铁路地基处理技术

铁路地基处理技术

目前在马来西亚半岛挠万和美罗之间正在建造长达110公里列车时速高达160的高速铁路项目。在地面的改进方法中，工程中采用了碎石桩置换振动，干土深层搅拌法（水泥柱），单桩帽的土工格栅加筋式路堤以及单桩帽的拆卸/更换工作。本文提供了一个详细的阐述对振冲置换法的设计和实施以及深层土壤混合处理方法在工程中的使用采用承载板试验利用现场仪器操作监测石柱的性能和讨论土搅拌地基处理的方法。本文还简要概述了其他的一些处理方法在这一高速铁路项目如单桩土工格栅路堤以及拆卸/更换工作。

1. 简介。

电气化高速铁路项目运行在马来西亚半岛雪兰莪州的挠万与霹雳州的美罗之间总长度超过110公里。图1显示项目站点在马来西亚半岛的位置。该项目的岩土工程设计包括用现有的基础为时速高达160的交通荷载做地基处理。客户的设计要求是在六个月内最大的工后沉降在25毫米内，在长达10米的弦允许10毫米的沉降差异。另外，固结度应达到不低于85–90%的程度。所需的边坡长期稳定的最小安全系数为1.5。由于严格的结算限制和项目的快速轨道的性质，一系列的地面技术的改进必须与软土或松砂所适应的高填方路堤的位置进行确定。因此，必须确保地基在沉降及边坡稳定性具有足够的性能以及所需的工期内完成该项目。

本文提供了一个详细的介绍对振捣替代石柱和干土深层搅拌法处理方法在工程中应用。振捣置换振冲碎石桩是一种地基处理方法，大型桩所回填粗粒材料由特定深度的振动器装置安装在土壤中。干燥的土壤深层搅拌技术是一个石灰–水泥柱法的发展。本文还简要地讨论了桩承式路堤土工格栅以及它的拆卸和更换，这也是本项目采用的处理方法。

该项目的铁路路堤高度范围从1到12米不等，路基顶部最小宽度为14.9米，高度小于10米，宽度为24.9米的路堤高度大于10米。该路堤的边坡坡度为1 ：2。路堤的两边设有宽3米高度大于5米的马道。项目中遇到的土壤是达30米的深处的软质淤泥和粘土以及松砂的高度可变的混合物。两种方法由于结构约束所需的处理过程：（a）新路线需要修两个新轨道其要求对路基全宽的治理；（b）对现在存在由后来改造成的轨道及新修建的轨道进行治理。第一阶段治疗只是为新的轨道下的路基宽度。第二阶段的治疗包括一旦列车运营已经转移到新的轨道时对改造轨道进行处理。

2. 石柱振捣置换法

石柱振捣置换法是将大型粗粒回填材料列由特定深度的振动器装置安装在土壤中

的一种地基处理方法。石柱和中间的土壤形成一个集成的基础支持系统具有降低压缩性和提高承载力的功效。石柱振捣置换法允许对土壤的治理范围很广，从软粘土到松散砂，治理低压缩性和抗剪强度高强化元素。除了提高强度和变形特性，石柱加大了原位土壤的密度，迅速排除产生的超孔隙水压力，加快整合，减少工后沉降。常石柱完全穿透软弱层导致碎石桩和自然土壤结合发展大大提高承载力和降低压缩性的特征。该方法是一个理想的解决方案，用于堤防它排除了“硬点“的影响。干式或湿式安装方法根据接近现有的铁路轨道和水源可以利用。振动器的大小大约是40厘米，埋在地下的振动器带来的喷射水的渗透力对地面造成直径50-60厘米的洞。振子之间产生一个环形空间，把石头填充在该孔中压实。振动器的上下运动使地上的石头横向移动，在同一时间紧凑的石柱。这将打磨出所需的柱体直径。图2显示了一个石柱安装过程示意图的。

2.1. 碎石桩的设计方法

以下设计是在理想条件下的假定：柱是基于刚性材料；柱是不能被压缩的；设计考虑了柱的群体效应和周围的土壤对柱的支持；鉴于周围土体的弹性反应，柱材料从一开始受到剪切。

2.1.1. 结算。使用普利布法计算路堤在荷载下的沉降。这种改进方法兼顾各种改进因子的改进，覆盖和协调控制。这个过程是各种土壤层的重复。读者可以参考Priebe，Arulrajah，Affendi，Bo和Choa（人名）对碎石桩的沉降设计细节方面的一些理论及方法。

2.1.2. 沉降率。沉降率可采用太沙基公式计算。固结度90%因子可从巴兰和布克图得到，图中所示，这也适用于刚性物质。这些计算的相关方程如下，其中t是时间；Tℎ是水平排水固结时间；d e是相当于土壤的圆柱体的直径；Cℎ是为水平流固结系数。

2.1.

3. 提高地基强度特性。碎石桩直至任何荷载已转移到邻近的土壤才发生变形。石柱受到的部分增加的荷载，m′，取决于面积比，A col/A，并最终提高了N2。下面描述的过程都必须为每个柱上的不同的土壤层重复计算比例荷载m′。复合体的结合取决于土壤的面积比例，可以计算如下，C′复合体系的结合度与C u土的不排水抗剪强度。

复合体系的摩擦产生的剪切阻力可以确定如下，ϕ‘是复合体系的摩擦角；ϕc是柱的摩擦角；ϕs是土壤层的摩擦角。

2.1.4. 稳定性。改良土粘聚力和内摩擦角值–列矩阵从最终改善因子计算，N2，这些值输入到边坡稳定性分析程序中获得地面安全系数。

2.1.5. 细节设计。基于石柱地区的分析，采用下面的设计参数和设计间距从挠万到美罗的线路中遇到的软土条件，碎石桩间距一般在1.8–2.3米路堤高度5–12米的范围内。

预计总沉降在0.3–0.5米边坡稳定性均大于1.5的安全因素。主要是砂质粉砂固结达到90%要求所需的时间不到两个月。根据设计间距，石柱的处理面积比从应在13%到20%的范围内。

2.2. 石柱的安装

Arulrajah等人描述了土壤条件和土壤参数在工程现场与碎石桩的设计的关系。现场调查结果显示，沿轨道的土壤中广泛存在着很软的淤泥质粉质粘土、粘土质粉砂粉质砂土。图4显示了一个典型的圆锥贯入试验（CPT）在这样的一个石柱处理位置的图纸。

碎石桩进行处理约14公里长的铁路线的土壤。直线0.8–1米直径的石柱被安装在大约1 100 000米的项目现场的6–30米深处。

图5显示了在新对准的位置进行碎石桩处理的示意图。图6显示了在现有的铁路轨道项目旁边实施碎石桩处理的示意图。

2.3. 碎石桩载荷试验

石柱安装完成后，平板载荷试验是在单柱进行，以四列一组验收。荷载施加在碎石桩和碎石桩周围的土壤。对于第一个周期，持续施加24小时设计允许荷载。在第二个周期，施加设计荷载150%的最大负荷。该负载测试验收的要求是，设计允许荷载下沉降量不应超过50毫米，设计允许负荷150%下不超过80毫米。用于单桩的荷载测试板的大小为1.5米乘1.5米，四列一组的为3米乘3米的。图7给出了原理图显示一单住试验载荷试验装置。如图8所示为一个典型的单柱荷载试验在工程中的应用。

2.4. 碎石桩的现场仪表操作

在石柱安装后广泛的现场仪表应用到碎石桩处理领域。大多数的现场仪表组成还包括表面沉降板及沉降物。在现场的地表沉降计表明发生每个额外升力带来的沉降和最小的工后沉降。图9显示了安装在项目现场沉降板的典型结果。图10显示了一个典型的沉降板阿育王情节，这表明在加固后地基的地基固结度达到了94%。图10显示了一个典型的沉降板阿育王情节，这表明在加固后地基的地基固结度达到了94%。石柱的长期性能在实测结果的基础上由阿育王法反面分析得出的。沉降物也用来监视器铁路轨道放置后石柱的长期性能。长期监测结果表明，碎石桩使土壤中的水分增加也导致周围的混合土软土的改进。霍尔姆提供这个技术的进一步的细节。

通过DSM进行地基处理其允许对土壤的治理范围很广，从软粘土到松散砂形成低压缩性和高抗剪强度的加强材料。该技术主要用于减少沉降和增加剪切强度以及复合土体的承载能力。它也可以用于要求减小震动的情况。例如，通过DSM技术可以减少高速列车引起的振动以实现铁路系统的动态性能。例如，高速列车引起的振动可以减少通