷完善研究方法，為高鐵路基的施工運行安全做出重要的貢獻。

參考文獻：

[1] 苗學云.三種常用地基處理方法在黃土區(qū)高鐵地基中的適用性研究[J].中國鐵道科學 2015.

[2]屈耀輝.黃土區(qū)高鐵柱錘沖擴樁地基沉降控制效果研究[J].鐵道工程學報， 2012.