采用柱锤冲扩桩处理高速铁路黄土地基效果研究

李玉强，黄志军

(1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070;2．甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃兰州730070)

采用柱锤冲扩桩处理高速铁路黄土地基效果研究

李玉强1，2，黄志军1，2

(1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070;2．甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃兰州730070)

黄土在我国境内分布较广，具有压缩性高、孔隙率大、湿陷性等特征，工程性质较差。高速铁路对地基的要求比较高。要在黄土地区修建高速铁路，就必须解决黄土工程性质较差的问题。在宝兰客专兰州西客站附近选取试验段，采用柱锤冲扩桩对黄土地基进行处理。结果表明:柱锤冲扩桩复合地基能够大幅度提高黄土地基的承载力，处理后复合地基的承载力相对于天然地基提高了3倍以上;采用柱锤冲扩桩处理黄土地基对桩间土具有良好的挤密效果，桩间土密度比处理前增大了17%左右;柱锤冲扩桩复合地基能够有效消除黄土的湿陷性。

高速铁路 柱锤冲扩桩 黄土 复合地基 湿陷性

黄土的湿陷性指的是黄土在遇水浸湿后，土体结构迅速破环，并发生显著下沉，引起上部建筑发生倾斜、开裂或者大幅度沉降的一种性质［1-2］。在黄土地区修建高速铁路，如果不采取措施消除黄土的湿陷性，一旦遇水，地基土结构迅速破坏，在列车荷载作用下，路基会大幅度沉降，影响列车的安全运行。因此，对黄土地区高速铁路地基必须采取措施进行加固处理，消除黄土的湿陷性。

在对黄土地基加固处理时需选择合理的工法。从目前来看，黄土地基的处理方法主要有预浸水法、挤密法、强夯法、换填法、高压喷射注浆法、深层搅拌桩法等［3-4］。柱锤冲扩桩是挤密桩的一种，因其成桩速度快、工程造价低等优点已得到广泛应用。本文探讨用该方法处理高速铁路黄土地基的效果。

1 工程概况

宝兰客专是规划的徐州至兰州客运专线的西段，是国家铁路“四纵四横”客运专线网络的重要组成部分。兰州西客站是宝兰客专的大型客运枢纽站，位于黄河三级阶地平台上，地势开阔，地形相对平缓。施工段起讫里程DCSK1+095.46—DCSK5+605.00，全长4 509.54 m。在施工段选择DCSK3+160—DCSK3+ 260段(全长100 m)作为试验段采用柱锤冲扩桩对天然地基进行处理。试验段地层见表1。

表1 试验段地层

2 天然地基物理力学性能试验

2.1 天然地基承载力试验

通过现场载荷试验确定天然地基承载力。试验结果见图1。

由图1可见，3组试验测得的天然地基承载力为120 kPa左右。而设计要求的地基承载力为不小于200 kPa，故天然地基承载力不能满足设计要求，所以必须采取措施提高天然地基承载力。

2.2 天然地基土物理力学试验

天然地基土物理力学试验包括密度试验和湿陷性试验。现场用环刀取回原状土，在室内通过试验检测其密度和湿陷性。结果见表2。

图1 天然地基P－S曲线

表2 天然地基土试验结果

由表2可见，天然地基土湿陷系数均＞0.015，说明天然地基土具有湿陷性。如果直接在上面修建高速铁路，在降雨量较大的情况下地基黄土发生湿陷，这将严重威胁到列车的安全运行。对于湿陷性黄土，在采取措施提高承载力之前必须消除其湿陷性。而柱锤冲扩桩可以在提高承载力的同时消除黄土湿陷性。

3 柱锤冲扩桩的设计、质量要求及施工方法

3.1 柱锤冲扩桩的设计

试验段设计柱锤冲扩桩桩体填料为水泥与黄土的混合料，灰土比例为1∶10，填充前应搅拌均匀。设计桩长为8 m，桩径为0.4 m，桩中心间距为1.0 m，桩位布置为正三角形，见图2。

3.2 柱锤冲扩桩质量要求

1)柱锤冲扩桩质量检测内容包括桩身及桩间土密度、复合地基承载力、桩间土湿陷系数等。

2)桩施工结束7～14 d后对桩身质量进行检测。在全桩长范围内，桩心附近采用钻机取样，每2 m采取试样测定密度，再根据击实试验得到的最大干密度将其换算为压实系数(轻型击实需≥0.97)，同时取样实测28 d无侧限抗压强度(需≥1 000 kPa)［5］。

3)施工结束7～14 d后应对桩间土的处理效果进行检验。每2 m取样测定密度并进行固结试验、湿陷性试验，需满足挤密系数≥0.93(轻型击实)，湿陷系数δs＜0.015［5］。

4)桩身承载力检验宜在成桩28 d后进行，应采用复合地基承载力试验，满足复合地基设计要求［5］。

3.3 柱锤冲扩桩施工工艺

一般柱锤冲扩桩的施工［6-7］分为以下几步:

1)平整施工场地，布置桩位并进行标记。

2)施工机具进场，施工前应使柱锤位于桩位的正上方。

3)冲击成孔。将柱锤提升至一定高度，自由下落冲击土层，如此反复，直至达到设计成孔深度时停止作业。

4)夯实成桩。将提前拌好的水泥土填入桩孔，每次填料量为0.13～0.15 m3，用夯重锤进行夯实，夯击次数达到至少8次后进行下一次填料，如此往复，每个桩孔应夯填至桩顶设计标高以上至少0.5 m。施工中应作好记录，并对发现的问题及时进行处理。

5)施工机具移位，重复上述步骤进行下一根桩施工。

冲击成孔过程中，柱锤将原位置的土体挤压到四周，达到挤密桩间土的效果。填料后，柱锤夯击过程中，填料被夯实的同时会被挤向四周，成桩的同时桩间土被再一次挤密。成桩后，灰土桩对天然土体起到一个置换作用，从而形成柱锤冲扩桩复合地基。

图2 桩位布置示意(单位:m)

4 处理后效果检测

4.1 现场载荷试验

柱锤冲扩桩施工结束7 d后，通过现场荷载试验检测复合地基承载力，结果见图3。

由图3可知，3组试验测得的复合地基承载力远大于设计要求的200 kPa，复合地基承载力相对于天然地基提高了3倍以上。

图3 复合地基P－S曲线

4.2 桩身物理力学性能试验

桩施工结束7 d后，在桩心附近采用钻机取样，每2 m采取试样测定密度，换算成压实系数，试验结果见表3。

表3 桩身力学性能试验结果

由表3可知，桩身土压实系数均＞0.97，桩身压缩模量均＞100 MPa，无侧限抗压强度均＞1 MPa，各项指标均满足设计要求。

4.3 桩间土物理力学性能试验

施工结束7 d后，对桩间土每2 m采用钻机取样，测定密度，并进行室内固结试验和湿陷性试验，结果见表4。

由表4可知，桩间土挤密系数＞0.93，满足设计要求，桩间土密度比处理前增大了17%左右。

通过湿陷性试验确定桩间土湿陷系数δs＜0.015，桩间土湿陷性已基本消除。

表4 桩间土固结试验和湿陷性试验结果

5 结论

本文通过室内及现场试验研究采用柱锤冲扩桩处理黄土地基的效果，结果显示复合地基承载力、桩身压实系数、压缩模量、无侧限抗压强度、桩间土挤密系数及湿陷系数均满足设计要求。得出以下结论:

1)柱锤冲扩桩复合地基能够大幅度提高黄土地基的承载力，复合地基承载力相对于天然地基提高了3倍以上。

2)柱锤冲扩桩对桩间土具有良好的挤密效果，桩间土密度比处理前增大了17%左右。

3)柱锤冲扩桩复合地基有效地消除了桩间黄土的湿陷性。

［1］张良春，秦德进，邓艳霞．客运专线路基基床表层填筑试验研究［J］．铁道工程学报，2005(1):77-80．

［2］李治平．二灰土挤密桩在公路湿陷性黄土地基加固中的应用研究［J］．中外公路，2009，29(4):50-53．

［3］孙洪利，尤晓．黄土地区公路工程地基处理技术简介［J］．公路，2003(6):107-109．

［4］屈耀辉，魏永梁，武小鹏，等．黄土区高铁柱锤冲扩桩地基沉降控制效果研究［J］．铁道工程学报，2012(1):21-25．

［5］中华人民共和国建设部．GB/T 50123—1999土工试验方法标准［S］．北京:中国计划出版社，1999．

［6］徐强，刘运泽，白兆梓，等．灰土桩在湿陷性黄土路基处理中的应用与质量控制［J］．公路，2009(6):20-22．

［7］殷郑海．灰土挤密桩在湿陷性黄土地基处理中的应用［J］．路基工程，2005(1):45-48．

(责任审编葛全红)

TU472.99

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．26

1003-1995(2015)03-0092-03

2014-06-20;

2014-09-20

李玉强(1990—)，男，甘肃金昌人，硕士研究生。