鐵路路基結(jié)構(gòu)下軟土地基處理技術(shù)研究

摘要：旨在研究鐵路路基結(jié)構(gòu)下軟土地基的處理技術(shù)。通過分析軟土地基的特性及其對鐵路工程的影響，重點介紹了排水固結(jié)法、水泥深層攪拌法、高壓噴射注漿法和真空預(yù)壓法等常用的軟土地基處理技術(shù)，闡述了各種方法的原理、適用條件、施工工藝和應(yīng)用實例。研究表明，合理選擇和優(yōu)化組合軟土地基處理技術(shù)，可有效提高地基承載力，控制沉降變形，保障鐵路運營安全。

關(guān)鍵詞：鐵路工程；軟土地基；地基處理技術(shù)；沉降控制

我國幅員遼闊，各地區(qū)地質(zhì)條件差異較大，軟土地基廣泛分布于沿海地區(qū)及內(nèi)陸湖盆等區(qū)域。軟土具有含水量高、壓縮性高、強度低等特點，這些特性為鐵路工程建設(shè)帶來諸多不利影響［1］。由于軟土地基的承載力低，容易產(chǎn)生過大變形，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致路基失穩(wěn)。此外，軟土固結(jié)排水時間長，易造成工期延誤。因此，在鐵路路基設(shè)計與施工中，必須高度重視軟土地基的處理。近年來，我國高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展，對路基的穩(wěn)定性和變形控制提出了更高要求。傳統(tǒng)的軟基處理方法已無法完全滿足日益提高的高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。為保證鐵路運營安全，控制軟土地基變形，延長路基使用壽命，亟需開展鐵路路基結(jié)構(gòu)下軟土地基處理技術(shù)的研究。

1軟土地基特性及其對鐵路工程的影響

1.1軟土地基特性

軟土地基是一類以黏性土為主的高壓縮性土層，通常具有含水量高、孔隙比大、滲透性低、壓縮性高和強度低等特征［2］。軟土中的顆粒主要由黏土和亞黏土組成，其天然含水量一般大于液限含水量，飽和度接近或達(dá)到100%。由于軟土的孔隙普遍較大，通常在1.0以上，導(dǎo)致其密實度低，土體疏松。軟土顆粒細(xì)小，滲透系數(shù)通常在10-6～10-8 cm/s量級，滲透性能極低，因此固結(jié)排水時間較長。在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，軟土地基會產(chǎn)生顯著的壓縮變形。這種變形一方面來自土中水分排出導(dǎo)致的體積收縮，另一方面源于土顆粒本身的重新排列。軟土的壓縮過程通常經(jīng)歷初始固結(jié)、次固結(jié)和二次固結(jié)3個階段，變形過程緩慢且持續(xù)時間長。軟土地基的各項工程特性與其物理性質(zhì)密切相關(guān)，如含水量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)和孔隙比等。因此，準(zhǔn)確查明軟土的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)是進(jìn)行地基穩(wěn)定性評估和方案設(shè)計的基礎(chǔ)。

1.2軟土地基對鐵路工程的影響

軟土地基的不良工程特性對鐵路工程建設(shè)和運營安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。軟土的高壓縮性導(dǎo)致鐵路路基在列車荷載作用下產(chǎn)生顯著的沉降變形，且這種變形往往是不均勻的，易引起路基縱向不平順以及橫向不均勻的沉降，進(jìn)而導(dǎo)致鐵路線路的平面和縱斷面幾何參數(shù)偏離設(shè)計值，影響行車安全和乘坐舒適度。沉降變形還可能造成路基寬度和高度不足，影響路基的排水和穩(wěn)定性。軟土地基的低滲透性和長期固結(jié)特性，意味著沉降變形的發(fā)展是一個緩慢持續(xù)的過程，會使軟土路基在較長時間內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若處置不當(dāng)，殘留沉降可能導(dǎo)致鋪設(shè)在路基上的軌道結(jié)構(gòu)受到破壞，如鋼軌錯位、軌枕懸空、道床不穩(wěn)和損壞等，大大增加線路養(yǎng)護(hù)工作量和成本。軟土的低強度特性還可能引發(fā)路基邊坡失穩(wěn)和滑動，尤其是在暴雨等惡劣天氣條件下。路堤高度越高，土體失穩(wěn)的風(fēng)險越大。當(dāng)軟土層厚度較大時，路基荷載可能引起深層土體的側(cè)向流動，導(dǎo)致路基整體穩(wěn)定性不足。而在飽和軟土中修建路塹或陡坡時，開挖卸荷可能導(dǎo)致土體強度進(jìn)一步降低，并在一定條件下引發(fā)流塑性破壞。

2鐵路路基結(jié)構(gòu)下軟土地基處理技術(shù)

2.1排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是一種常用的軟土地基處理技術(shù)，其基本原理是通過在軟土中設(shè)置人工排水體，縮短水流徑路，加速土體中多余孔隙水的排出，促進(jìn)土體固結(jié)，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。常見的排水體有砂井和塑料排水板等類型［3］。砂井由砂礫材料填充而成，直徑一般為40～50 cm，施工時采用套管護(hù)壁成孔，再回填砂礫料，并適當(dāng)加固井壁。塑料排水板由聚合物材料制成，具有橫截面積小、長度長、排水效率高等特點。排水板垂直打入軟土層，頂部與砂墊層相連，底部穿過軟土直達(dá)透水層，形成立體排水系統(tǒng)。與砂井相比，塑料排水板施工速度快，造價低，不易堵塞，抗變形能力強，因此在鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用。

在實際施工中，應(yīng)根據(jù)軟土層的厚度、滲透系數(shù)、排水距離等因素，合理選擇排水材料的種類和規(guī)格，并通過現(xiàn)場試驗確定最佳布置間距。同時，應(yīng)嚴(yán)格控制排水體的垂直度，確保其頂部與砂墊層緊密相連。為加快排水固結(jié)速率，可在地表鋪設(shè)砂墊層，并采用堆載預(yù)壓等措施增大土體的有效應(yīng)力。排水固結(jié)法可顯著提高地基承載力，減少工后沉降，但處理效果的發(fā)揮需要一定的時間，因此適用于對建設(shè)工期要求不太嚴(yán)格的工程。該方法可與其他地基處理技術(shù)聯(lián)合使用，發(fā)揮綜合效益。

2.2水泥深層攪拌法

水泥深層攪拌法是一種通過在軟土中摻入水泥漿，利用水泥漿與軟土充分混合并硬化形成水泥土而達(dá)到加固地基目的的處理技術(shù)［4］。該方法的加固機(jī)理主要包括以下3個方面：

（1） 水泥漿中的游離鈣離子與軟土中的黏土礦物發(fā)生陽離子交換反應(yīng)，使土顆粒絮凝，以提高土體的初始強度；

（2） 水泥顆粒水化形成水化硅酸鈣凝膠，填充于土顆粒間隙，增強顆粒間的連接，提高土體密實度；

（3） 水泥的水化產(chǎn)物與土顆粒表面發(fā)生膠結(jié)作用，形成穩(wěn)固的骨架結(jié)構(gòu)，顯著提高土體強度和剛度。

水泥土的性能主要取決于水泥摻量、水灰比和齡期等因素。一般情況下，水泥摻量為軟土干重的15%～25%，水灰比控制在0.6～1.2之間。在實際工程中，應(yīng)通過室內(nèi)配合比試驗確定最佳水泥摻量和水灰比，并采用合理的施工工藝，如雙軸深層攪拌機(jī)多點噴漿、提升速度控制在0.5～0.8 m/min、攪拌葉片轉(zhuǎn)速維持在40～60 r/min等，以保證水泥漿與軟土充分混合。施工過程中，應(yīng)采取措施防止攪拌樁發(fā)生斷樁、縮頸等問題，并對成樁質(zhì)量進(jìn)行檢測，如采用鉆芯取樣、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和瞬變面波法等無損檢測技術(shù)。例如，在溫州S1線高速鐵路軟基處理中，采用瞬變面波法對水泥土樁進(jìn)行完整性檢測，識別出局部存在的混合不均問題，通過補樁處理確保了地基加固質(zhì)量。水泥深層攪拌法具有加固效果好、適用性廣、施工便捷等特點，不僅能夠提高軟土地基承載力，控制沉降變形，還能改善地基的抗震液化性能。該方法已在我國鐵路工程建設(shè)中得到成功應(yīng)用，但也存在著造價較高、污染土體、碳排放量大等局限性。

2.3高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法是一種利用高壓將水泥漿液噴射入土體，破壞土體結(jié)構(gòu)，并與土顆?；旌闲纬筛邚姸人嗤翗兜能浲恋鼗幚砑夹g(shù)［5］。該方法通過在土體中鉆進(jìn)高壓旋噴管，利用泵送設(shè)備將水泥漿液經(jīng)噴頭高速噴射入土體，同時噴管不斷旋轉(zhuǎn)并勻速提升，最終在土體中形成一根直徑大、強度高的水泥土樁。在噴射過程中，噴嘴射流速度可高達(dá)80～100 m/s，噴射壓力可達(dá)30～50 MPa，土體在高壓射流作用下發(fā)生破碎、攪拌和摻混，形成均勻密實的樁體。水泥漿液一般采用普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.6～1.0之間，可根據(jù)土質(zhì)條件和設(shè)計要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為確保注漿效果，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，如提升速度宜為6～12 cm/min、旋轉(zhuǎn)速度為6～20 r/min、水泥用量為150～300 kg/m等。同時，可采用雙管或三管噴射方式，通過調(diào)整各股射流的壓力、流量和角度，優(yōu)化噴射效果。漿液中可摻入減水劑、速凝劑等外加劑，改善漿液流動性能和凝結(jié)性能。高壓噴射注漿法具有適用范圍廣、施工效率高、對環(huán)境擾動小等優(yōu)點，已在鐵路軟基處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以京福鐵路蒙城段為例，該區(qū)域地層主要為淤泥質(zhì)黏土和泥炭，高鐵設(shè)計時速250 km/h，對路基沉降控制要求嚴(yán)格。施工單位采用高壓旋噴樁加固軟基，樁徑800 mm，樁長12 m，28 d無側(cè)限抗壓強度達(dá)8.5 MPa，有效控制了軟基沉降，確保了線路運營安全。但高壓噴射注漿法也存在施工能耗大、成本較高、易發(fā)生噴漿管堵塞等問題，應(yīng)引起設(shè)計和施工人員的重視。

2.4真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法是一種利用真空泵抽除土體中氣體，形成負(fù)壓環(huán)境，加速土體中孔隙水排出，促進(jìn)軟土固結(jié)的地基處理技術(shù)。該方法通過在軟土地基表面鋪設(shè)砂墊層和透水性能良好的塑料排水板，并在其上覆以密封性能良好的薄膜，形成真空密封系統(tǒng)。真空泵通過管路與砂井相連，抽除砂井內(nèi)的氣體，在整個密封系統(tǒng)內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境，一般可達(dá)到80～90 kPa。在大氣壓力與真空負(fù)壓的共同作用下，軟土地基中的孔隙水會沿著砂井和排水板快速排出，有效加快固結(jié)進(jìn)程。真空泵的選型應(yīng)綜合考慮真空度、抽氣量、配套動力等因素，真空度宜不低于85 kPa，抽氣量應(yīng)滿足現(xiàn)場抽氣強度的需求。鋪設(shè)真空膜時應(yīng)采取措施減少接縫和破損，可采用熱熔焊接等方式進(jìn)行嚴(yán)密封縫。抽真空過程中應(yīng)布置沉降板、孔隙水壓力計等監(jiān)測設(shè)施，實時監(jiān)測地表沉降、孔隙水壓力等指標(biāo)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)整真空度和抽氣時間，確保預(yù)壓效果。

3結(jié)語

軟土地基處理技術(shù)在鐵路工程建設(shè)中具有重要的作用和廣闊的應(yīng)用前景。排水固結(jié)法、水泥深層攪拌法、高壓噴射注漿法和真空預(yù)壓法等技術(shù)各具特點和優(yōu)勢，可根據(jù)實際工程條件進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化組合。未來，隨著鐵路建設(shè)規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，軟土地基處理技術(shù)還需在環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和長期穩(wěn)定性等方面取得進(jìn)一步突破。加強基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)新型加固材料，優(yōu)化施工工藝，建立長期監(jiān)測機(jī)制，將是推動鐵路軟基處理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措?？梢灶A(yù)見，先進(jìn)的軟土地基處理技術(shù)必將為我國鐵路事業(yè)的騰飛提供堅實的基礎(chǔ)保障。

參考文獻(xiàn)：

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［5］陳海寧.鐵路工程軟土地基處理施工技術(shù)分析［J］.建設(shè)監(jiān)理，2024（增刊1）：115-117.

作者簡介：趙宇澤，男，甘肅平?jīng)鋈?，助教，碩士研究生，研究方向：鐵道工程。