西南某鐵路大面積深厚雜填土區(qū)路塹強(qiáng)夯地基處理與邊坡設(shè)計(jì)

李 瑞, 李永奎, 徐 宇

(中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 四川成都 610081)

0 引言

近年來,隨著城市化建設(shè)的持續(xù)發(fā)展,在西南山區(qū),為了新區(qū)建設(shè)常提前進(jìn)行移挖作填平整場地,由于缺乏對填料和壓實(shí)度的合理控制,場坪范圍經(jīng)雜亂無章的回填,形成了雜填土地基。由于雜填土地基物質(zhì)組成成分復(fù)雜、回填時(shí)間不一、顆粒大小不均并具有較強(qiáng)的濕陷性,使其力學(xué)性質(zhì)具有較大的離散性和無規(guī)律性,給巖土工程設(shè)計(jì)和施工帶來了難題[1-2],因此,對于雜填土地基需單獨(dú)研究。

目前,國內(nèi)學(xué)者對雜填土地基處理方式的研究文獻(xiàn)較多,周軍紅等[3]研究發(fā)現(xiàn),低能級(jí)滿夯、夯實(shí)擴(kuò)底灌注樁以及鉆孔夯擴(kuò)擠密樁形成的組合型地基處理方式,可應(yīng)用于坐落在深厚雜填土上高層建筑的地基處理;張峰等[4]研究發(fā)現(xiàn)通過沖擊成孔后插入鋼筋籠,在管內(nèi)泵壓混凝土的成樁施工工藝,可解決雜填土地基復(fù)合地基施工困難的問題;謝劍峰等[5]以某開發(fā)小區(qū)回填面積約11萬m2的大坑為例,通過分區(qū)分層進(jìn)行普通能級(jí)強(qiáng)夯的地基處理方式,利用雜填土成功填筑了深度約30 m大坑;劉波等[6]以位于北京西郊砂石坑內(nèi)的五環(huán)主路及部分立交匝道工程為例,成功采用了強(qiáng)夯、夯擴(kuò)樁(渣土等建筑材料)和擠密樁(砂石和碎卵石等)方案對回填厚度 20～30 m雜填土地基進(jìn)行了加固處理;李浩等[7]以咸陽市上林路K2+420～K2+560段雜填土地基處理為研究對象,采用強(qiáng)夯進(jìn)行地基加固,強(qiáng)夯后雜填土承載力由80 kPa提升至214.67 kPa,滿足工程對承載力的要求。

綜上所述,雜填土是工程上常接觸的一種特殊土,但不同狀態(tài)、不同地區(qū)的雜填土其力學(xué)特性差異較大,對于具體工程需單獨(dú)分析,同時(shí),目前對雜填土的研究主要集中在建筑地基處理,對于鐵路地基處理尤其是鐵路邊坡處理形式報(bào)道較少。本文以西南某鐵路為例,簡單剖析對于大范圍深厚雜填土的鐵路地基和鐵路邊坡處理方式,其研究成果有利于為類似工程提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程簡介

工程位于四川境內(nèi),因場地被大規(guī)模雜填土回填,導(dǎo)致新建某Ⅱ級(jí)鐵路需以深路塹的形式穿過約1.5 km長的雜填土范圍,雜填土厚度20～30 m,其中部分段落雜填土范圍的塊石粒徑可達(dá)0.5～1.0 m,粗顆粒所占比例高達(dá)50%～70%,如圖1所示。本段地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s,境內(nèi)省道、鄉(xiāng)道廣泛分布,交通方便。

圖1 雜填土現(xiàn)狀

1.2 工程地質(zhì)情況

本工程地質(zhì)從上到下依次為:雜填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)泥巖。

(1)雜填土(Q4ml):代表斷面中的地層代號(hào)是<2-3>,雜色,成分以泥巖、砂巖碎石為主,碎石、塊石粒徑2～100 cm不等,約占50%～85%,黏性土填充,局部含卵石、建渣;局部以黏性土回填為主,松散、稍濕,級(jí)配不良,均勻性差,欠固結(jié)土,新近填土,回填時(shí)間約1年,承載力特征值70 kPa。

(2)粉質(zhì)黏土(Q4al):代表斷面中的地層代號(hào)是<4-2-1>,灰色,軟塑-可塑狀,含少量砂礫,角礫,切面稍粗糙,稍有光澤,干強(qiáng)度中等,韌性中等,承載力特征值150 kPa。

(3)砂質(zhì)泥巖(J2s):紅褐色、紫紅色,主要由黏土礦物及少量細(xì)砂質(zhì)團(tuán)塊或條帶組成,局部細(xì)砂質(zhì)含量較重,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),巨厚層狀結(jié)構(gòu),巖質(zhì)較軟,巖芯破碎,多呈碎塊狀,少量短柱狀。

1.3 水文地質(zhì)條件

測區(qū)地表水僅受大氣降雨控制,以蒸發(fā)、下滲和徑流等形式排泄,地表水基本不發(fā)育。測區(qū)地下水主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水2種類型?？紫端饕x存于第四系崩坡積碎、塊石土中,接受地表水及大氣降水的下滲補(bǔ)給,水量小;基巖裂隙水主要賦存于下伏基巖裂隙中,接受大氣降水和上部孔隙水的下滲補(bǔ)給,水量貧乏。

2 地基處理

2.1 地基處理形式介紹

對于厚度較大的地基處理,常用的形式分為散體材料樁、柔性樁和剛性樁。柔性樁代表的有水泥土攪拌樁、旋噴樁;剛性樁代表的有水泥粉煤灰碎石樁;散體材料樁代表的有柱錘沖擴(kuò)樁。

對于雜填土,由于填料物質(zhì)不一,其顆粒尺寸相差較為懸殊,顆粒之間的孔隙大小不一,常用的地基處理形式都不適用于雜填土。

根據(jù)JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》,水泥土攪拌樁適用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、黏性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細(xì)砂(松散、中密)、中粗砂(松散、稍密)、飽和黃土等土層,但不適用于含大孤石或障礙物較多且不宜清除的雜填土、欠固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、硬塑及堅(jiān)硬的黏性土、密實(shí)的砂類土,以及地下水滲流影響成樁質(zhì)量的土層。

高壓旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土(流塑、軟塑和可塑)、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基,但不適用于土中含有較多的大直徑塊石、大量植物根莖和高質(zhì)量的有機(jī)質(zhì),以及地下水流速較大的工程,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果確定其適用性。

水泥粉煤灰碎石樁適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結(jié)已完成的素填土地基。

柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基適用于處理地下水以上的雜填土、粉土、黏性土、素填土和黃土等地基,對地下水以下飽和土層處理,應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用性,但柱錘沖擴(kuò)樁處理地基的深度不宜超過10 m。

因此,需根據(jù)項(xiàng)目周邊情況合理選取適用于雜填土的地基處理形式,選擇經(jīng)濟(jì)性較好的強(qiáng)夯加固。

2.2 強(qiáng)夯

本工程范圍雜填土適用于強(qiáng)夯地基處理,根據(jù)雜填土的深度情況,選取代表性斷面進(jìn)行工后沉降計(jì)算,根據(jù)工后沉降計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)強(qiáng)夯影響深度超過8 m時(shí),計(jì)算出的工后沉降是10～28 cm,本工程鐵路等級(jí)是屬于二級(jí)鐵路,工后沉降要求是不超過30 cm,滿足工后沉降要求,因此擬采用強(qiáng)夯處理。

2.2.1 選取夯錘和落距

單擊夯擊能等于錘重與落距相乘,根據(jù)工后沉降理論分析,當(dāng)強(qiáng)夯影響深度超過8 m時(shí),鐵路通過強(qiáng)夯處理后的工后沉降可以滿足規(guī)范要求,基于TB 10106-2023《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》,對于粗粒土影響深度超過8 m的強(qiáng)夯能級(jí)不小于4 000 kN·m,對于細(xì)顆粒土影響深度超過8 m的強(qiáng)夯能級(jí)不小于6 000 kN·m。由于雜填土性質(zhì)不均勻,為了保證處理結(jié)果的可靠性,綜合選取強(qiáng)夯的能級(jí)為6 000 kN·m。在單擊夯擊能相同的情況下,實(shí)踐表明,增加錘重W比增加落距h更有效,但錘重越大,對起吊設(shè)備要求越高[8-9]。因此,選取錘重42 t圓形夯錘,落距14.3 m,直徑2.5 m。

2.2.2 夯擊遍數(shù)及次數(shù)確定

夯擊次數(shù)是強(qiáng)夯設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。一般狀態(tài)下,由粗顆粒為主的地基土夯擊遍數(shù)少于由細(xì)顆粒為主的地基土,根據(jù)日本有關(guān)資料,對于粗顆粒(碎石、砂礫)為主的地基土,點(diǎn)夯2～3遍,細(xì)顆粒(粉土、黏性土)為主的地基土,點(diǎn)夯3～8遍,點(diǎn)夯完成后采用低能級(jí)滿夯。由于本項(xiàng)目的雜填土孔隙較大,承載力特征值80 kPa,初步擬定點(diǎn)夯2遍,每孔點(diǎn)夯8次。

根據(jù)JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》要求,選取強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)范圍30 m×50 m。施工單位根據(jù)圖紙對實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了強(qiáng)夯試驗(yàn),對第一個(gè)夯擊點(diǎn)直接夯擊8次,強(qiáng)夯完成后單點(diǎn)總沉降3 128 mm,表明雜填土空隙率很高,采用強(qiáng)夯這種處理方式效果顯著,但第一個(gè)夯點(diǎn)最后2夯的沉降量是275 mm,不滿足規(guī)范要求的最后2次夯擊沉降不超過100 mm的要求,而且收斂效果欠佳。分析是因?yàn)楸竟こ虒儆诖蠓秶斯るs填土,對于單獨(dú)的一個(gè)強(qiáng)夯點(diǎn)來分析,由于缺少周圍土的有效約束,導(dǎo)致沉降收斂困難。因此對強(qiáng)夯試驗(yàn)方案進(jìn)行了調(diào)整,即:第一步是按照強(qiáng)夯布置情況,對每個(gè)夯擊點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)夯8次,不關(guān)注每個(gè)點(diǎn)最后2次夯擊沉降量是否達(dá)到收斂要求,使試驗(yàn)區(qū)整個(gè)范圍得到預(yù)加固,形成一個(gè)較大范圍的加固體;第二步是按照強(qiáng)夯順序,對每個(gè)點(diǎn)夯位置進(jìn)行補(bǔ)夯,補(bǔ)夯點(diǎn)的夯擊數(shù)根據(jù)最后2次點(diǎn)夯沉降小于100 mm控制。通過這種強(qiáng)夯方式,每個(gè)強(qiáng)夯點(diǎn)后續(xù)補(bǔ)夯3～5次后就達(dá)到最后2擊沉降量小于100 mm要求,實(shí)現(xiàn)了較好的沉降收斂,經(jīng)濟(jì)性較好,提升了強(qiáng)夯的施工效率(圖2)。

圖2 強(qiáng)夯試驗(yàn)現(xiàn)場

2.2.3 強(qiáng)夯靜載試驗(yàn)

強(qiáng)夯施工完成7天后選取強(qiáng)夯范圍3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行靜載試驗(yàn),如圖3所示。圖4是3個(gè)靜載試驗(yàn)點(diǎn)的p-s曲線圖。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可知,1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)檢測點(diǎn)的p-s曲線近似為直線,1號(hào)檢測點(diǎn)荷載最大加載量是303 kPa,累計(jì)沉降13.26 mm,最大回彈沉降量1.74 mm,回彈率13.1%;2號(hào)檢測點(diǎn)荷載最大加載量是303 kPa,累計(jì)沉降13.02 mm,最大回彈沉降量1.50 mm,回彈率11.5%;3號(hào)檢測點(diǎn)荷載最大加載量是303 kPa,累計(jì)沉降13.36 mm,最大回彈沉降量2.00 mm,回彈率15.0%。強(qiáng)夯試驗(yàn)段3個(gè)點(diǎn)的壓力-沉降曲線呈平緩的光滑曲線,其地基容許承載力按相關(guān)變形值確定,即本次試驗(yàn)的強(qiáng)夯試驗(yàn)段3個(gè)點(diǎn)取s/b(或s/d)等于0.015所對應(yīng)的壓力,經(jīng)計(jì)算s/b(或s/d)等于0.015時(shí)相對沉降量為22.5 mm,地基最大沉降量未達(dá)到22.5 mm,所以取3個(gè)點(diǎn)的地基承載力取最大加載值的一半,即承載力為151 kPa,達(dá)到設(shè)計(jì)要求的150 kPa。

圖3 靜載試驗(yàn)

3 邊坡處理

對于雜填土,根據(jù)TB10035-2018《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對于塊石、碎石類填土邊坡,路塹邊坡坡率宜取1∶1.5～1∶2.0,并設(shè)置不小于3 m寬的平臺(tái),大面積填方邊坡采用圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不小于1.25。對于雜填土路塹邊坡,為了保證鐵路后期的安全運(yùn)營,常采用緩邊坡+寬平臺(tái)的處理方式。本工程的雜填土具有2個(gè)特點(diǎn):①填土孔隙大,強(qiáng)度低;②填土厚度大,整個(gè)鐵路邊坡及鐵路側(cè)溝平臺(tái)下約18 m范圍均是雜填土?；谝陨显?從鐵路邊坡的安全性以及鐵路塹頂場坪的安全考慮,需對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。擬采用的處理措施是對邊坡進(jìn)行一定范圍的翻挖,并對翻挖范圍的基底采用強(qiáng)夯加固,其后是通過分層碾壓并鋪設(shè)土工格柵進(jìn)行回填,形成穩(wěn)固體對邊坡進(jìn)行反壓,提升整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)理論計(jì)算,翻挖回填15 m可達(dá)到設(shè)計(jì)要求,選取代表斷面,進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,如圖5所示。

圖5 翻挖回填15m代表斷面

采用鐵二院自編的穩(wěn)定性分析軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析,自動(dòng)搜索出最危險(xiǎn)滑面是安全系數(shù)為0.91,根據(jù)滑面入口和出口位置的差異,除去最危險(xiǎn)滑面后,還分別選取安全系數(shù)為0.95和安全系數(shù)為1.0的滑面(其中安全系數(shù)為1.0的滑面根據(jù)出口位置不同共選擇了2條)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)潛在滑面經(jīng)過區(qū)域與翻挖回填平臺(tái)的相對距離發(fā)現(xiàn),潛在滑面經(jīng)過區(qū)域均在翻挖回填平臺(tái)下方5.0 m范圍內(nèi)。對基底采用6 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后,根據(jù)強(qiáng)夯靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,強(qiáng)夯后雜填土承載力可達(dá)到150 kPa。因此對強(qiáng)夯影響深度范圍內(nèi)的雜填土力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行提高后,分析計(jì)算4條滑面在不同工況下的安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果如表1所示。一般工況下均滿足安全系數(shù)不小于1.25的要求,地震工況下均滿足安全系數(shù)不小于1.15的要求,暴雨工況下均滿足安全系數(shù)不小于1.15的要求。

表1 代表斷面穩(wěn)定性分析結(jié)果

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,填土邊坡一般工況下安全系數(shù)不小于1.25,地震工況和暴雨工況下的安全系數(shù)不小于1.15,因此,通過翻挖回填+地基強(qiáng)夯的組合處理方式,能夠滿足規(guī)范對邊坡穩(wěn)定性的要求,設(shè)計(jì)圖紙如圖6所示。這一結(jié)果表明強(qiáng)夯不僅可以用于地基加固,也可通過提升強(qiáng)夯影響范圍巖土層的力學(xué)參數(shù),實(shí)現(xiàn)治理邊坡穩(wěn)定性問題。

4 結(jié)束語

(1)對于深厚雜填土地基,強(qiáng)夯時(shí)通過先對強(qiáng)夯面進(jìn)行一定次數(shù)的點(diǎn)夯,形成一個(gè)整體受力區(qū)域,然后再對單個(gè)夯點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)夯,直至達(dá)到最后兩夯沉降小于100 mm的要求;通過這種施工組織,有利于更好、更快地實(shí)現(xiàn)沉降收斂,具有較好的經(jīng)濟(jì)性;同時(shí),采用強(qiáng)夯可以將雜填土承載力由80 kPa,提升至150 kPa以上。

(2)對于雜填土深厚路塹邊坡防護(hù),通過對邊坡進(jìn)行一定范圍翻挖回填,并對翻挖回填的地基范圍進(jìn)行強(qiáng)夯加固的組合處理方式,可以較經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)對雜填土路塹邊坡的治理;同時(shí),強(qiáng)夯不僅可以用于地基加固,也可通過提升強(qiáng)夯影響范圍巖土層的力學(xué)參數(shù),實(shí)現(xiàn)治理邊坡穩(wěn)定性問題。