浅谈铁路路基下沉病害及软土路基加固

浅谈铁路路基下沉病害及软土路基加固摘要：铁路路基基床是轨道结构的基础承受列车和轨道荷载，固此必须具有足够的强度和稳定性，基床出现病害，将影响线路质量，严重的将危及行车安全，为此，铁路部门每年都投入了大量资金整治基床病害。CFG桩是近年来新开发的一种地基处理技术，本文通过铁路软土地基试验段CFG桩的施工，阐述采用振动沉管成桩机成桩的CFG桩施工工艺、质量控制要点以及桩身质量检测技术。关键词：铁路路基;下沉病害;加固；CFG桩1、铁路路基下沉的原因1.1路基基床土质不良。产生路基基床病害的地段路基土多数为两岩风化后形成的粘土粪土甚至膨胀土。1.2排水不畅。由于地表地下排水没施不足，道床污染严重，持剐近几年来工务部门为了增加路基宽度便于养护维修，在路肩两侧作了浆砌或干砌条石路肩，增大了路基基床压应力，堵塞了路基面的排水通道，使路基基床产生翻浆冒泥与道渣陷槽而酿成基床土的承载能力不足则发生下沉和从基床两侧隆起。1.3基底软弱。据调查，修建复线时，路堤基底和老路基边坡未作任何处理。原地表土质松软，强度不足，路堤稳定性差，承载力低。1.4水浸路基。上行线旁靠近路堤有一稻田灌溉用水渠，种植季节，部分地段的渠水漫流至上行线旁的取土坑内和低洼处，地表水排水不畅，路堤边坡及基底长期被水浸泡，使基床及地基软化，强度降低。在列车动荷载作用下，产生线路下沉，道碴上鼓、轨枕位移和翻浆冒泥等病害。1.5列车动荷载的影响。路基基床是轨道结构的基础，不但承受着线路上部建筑的静载而且承受着列车循环作用的动载，翻浆冒泥等浅层病害和下沉挤出变形等较深层的病害，均与路基基床动应力有关。当基面动载超过基床土体的承载能力时，随着列车荷载的作用，道床会不断地“切入”基床土体内，导致线路持续下沉。2、软土路基加固比如我所参建的荆州电厂铁路专用线某铁路路基试验段设计总长度90米（K0+000～K0+090），宽度30m。路基填高4.5m。以前的整治措施在线上应用，旋工周期长，刚性或半刚性封闭层，强度不易控制，因此效果欠佳，故而探索研究新的整治方法显得十分必要。根据试验现场填筑研究的目的、内容，试验工点的地形条件及工程地质条件，该工点K0+040～K0+090选择了CFG桩复合地基桩网结构地基处理方案。其中K0+040～K0+060设计为悬浮桩，桩长17.5m；K0+060～K0+090设计为穿透软土层桩，桩长27.0m。桩直径500mm，桩间距2.0m，呈正方形布置。桩顶铺设0.3m厚碎石垫层，最大粒径不超过3cm。垫层内铺设一层双向土工格栅，设计抗拉强度大于120kN/m。施工采用振动沉管成桩机成桩，28天无侧限抗压强度不小于5MPa。桩体材料采用碎石、石屑、粉煤灰、水泥、水配合而成，基本配比如表1：CFG桩桩体材料配合比（kg/m3）表1425号水泥粉煤灰碎石、石屑水1112131688189CFG桩施工工艺2.1工艺流程CFG桩施工工艺流程为平整场地，测量放线，桩机就位，振动沉管，成孔检查，（拌和CFG桩混合料）灌注混合料，振动拔管，移位施打下一根桩，按上述工序施打完全部CFG桩后打桩结束，成桩检查。2.2CFG桩施工2.2.1施工准备（1）平整施工场地，并进行碾压和晾晒。防止桩机进场和施工陷入泥泞中。（2）进行桩位放样，施放的桩位应明显、易找、不易被破坏，采用有一定直径和深度的白灰点中间钉竹钉来表示桩位。（3）确定施打顺序。采用预制钢筋混凝土桩尖时须埋入地表以下300mm左右。（4）根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度和沉管长度并进行设备组装。桩机就位须水平、稳固，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1%。（5）试成孔不应少于两个，以复核地质以及设备工艺是否适宜，核定选用的技术参数。2.2.2沉管图1CFG桩施打顺序543268917161011151471811213启动马达，开始沉管，沉管过程中要注意调整和保持桩机的稳定，严禁倾斜和错位。沉管应做好记录。每沉1m记录电流一次，并对土层变化处应特别说明，直到沉管至设计标高。2.2.3投料（1）在沉管至设计标高后，停机马上投料。也可在沉管过程中用料斗进行空中投料，待沉管至设计标高后须尽快投料，直到管内混合料顶面与钢管料口平齐。如上料不足，须在拔管过程中进行空中投料，以保证成桩桩顶标高满足设计要求。（2）混合料配比应严格执行规定，碎石和石屑含泥杂质不大于5%。按设计配比配制混合料，投入搅拌机加水拌和，加水量由混合料坍落度控制，一般坍落度为3-5cm，成桩后桩顶浮浆厚度一般不超过20cm。混合料的搅拌须均匀，搅拌时间不得少于1min。2.2.4拔管（1）当混合料加至沉管投料口平齐后，开动电动机，原地留振10s左右，然后边振边拔。（2）拔管速率按均匀线速控制，一般控制在1.2-1.5m/min左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速率可适当放慢。拔管过程中不允许反插。（3）当桩管拔出地面，确认成桩符合设计要求后用粒状材料（或湿粘土）封顶，然后移机继续下一根桩施工。2.2.5成桩检查在所有设计CFG桩按照前述工序施工完毕，一般28天后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测，检测包括低应变对桩身质量的检测和静载荷试验对承载力的检测。2．3质量控制要点2.3.1施打顺序2.3.1.1由于设计桩距为2米，根据试桩情况，每施工一根桩大约需35-40min，考虑在连续施打时混合料尚未初凝，采取连续施打。从后期成桩检查结果看，连打一般较少或者没有发生桩完全断开的情况。2.3.1.2设计为满堂布桩。为防止从四周转圈向内推进施工时，可能限制桩间土外的侧向变形而造成大面积土体隆起，甚至发生断桩。施工时采用从一边向另一边推进的方案（施打顺序见图1），施工时发现这样的施工顺序不仅便于移动机械，而且较好地避免了地面隆起现象。2.3.2混合料坍落度与桩体强度试桩结果表明，混合料坍落度过大，桩顶浮浆过多，桩体强度降低。坍落度控制在3～5cm时，和易性很好。拔管速度太快可能导致缩径断桩，拔管太慢或留振时间过长，都会使得桩的端部桩体水泥含量较少和桩顶浮浆较多，而且混合料也容易产生离析，造成桩身强度不均匀。桩机卷扬系统提升沉管线速度太快时，为控制平均速度，一般采用提升一段距离，停下留振一段时间，非留振时，拔管速率控制为1.2～1.5m/min时，一般桩顶浮浆可控制在10cm左右，成桩质量容易保证。2.3.3砼预制桩尖的采用在试桩时，采用活瓣桩尖，由于施工刚开始，土的振密、挤密效果较好，没有出现桩靴开口打开宽度不够的问题，随着已打桩的增多，土体密度会明显增加，逐渐出现了活瓣打开宽度不够的问题后主要表现为混合料下落不充分，因此，在发现问题后及时采用了钢筋混凝土预制桩尖，保证了混合料的灌注量，避免造成桩端与土接触不密实或桩端一段桩径较小等问题。施工中采用的桩尖示意图见图2。2.3.4保护桩长保护桩长是指成桩时预先设定加长的一段桩长，基础施工时将其凿掉。保护桩长是基于以下因素设置的：2.3.4.1成桩时桩顶不可能正好与设计标高一致，一般要高出设计标高一段桩长。2.3.4.2桩顶一段由于混合料自重压力较小或由于浮浆的影响，靠桩顶一段桩体强度较差。2.3.4.3已打桩尚未结硬时，施打新桩可能导致已打桩受振动挤压，混合料上涌使桩径缩小。如果已打桩混合料表面低于地表较多，则桩径被挤小的可能性更大，增加混合料的表面高度即增加了自重压力，可使抵抗周围土挤压的能力提高，特别是基础埋深很大时，空孔太长，桩径很难保证。2.3.4.4综上所述，保护桩长必须设置，设置的原则通过试验总结为：1φ63φ9吊钩1φ63φ68φ62φ631φ612（a）混凝土桩尖(b)活瓣桩尖图2桩尖示意图1—桩管；2—锁轴；3—活瓣211φ632φ68φ63φ6吊钩1φ63φ91φ6（1）设计桩顶标高离地表的距离不大时（不大于1.5m），保护桩长可取50cm～70cm，上部再用土封顶。（2）桩顶标高离地表距离较大时，可设置70～100cm的保护桩长，上部再用粒状材料封顶，直到接近地表。2.3.5施工监测2.3.5.1打桩过程中随时测量地面是否发生隆起，因为断桩常常和地表隆起相联系。2.3.5.2打新桩时对已打但尚未结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以估算桩径缩小量。2.3.5.3打新桩时对已打并结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以判断是否断桩。一般当桩顶位移超过10mm时，须开挖进行查验。2.4CFG桩施工检测CFG桩施工完毕，根据相关规范要求，28天后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测，检测包括低应变对桩身质量的检测和静载荷试验对承载力的检测，静载荷试验采用单桩和单桩复合地基，根据试验结果评价复合地基承载力。2.4.1检测方法2.4.1.1动力检测按动力荷载下桩土之间应变的性质与大小，CFG桩的动力检测采用低应变法（小应变法）。低应变法的类别很多，项目从检测原理、理论依据、测试仪器、使用经验等方面来看，选择了反射波法进行结构完整性、桩身质量普查和检测桩身的质量缺陷。根据规范，低应变检测数量一般取CFG桩总桩数的10%。本试验段应检测41根，实际检测44根。2.4.1.2静载检测（1）静载检测包括CFG桩基桩静载测试和CFG桩单桩复合地基静载测试。根据有关规范，静载荷试验数量取CFG桩总数的0.5%-1.0%，但不少于3点。项目检测3根，其中悬浮桩2根，穿透软土桩1根；单桩复合地基检测2点，悬浮桩和穿透软土桩各1点。（2）按照试桩预估最大荷载的1/10为加载级差，逐级等量加载，第一级取2倍加载量进行加载，每级荷载维持过程中保持数值稳定。荷载由一台2000KN的电动千斤顶施加于载荷板上，通过正交对称安置在载荷板上的4只机械百分表观测桩顶（复合地基）的沉降量。卸载分级取卸载量为加载量的2倍，进行逐级等量卸载。(3)试验采用慢速维持荷载法。每次加载后第一小时内第5、15、30、60分钟测读试桩沉降量，以后每隔半小时测读一次，当沉降速率达到相对稳定标准时，进行下一级加载；卸载时，每级荷载维持一小时，按第5、15、30、60分钟测读，卸载至零时，测读稳定的残余沉降量，一般为180分钟左右。(4)稳定标准取一小时的沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次，作为试桩稳定标准。(5)终止加载条件①单桩竖向静载荷试验,当出现下列情况之一时，即可终止加荷：a.在某级荷载作用下的沉降量大于前一级沉降量的5倍；b.在某级荷载作用下的沉降量大于前一级沉降量的2倍并经24小时尚未稳定；c.累计沉降量已经达到100mm。②复合地基静载荷试验,当出现下列情况之一时，即可终止加荷：a.沉降量急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显裂缝；b.总沉降量达到甲方的要求（累计沉降达到90mm时）；c.累计沉降量已大于载荷板宽度的10%；d.在某级荷载作用下荷载板的沉降量大于前一级的2倍，并经24小时尚未稳定。(6)对复合地基静载荷测试时采用1800mm×1800mm刚性荷载板水平、居中安放在CFG桩上，板下用约3cm厚中砂找平，安置高程与设计高程一致。2.4.2基桩检测2.4.2.1检测环境与条件选择试验点时应本着随机分布的原则进行。检测桩前要进行桩头处理，如果由于某种原因造成桩顶标高低于设计标高时，如果相差较多，应进行接桩。所有桩龄期应达到28天，桩身强度满足设计要求同时备足砂及砂袋。2.4.2.2小应变检测(1)检测设备：PIT-V基桩低应变试验检测仪、加速度传感器（型号：16370）、传感器电缆、激振设备等。(2)检测及其设备配置流程图见图3。图3设备配置流程图（室内）桩身地基力锤处理PIT-V检波器（现场）解释计算机打印机2.4.2.3桩的轴向静载检测(1)单桩复合地基的轴向静载检测布置图见图4(单桩检测只需将其中的钢板和砂垫层去掉)。(2)加载及沉降测读本工程单桩和复合地基均以其预估极限承载力为本次试验的最大加载量，加载等级分为10级，首级按2倍极差加荷图4静载检测布置图2.4.3基桩检测结果及其分析2.4.3.1小应变检测主要根据时域波形，比较入射波与反射波达到时刻及其振幅、相位、频率等特征，进行计算、判断。抽检的44根桩占施工414根CF