高速铁路软土地基处理技术.pdf
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1、高速铁路软土地基处理技术摘要:铁路路基工程中经常会遇到软土问题,处理的质量与选择的方法将直接影响到轨道结构的稳定性与安全使用,因此软土地基的处理技术对高速铁路建设十分重要。本文首先阐述了软土地基尤其是铁路软土地基的特点,对目前常用的软土地基处理方法以及新技术进行总结,然后提出适合高速铁路软土地基处理的方法,并发展和提出了高速铁路软土地基处理的新技术,对高速铁路软土地基常用的处理方法及其施工工艺进行详细介绍。关键词:软土高速铁路轨道结构地基处理1前言随着国民经济快速的发展,人民生活水平逐渐的提高,对此,在铁路的运输方面也提出了更高的需求。高速铁路凭借安全舒适、快速等优势,成为当代最主要的交通运输
2、工具。因此,在工程质量方面也提出了更高的要求。由于在软土地基上进行修建高速铁路,必须要控制好技术质量以及基本特性,更需要控制好地基施工后所出现的沉降量以及差异沉降量,它作为稳定高速铁路轨道的重要因素。由于高速铁路具有安全舒适、速度较快等一定的优势,当前,已逐渐地成为了中长距离运行最为重要的交通运输工具。然而,由于轨道结构的主要基础就是路基,所以其刚度和强度以及在稳定性方面,在满足运营的条件下应把轨道的参数规定在标准的范围之内,同时也是保证列车的安全、高速以及平稳的基础条件,所以,客运专线在对于控制路基的变形和填料的质量,特别是在对于工后沉降的控制方面,都必须加以严格的控制。对于在软土地基的范围
3、领域里,对其进行勘察和设计以及在控制施工质量方面有着更高的要求。软土地基的因有着一定的复杂性,并且没有足够的建设经验等因素,所以在建设大规模的客运专线时,必须要选择具有代表性的软土地段进行试验,进行勘察和设计以及在控制施工质量等每个环节都需要进行深入的研究,这不仅可以为建设高速铁路提供有效的参考价值,还可以对其进一步的完善修改提供相关的有利依据。对此,本文详细介绍了在高速铁路修建中具有代表意义的设计、施工控制以及各个环节中的技术试验并加以研究。2 软土路基软土是在静水或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物,其天然含水量大、孔隙比大、压缩性高、承载力低、渗透性小,是一种呈软塑到流塑状态的饱和粘
4、性土。由于高速铁路轨道结构的基础修建在软土中,则此结构的地基就称为高速铁路软土地基。软土作为特殊土的一种,有其独特的土力学性能:软土的天然含水量高,一般大于30%;孔隙比大,天然孔隙比 e 1;压缩系数1-2=0.5 2MPa-1;透水性低,竖向与水平渗透性不同,一般垂直方向的渗透性系数要小些;抗剪强度低,因为软土的内摩擦角接近于零,抗剪强度主要决定于内聚力;软土具有触变性与流变性。铁路在通过沿海一带及湖泊沼泽地区时,常常会遇到软土地基问题,主要有路基沉降不稳定及变形过大;路基边破失稳外挤;路基基床病害等。由于软基变形对铁路路基运营期间造成了较大的危害,它影响了行车安全,增大了线路的养护维修量
5、。从50 年代开始,铁路工程技术人员就针对路基工程遇到的软土地基处理问题进行了大量的现场软基试验和研究。经过几十年的努力,通过提高现场勘察技术和手段、采用各种新的原位测试技术和方法、应用各种软基处理新技术和新方法,使铁路路基工程遇到的软土地基处理问题得到了较好的解决。2.1 软土的主要指标1)高含水量和高孔隙性天然含水量大事一个特点,根据有关资料表明软土的天然含水量大致在4080,甚至最大的超过200。液限也很大一般在 30 60,土体的天然含水量和液限的关系是当土体的天然含水量增大的时候土体的液限也是增加的。经过多组实测的天然孔隙比统计得出的数据一般在 12 之间,有些数值到达最大测得的数据
6、达34。实际测的饱和度都在 95左右,天然孔隙比与天然含水量这两个指标呈直线变化关系。软弱土具有的高含水量的特征和高孔隙性特征就注定软土的压缩性非常强但是抗剪强度相对比较低。2)软弱土层的渗透性实测数据表明,特别是在滨海地区或者三角地带软土的渗透系数一般在i 10-4i 10-8cm/s 之间,这些土层基本上有夹层,夹层的材质有细砂、微颗粒的粉土等,这些特征就决定了在水平方向对水的渗透性要比垂直方向要大得多。由于软弱土质渗透系数小、始终处于饱和状态,天然含水量大,一定程度上延缓了土体的固结过程,许多情况下的试验过程是加荷一开始,土体就会出现比较高的孔隙水压力,这对路基的强度有显著的影响。3)软
7、弱土层的压缩性多年实践发现,软弱土层基本都是高压缩性土,试验室实测压缩系数的范围都在0.10.2大多数都是0.71.5MPa-1,局部最大达 4.5MPa-1,它随着土的液限和天然含水量的增大而增高。由于土质本身的因素而言,这些土的在车辆荷载作用下的变形有下列特征:(1)变形比较大并且不均匀;(2)变形时间很长但比较稳定。4)抗剪强度抗剪强度小是软土的一个很重要的指标,并且它在加荷速度及排水固结条件都有密切的相关,试验发现不排水三轴快剪所得抗剪强度值非常小,研究发现与其侧压力大小没有直接的关系。在排水时候的抗剪强度伴随固结程度的增加而增大。2.2 软土的鉴别方法1)最常见的鉴别方法是根据建设部
8、的部颁标准软土地区工程 地质勘 查规范(JGJ83-91)中的有关规定中符合下面特征的就可以定义为软土:(1)在野外情况下人们用肉眼观察土质的外观颜色如果是呈现以灰色为主的细粒土;(2)将土样带到试验室进行试验测定天然含水量,如果实测的天然含水量大于或等于液限;天然孔隙比大于或等于1.01。上述情况如果确定那就是软土。2)交通部的部颁标准公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ017-96)中规定软土鉴别的方法;土样在试验室试验测定天然含水量35()与液限,天然孔隙比 1.0,十字板剪切强度(kPa)35(注:十字板剪切强度(Su)35kPa所对于的静力触探总贯入阻力(Ps)约 为 750k
9、Pa。)2.3 常用处理软土地基的材料与要求1)天然砂砾公路路基用作底基层或垫层的天然砂砾料透水性应良好,不能含有机质土、粘土块和其它有害物质。天然砂砾的最大粒径不得超过53mm,含泥量不得大于 5。具体指标的确定必须经过试验确定。2)石料石料要具有足够的强度和耐磨耗性,工程中一般要有碎石,碎石是由岩石和砾石轧制而成,必须保证碎石洁净、干燥,要保证其颗粒形状应具有棱角,不得掺有软质石和其它杂质,粒径一般在 20mm50mm之间,含泥量不应大于10。片石普遍用在填石路基中,抛石挤淤应采用质地良好的片石,规格尺寸一般应小于 300mm。3.软土地基处理3.1 修建高速铁路在软土地段的技术要素1)对
10、于软土地基的有效勘察以及选取参数的精度可以有效的控制好软土路基的沉降变形与稳定性的基础因素。当前,在对软土地基进行勘察时,一般是应用勘探技术、土工的试验等相结合的勘察方式,而不同的测试手段所获得的结果也是存在一定的差异性。因此,需要对现场试验实测的有效数据进一步的研究分析,所以,在选用科学合理的设计参数和有效的勘察方式,对提高勘察的准确度是非常有利的。2)在进行修建高速铁路中,在对路基的主要结构以及填料的质量控制和压实质量的标准上都有着一定的严格标准。在对于所应用的填料需要在现场进行填筑试验,并获得路基填料的方法以及技术参数和工艺、压实质量的检验方法等,同时通过了模拟的动力试验的可评价动力特征
11、,主要表现在:(1)验证合理的设计方案可行性;(2)可以指导全线路堤的设计和施工工作。3)由于软土所特有的固结特性会影响到处理措施,同时软土在原位强度和结构性等方面对计算沉降的准确度有很大的影响。所以,经大量施工实践证明,由于软土路堤的工后沉降控制是可以受到勘察以及设计质量的直接影响,并且与路堤的填筑速率、施工的质量以及对地基的处理工艺等方面都有着密切的联系,因此,可以通过对现场进行试验并获得相应的施工参数,并有效的指导项目施工。3.2 对于软土地基的有效勘察1)对于在进行勘探以及测试点布置密度主要就是根据软土的地层结构、成因类型和硬底横坡等,确定软土空间的变化特点。在进行对软土地基勘探时需要
12、采取原位测试方法和钻探方法相结合的勘察方式。在控制钻孔的数量时需要根据地基土自身的均匀性以及设计要求来确定,同时也反映出在压缩层的深度里,所有岩土层物理力学的性质;2)在原位测试和钻探方法中主要包括了十字板的剪切试验、静力触探、应力铲的试验以及螺旋板荷载试验等,对于这些方法的应用主要是根据地层岩性的特点,以及对于建筑物的规模、类型和基础等情况确定的,同时应注意测试的方法;3)在确定试验项目和试验的频度上一般是根据工程的主要类型,在拟选用地基的处理方案和软土的特点等方面进行确定的,通常把高速铁路的地基土主要的设计指标分成变形指标与强度指标两种。3.3 软基的破坏形式软土由于其不良的工程力学特性,
13、对工程有极大的危害性,综合分析主要有以下几种形式:1)剪切破坏,由于地基抗剪强度不足以承受其上列车所施加的动、静荷载,造成破坏,表现为使邻近地基产生隆起;2)由于软土地基的高压缩性,发生不均匀沉降,使轨道结构的基础由于应力集中出现裂缝最终使轨道结构遭到破坏,失去其使用功能;3)由于软土地基的高空隙比与高含水率,在使用中发生排水固结,发生不均匀沉降,使轨道结构下沉量过高,影响使用功能。在工程应用实际中,由于铁路路基是承受静、动双向荷载,其受力的复杂性,决定其软土地基发生均匀沉降的可能性极小。3.4 对于软土地基的处理方式1)在进行塑料排水板的机械施工中,由于静压式的插板机无论在经济成本还是工效以
14、及对环境的影响等方面都是好于振动式的插板机,然而振动式的插板机在进行对地层穿透的能力方面是好于静压式的。所以,在两者都可以穿透地层处理塑料的排水板时,应优先应用静压式的插板机,如果选择静压式在较困难的地层处理时,需应用振动式的塑料排水板机械进行处理;2)对于软土地基在进行选取设计参数时,需要在土工参数的统计分析基础上、原位的测试以及要结合地质背景等进行综合分析以后,并提出科学的合理参数。在通过对现场的观测数据分析后,并提出了对软土地基沉降的计算方法以及工后的沉降推算。鉴于对软土地基沉降时间的控制以及工后沉降推算的可靠性要求,在软土地基进行填筑完成以后必须要确保达到一定的放置调整期,从而达到可以
15、有效的控制工后沉降的要求;3)由于应用不同的地基处理方法以及在不同结构物之间的剩余纵向差异的沉降会较明显,所以,对于地基的处理方法以及不同结构物的类型可以直接影响剩余纵向差异沉降的重要原因。因此,进行设计时在同一工点需避免应用不同的处理方式,如果不能避免需要考虑在不同的处理方式以及不同的结构物之间进行设立过渡段,并且确保必要的放置时间,从而降低在不同工程类型间的沉降差异,如果在放置后出现存在较大差异的沉降地段,就必须要根据实测沉降资料来应用预压等处理方法。在根据计算路基的沉降值和实测值时所出现的差异,可以开展以信息化进行管理和施工,以及通过进行信息化管理的实施办法,在一定程度上是可以有效的控制
16、工后沉降的重要方法;4)在软土地基经过搅拌桩的加固以后,对于地基土的特性会在很大程度方面有所改善,主要表现在通过施加荷载以后,其沉降量会较小并在很短的时间内完成,一般是应用预压的方式等以降低因后期荷载所引起的沉降问题,满足了轨道铺设的需要。另一方面,在应用排水固结法进行加固地基时,在加固后仍是松软土地基,进行后期的荷载施加以后仍然是排水固结的特性,则沉降会较慢,所以就很难达到轨道的要求。对此,是否可以通过长期的超载来降低后期荷载所产生的沉降问题,需进一步进行研究。4.经过长期工程实践已形成了多种形式的软土地基处理方法,如下:4.1 换填垫层法此法处理的经济实用高度为 2 3m,如果软弱土层厚度
17、过大,则采用换填法会增加弃方与取土方量而增大工程成本。通过换填具有较高抗剪强度的地基土,从而达到增强地基承载力的目的,满足轨道结构对地基的要求。主要加固方法有换填、抛石挤淤、垫层、强夯挤淤几种。垫层法根据材料的不同可分为砂(砾石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层。代表方法有砂垫层法及换填法。4.2 深层密实法适用于软土厚度 3m 的中厚软土的加固,分布面积广的软基加固处理,其加固深度可达到30m。通过振动、挤压使地基中土体密实、固结,并利用加入的具有高抗剪强度的桩体材料置换部分软弱土体中的三相(气相、液相与固相)部分,形成复合地基,达到提高抗剪强度的目的。主要加固方法
18、:强夯法、土(或灰土、粉煤灰加石灰)桩法、砂桩法、爆破法、碎石桩法(振冲置换法)、石灰桩法、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩法)、粉喷桩法、旋喷桩法。代表方法有碎石桩法、强夯法、水泥粉煤灰碎石桩法、粉喷桩法。4.3 置换法由于深层密实法中的几种方法都有加入高抗剪强度的材料,置换软土中部分成分的加固机理,与原有的土体共同组成复合地基,达到加固地基的目的,因此深层密实法有时也称为置换法。4.4 排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质粘土及冲填等饱和粘性土地基。软土地基在附加荷载的作用下,逐渐排出孔隙水,使孔隙比减小,产生固结变形。在这个过程中,随着土体超静孔隙水压力的逐渐扩散,土的有效应力增加,并使沉降提
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