西南某铁路大面积深厚杂填土区路堑强夯地基处理与边坡设计

李 瑞, 李永奎, 徐 宇

(中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司, 四川成都 610081)

0 引言

近年来,随着城市化建设的持续发展,在西南山区,为了新区建设常提前进行移挖作填平整场地,由于缺乏对填料和压实度的合理控制,场坪范围经杂乱无章的回填,形成了杂填土地基。由于杂填土地基物质组成成分复杂、回填时间不一、颗粒大小不均并具有较强的湿陷性,使其力学性质具有较大的离散性和无规律性,给岩土工程设计和施工带来了难题[1-2],因此,对于杂填土地基需单独研究。

目前,国内学者对杂填土地基处理方式的研究文献较多,周军红等[3]研究发现,低能级满夯、夯实扩底灌注桩以及钻孔夯扩挤密桩形成的组合型地基处理方式,可应用于坐落在深厚杂填土上高层建筑的地基处理;张峰等[4]研究发现通过冲击成孔后插入钢筋笼,在管内泵压混凝土的成桩施工工艺,可解决杂填土地基复合地基施工困难的问题;谢剑峰等[5]以某开发小区回填面积约11万m2的大坑为例,通过分区分层进行普通能级强夯的地基处理方式,利用杂填土成功填筑了深度约30 m大坑;刘波等[6]以位于北京西郊砂石坑内的五环主路及部分立交匝道工程为例,成功采用了强夯、夯扩桩(渣土等建筑材料)和挤密桩(砂石和碎卵石等)方案对回填厚度 20～30 m杂填土地基进行了加固处理;李浩等[7]以咸阳市上林路K2+420～K2+560段杂填土地基处理为研究对象,采用强夯进行地基加固,强夯后杂填土承载力由80 kPa提升至214.67 kPa,满足工程对承载力的要求。

综上所述,杂填土是工程上常接触的一种特殊土,但不同状态、不同地区的杂填土其力学特性差异较大,对于具体工程需单独分析,同时,目前对杂填土的研究主要集中在建筑地基处理,对于铁路地基处理尤其是铁路边坡处理形式报道较少。本文以西南某铁路为例,简单剖析对于大范围深厚杂填土的铁路地基和铁路边坡处理方式,其研究成果有利于为类似工程提供设计参考。

1 工程实例

1.1 工程简介

工程位于四川境内,因场地被大规模杂填土回填,导致新建某Ⅱ级铁路需以深路堑的形式穿过约1.5 km长的杂填土范围,杂填土厚度20～30 m,其中部分段落杂填土范围的块石粒径可达0.5～1.0 m,粗颗粒所占比例高达50%～70%,如图1所示。本段地震动峰值加速度为0.10g,地震动反应谱特征周期为0.40 s,境内省道、乡道广泛分布,交通方便。

图1 杂填土现状

1.2 工程地质情况

本工程地质从上到下依次为:杂填土、粉质黏土、砂质泥岩。

(1)杂填土(Q4ml):代表断面中的地层代号是<2-3>,杂色,成分以泥岩、砂岩碎石为主,碎石、块石粒径2～100 cm不等,约占50%～85%,黏性土填充,局部含卵石、建渣;局部以黏性土回填为主,松散、稍湿,级配不良,均匀性差,欠固结土,新近填土,回填时间约1年,承载力特征值70 kPa。

(2)粉质黏土(Q4al):代表断面中的地层代号是<4-2-1>,灰色,软塑-可塑状,含少量砂砾,角砾,切面稍粗糙,稍有光泽,干强度中等,韧性中等,承载力特征值150 kPa。

(3)砂质泥岩(J2s):红褐色、紫红色,主要由黏土矿物及少量细砂质团块或条带组成,局部细砂质含量较重,泥质结构,泥质胶结,巨厚层状结构,岩质较软,岩芯破碎,多呈碎块状,少量短柱状。

1.3 水文地质条件

测区地表水仅受大气降雨控制,以蒸发、下渗和径流等形式排泄,地表水基本不发育。测区地下水主要有第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水2种类型。孔隙水主要赋存于第四系崩坡积碎、块石土中,接受地表水及大气降水的下渗补给,水量小;基岩裂隙水主要赋存于下伏基岩裂隙中,接受大气降水和上部孔隙水的下渗补给,水量贫乏。

2 地基处理

2.1 地基处理形式介绍

对于厚度较大的地基处理,常用的形式分为散体材料桩、柔性桩和刚性桩。柔性桩代表的有水泥土搅拌桩、旋喷桩;刚性桩代表的有水泥粉煤灰碎石桩;散体材料桩代表的有柱锤冲扩桩。

对于杂填土,由于填料物质不一,其颗粒尺寸相差较为悬殊,颗粒之间的孔隙大小不一,常用的地基处理形式都不适用于杂填土。

根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》,水泥土搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土(软塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉细砂(松散、中密)、中粗砂(松散、稍密)、饱和黄土等土层,但不适用于含大孤石或障碍物较多且不宜清除的杂填土、欠固结的淤泥和淤泥质土、硬塑及坚硬的黏性土、密实的砂类土,以及地下水渗流影响成桩质量的土层。

高压旋喷桩适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土(流塑、软塑和可塑)、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基,但不适用于土中含有较多的大直径块石、大量植物根茎和高质量的有机质,以及地下水流速较大的工程,应根据现场试验结果确定其适用性。

水泥粉煤灰碎石桩适用于处理黏性土、粉土、砂土和自重固结已完成的素填土地基。

柱锤冲扩桩复合地基适用于处理地下水以上的杂填土、粉土、黏性土、素填土和黄土等地基,对地下水以下饱和土层处理,应通过现场试验确定其适用性,但柱锤冲扩桩处理地基的深度不宜超过10 m。

因此,需根据项目周边情况合理选取适用于杂填土的地基处理形式,选择经济性较好的强夯加固。

2.2 强夯

本工程范围杂填土适用于强夯地基处理,根据杂填土的深度情况,选取代表性断面进行工后沉降计算,根据工后沉降计算结果显示,当强夯影响深度超过8 m时,计算出的工后沉降是10～28 cm,本工程铁路等级是属于二级铁路,工后沉降要求是不超过30 cm,满足工后沉降要求,因此拟采用强夯处理。

2.2.1 选取夯锤和落距

单击夯击能等于锤重与落距相乘,根据工后沉降理论分析,当强夯影响深度超过8 m时,铁路通过强夯处理后的工后沉降可以满足规范要求,基于TB 10106-2023《铁路工程地基处理技术规程》,对于粗粒土影响深度超过8 m的强夯能级不小于4 000 kN·m,对于细颗粒土影响深度超过8 m的强夯能级不小于6 000 kN·m。由于杂填土性质不均匀,为了保证处理结果的可靠性,综合选取强夯的能级为6 000 kN·m。在单击夯击能相同的情况下,实践表明,增加锤重W比增加落距h更有效,但锤重越大,对起吊设备要求越高[8-9]。因此,选取锤重42 t圆形夯锤,落距14.3 m,直径2.5 m。

2.2.2 夯击遍数及次数确定

夯击次数是强夯设计中的一个重要参数。一般状态下,由粗颗粒为主的地基土夯击遍数少于由细颗粒为主的地基土,根据日本有关资料,对于粗颗粒(碎石、砂砾)为主的地基土,点夯2～3遍,细颗粒(粉土、黏性土)为主的地基土,点夯3～8遍,点夯完成后采用低能级满夯。由于本项目的杂填土孔隙较大,承载力特征值80 kPa,初步拟定点夯2遍,每孔点夯8次。

根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》要求,选取强夯试验区范围30 m×50 m。施工单位根据图纸对实验区进行了强夯试验,对第一个夯击点直接夯击8次,强夯完成后单点总沉降3 128 mm,表明杂填土空隙率很高,采用强夯这种处理方式效果显著,但第一个夯点最后2夯的沉降量是275 mm,不满足规范要求的最后2次夯击沉降不超过100 mm的要求,而且收敛效果欠佳。分析是因为本工程属于大范围人工杂填土,对于单独的一个强夯点来分析,由于缺少周围土的有效约束,导致沉降收敛困难。因此对强夯试验方案进行了调整,即:第一步是按照强夯布置情况,对每个夯击点进行点夯8次,不关注每个点最后2次夯击沉降量是否达到收敛要求,使试验区整个范围得到预加固,形成一个较大范围的加固体;第二步是按照强夯顺序,对每个点夯位置进行补夯,补夯点的夯击数根据最后2次点夯沉降小于100 mm控制。通过这种强夯方式,每个强夯点后续补夯3～5次后就达到最后2击沉降量小于100 mm要求,实现了较好的沉降收敛,经济性较好,提升了强夯的施工效率(图2)。

图2 强夯试验现场

2.2.3 强夯静载试验

强夯施工完成7天后选取强夯范围3个点进行静载试验,如图3所示。图4是3个静载试验点的p-s曲线图。根据检测数据可知,1号、2号和3号检测点的p-s曲线近似为直线,1号检测点荷载最大加载量是303 kPa,累计沉降13.26 mm,最大回弹沉降量1.74 mm,回弹率13.1%;2号检测点荷载最大加载量是303 kPa,累计沉降13.02 mm,最大回弹沉降量1.50 mm,回弹率11.5%;3号检测点荷载最大加载量是303 kPa,累计沉降13.36 mm,最大回弹沉降量2.00 mm,回弹率15.0%。强夯试验段3个点的压力-沉降曲线呈平缓的光滑曲线,其地基容许承载力按相关变形值确定,即本次试验的强夯试验段3个点取s/b(或s/d)等于0.015所对应的压力,经计算s/b(或s/d)等于0.015时相对沉降量为22.5 mm,地基最大沉降量未达到22.5 mm,所以取3个点的地基承载力取最大加载值的一半,即承载力为151 kPa,达到设计要求的150 kPa。

图3 静载试验

3 边坡处理

对于杂填土,根据TB10035-2018《铁路特殊路基设计规范》对于块石、碎石类填土边坡,路堑边坡坡率宜取1∶1.5～1∶2.0,并设置不小于3 m宽的平台,大面积填方边坡采用圆弧法进行稳定性分析时,边坡稳定性安全系数不小于1.25。对于杂填土路堑边坡,为了保证铁路后期的安全运营,常采用缓边坡+宽平台的处理方式。本工程的杂填土具有2个特点:①填土孔隙大,强度低;②填土厚度大,整个铁路边坡及铁路侧沟平台下约18 m范围均是杂填土。基于以上原因,从铁路边坡的安全性以及铁路堑顶场坪的安全考虑,需对边坡进行稳定性分析。拟采用的处理措施是对边坡进行一定范围的翻挖,并对翻挖范围的基底采用强夯加固,其后是通过分层碾压并铺设土工格栅进行回填,形成稳固体对边坡进行反压,提升整个边坡的稳定性。根据理论计算,翻挖回填15 m可达到设计要求,选取代表断面,进行边坡稳定性分析,如图5所示。

图5 翻挖回填15m代表断面

采用铁二院自编的稳定性分析软件进行稳定性分析,自动搜索出最危险滑面是安全系数为0.91,根据滑面入口和出口位置的差异,除去最危险滑面后,还分别选取安全系数为0.95和安全系数为1.0的滑面(其中安全系数为1.0的滑面根据出口位置不同共选择了2条)进行稳定性分析。根据潜在滑面经过区域与翻挖回填平台的相对距离发现,潜在滑面经过区域均在翻挖回填平台下方5.0 m范围内。对基底采用6 000 kN·m能级强夯后,根据强夯静载试验数据可知,强夯后杂填土承载力可达到150 kPa。因此对强夯影响深度范围内的杂填土力学指标进行提高后,分析计算4条滑面在不同工况下的安全系数,计算结果如表1所示。一般工况下均满足安全系数不小于1.25的要求,地震工况下均满足安全系数不小于1.15的要求,暴雨工况下均满足安全系数不小于1.15的要求。

表1 代表断面稳定性分析结果

根据相关规范要求,填土边坡一般工况下安全系数不小于1.25,地震工况和暴雨工况下的安全系数不小于1.15,因此,通过翻挖回填+地基强夯的组合处理方式,能够满足规范对边坡稳定性的要求,设计图纸如图6所示。这一结果表明强夯不仅可以用于地基加固,也可通过提升强夯影响范围岩土层的力学参数,实现治理边坡稳定性问题。

4 结束语

(1)对于深厚杂填土地基,强夯时通过先对强夯面进行一定次数的点夯,形成一个整体受力区域,然后再对单个夯点进行补夯,直至达到最后两夯沉降小于100 mm的要求;通过这种施工组织,有利于更好、更快地实现沉降收敛,具有较好的经济性;同时,采用强夯可以将杂填土承载力由80 kPa,提升至150 kPa以上。

(2)对于杂填土深厚路堑边坡防护,通过对边坡进行一定范围翻挖回填,并对翻挖回填的地基范围进行强夯加固的组合处理方式,可以较经济的实现对杂填土路堑边坡的治理;同时,强夯不仅可以用于地基加固,也可通过提升强夯影响范围岩土层的力学参数,实现治理边坡稳定性问题。