0 引言

　　在土木工程建设中，当天然地基不能满足建(构)筑物对地基的要求时，需要对天然地基进行地基处理，形成人工地基，以满足承载力和工后沉降等要求。软土路基是铁路工程在高铁施工过程中常见的一种路基种类，也是影响路基工程质量的重要隐患。近年来，随着我国铁路建设的快速发展，确保铁路路基工程安全耐用和减少工后沉降，尤其控制沉降的不均匀性是高铁工程建设者最为根本的任务之一。

　　地基处理技术:对地基中的软弱土或不良土进行置换、改良、加筋、桩基加固、排水固结等方法形成人工地基，可将地基处理形成的人工地基分为3类。

　　1)通过土质改良或置换，全面改善地基土的物理力学性质，提高地基土抗剪强度，增大土体压缩模量或减小土的渗透性。

　　2)通过在地基中设置增强体，增强体与原地基土形成复合地基，以提高地基承载力，减小地基沉降。

　　3)通过在地基上设置桩，荷载由桩体承担。特别是端承桩，通过桩将荷载直接传递给地基中承载力大、模量高的土层。

　　复合地基设计既要满足上部结构荷载条件及基础结构合理设计的地基强度和地基变形要求，又要使选择的增强体和基础方案综合性价比最高。而复合地基的本质作用就是在天然地基土设置的增强体与基体土共同承担上部结构荷载作用，其加固处理效果也是基础设计的重要依据，在高铁运营上工后沉降控制更为迫切。现阶段处理软土路基的主要方式是对路基进行加固，如预应力管桩、旋喷桩、水泥搅拌桩等，其在处理铁路工程软土路基的过程中有着非常高的效率和应用率，但也存在一些问题，本文结合昆玉铁路项目软基处理，从工效与工后沉降监测方面进行探讨。

　　1 工程概况

　　1.1 项目概况

　　昆玉铁路扩能改造工程自昆明枢纽东南环线渠东站接轨，向南经昆明市晋宁县、玉溪市红塔区至玉溪南站与玉蒙铁路接轨，线路全长49.3km，为I级双线电气化铁路，设计时速200km，新建车站2座，于2016年12月全线通车。本工程路基软基处理段位于昆明市晋宁县昆阳镇，全长约5km，软基深度在10m以上，深度较大，且土质为粉质砂土夹淤泥质软土，地质情况较为复杂。

　　1.2 工程与水文地质条件

　　1)地层岩性段内上覆第四系全新统人工填筑土，冲湖积松软土、粉质黏土、淤泥质黏土、细砂、砾砂、细圆砾土，坡残积黏土、细角砾土;上第三系茨营组粉质黏土、淤泥质黏土;下伏基岩为前震旦系黑山头组板岩夹砂岩。段内冲湖积松软土层，褐黄色，褐灰色、软塑，土质不均，局部为淤泥质黏土或黏性土。广泛分于测区槽谷上部，厚2～16m，局部厚达18m。

　　2)段内地表水属地下水为孔隙潜水及基岩裂隙水。第四系洪湖积黏性土中孔隙潜水，水量甚微，砂砾石层内孔隙潜水丰富;基岩裂隙水埋藏深;均受大气降水补给。水位埋深较浅，平缓地段一般1～3m。

　　1.3 设计情况

　　原设计对于本段软基采用水泥单轴搅拌桩加固技术进行处理，但在施工过程中，发现施工进尺过快，搅拌桩机施工至设计深度时钻机电流达不到持力层指标值，设计地质情况与现场实际有较大出入。经对该段路基基底进行补勘钻探，该段范围内右侧路基基底软土厚度和埋藏深度均增大，且大范围存在斜坡软土，软土层底由左侧倾斜向右侧。经现场研究，决定对本工程路基不同地质特点采用不同的人工地基处理技术并进行相应研究。

　　1)预应力管桩D2K3+035.87—D2K3+430段长394.13m，该段地层地下水情况复杂，地下水位高，淤泥呈流塑状，且软土地基基底按平面图所示范围采用预应力管桩加固，桩间距2.5m，采用正方形布置，预应力管桩使用PHC-A500(100)型，桩外径500mm，壁厚100mm，加固深度打穿松软土、淤泥质土、泥炭质土层，加固区范围内双侧边缘10m范围桩顶间采用钢筋混凝土地梁纵横向连接，形成桩筏结构。桩帽及地梁顶铺设0.6m厚碎石夹2层土工格栅作为渗水层。

　　2)高压旋喷桩DK4+770—DK5+340段长570m,DK5+340—DK5+597.126,DK5+600—DK5+630段长287.13m，路基基底采用高压旋喷桩加固。旋喷桩桩直径500mm，正三角形布置，桩间距1.2～1.3m，桩长13.8～31.8m，桩顶铺设0.6m厚碎石垫层夹2层双向土工格栅。

　　3)水泥搅拌桩施工DK5+824—DK6+250段填方路基长426m，填方基底分布软土，为软土路基工点，采用水泥搅拌桩对基底进行加固，水泥搅拌桩按正三角形布置，桩间距1.1m，桩长3.5～9.3m，个别基底软基有斜坡地段，设置侧向约束桩进行加固。

　　2 预应力管桩加固技术

　　2.1 加固原理及应用范围

　　预应力管桩加固技术是通过将预先施加预应的管桩锤打或静压至地层中，以实现对地基加固、提高基底承载力的目的。预应力管桩适用于各种黏性土、粉土，当需要穿透较厚砂性土中间夹层或含砾、卵石较多的硬夹层时，采用锤击管桩效果更佳，但因噪声大，在城市建设中应限制使用，在本工程中采用静力压桩机进行施工，如图1所示。

　　

　　图1 预应力管桩加固区平面布置  

　　 

　　2.2 施工工艺流程

　　施工工艺流程:DXA测量定位→桩材验收→桩机就位→压桩(接桩)→送桩→检测。

　　2.3 存在问题及探讨

　　1)由于该地层中存在着大块漂石以及砂层，在群桩效应下的挤密问题造成桩长不等，使桩与土体的摩擦力有所区别。

　　2)由于地下水虹吸现象，加上地形变化和桩长不等的问题，造成桩间土层不均匀沉降。

　　3)建议在路基本体范围内而不仅仅是边坡范围内，采用下层透水层并在透水层上面设置筏板结构，解决由于排水和桩间土等物理特性不同而带来的不均匀沉降问题，实现高铁轨道的平顺性。

　　3 高压旋喷桩加固技术

　　3.1 加固原理及适用范围

　　高压旋喷桩又称喷射注浆法，是通过高速喷射流切割土体并使水泥与土搅拌混合，形成水泥土体加固的工法。其施工占地少、振动小、噪声较低，适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。本段软基加固典型断面及平面如图2,3所示。

　　

　　图2 旋喷桩加固区典型断面  

　　 

　　

　　图3 旋喷桩加固区平面布置 

　　 

　　3.2 施工工艺流程

　　施工工艺流程:测量放线→确定孔位→钻机造孔→测量孔深→下喷射管→搅拌制浆→供水供气→喷射注浆→冒浆→旋摆提升→成桩→充填回灌→清洗结束。

　　3.3 存在问题及探讨

　　1)在不均质地层成桩直径不均匀，地下水环境具有侵蚀性时桩体易劣化，造成路基沉降，对后期运营有一定影响。

　　2)施工时窜浆现象多，易污染周边环境，施工时对周边土体扰动大。

　　3)桩体与周边土体融合性不强，易发生毛细水现象。

　　4 水泥深层搅拌桩加固技术

　　4.1 加固原理及应用范围

　　水泥搅拌桩按主要施工工法分为单轴、双轴和三轴搅拌桩。本工程对于基底有斜坡地段的软基采用三轴搅拌桩进行加固处理。三轴搅拌桩是长螺旋桩的一种，桩机同时有3个螺旋钻孔，施工时3条螺旋钻孔同时向下施工，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结从而提高地基强度，可在桩体内插入H型钢等提高刚度与抗剪性。

　　本段软基采用三轴搅拌桩进行加固，平面布置如图4所示。

　　

　　图4 水泥搅拌桩加固区平面布置  

　　 

　　4.2 施工工艺流程

　　施工工艺流程:场地平整→桩位布置→桩机就位→备制水泥浆→预搅下沉→提升喷浆搅拌→重复上、下搅拌→提钻转移。成桩工艺如图5所示。

　　

　　图5 三轴搅拌机成桩工艺剖面  

　　 

　　4.3 三轴搅拌桩的特点

　　1)在采用三轴搅拌桩机施工时，由于中轴高压喷出的气体在土中逆向翻转，可以使原来已拌合的土体更加均匀，成桩直径更加有效，加固效果更优。

　　2)由于桩机同时有3个螺旋钻孔，其搅拌机械施工效率高，相对单轴搅拌机械工期大大缩短。

　　3)在适用范围方面，三轴水泥深层搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土、泥炭土、有机质土等地基，其范围远高于单轴搅拌桩。

　　4)用水泥土加固地基，加固部分本身对下部未加固部分不致产生过大的附加荷载，因此也不会因加固本身引起的荷载增加而产生较大的附加沉降。

　　5)充分利用原土体，污染少，在加固过程中对周边土体扰动小，不会造成软土侧向挤出。

　　6)由于国产设备处置能力有限，处理深度一般不超过20m，但随着我国机械设备水平的发展，国内设备在深圳、广州等地已经取得了加固深度60m的成绩。

　　7)结合工程地下水以及软基环境特点，研究通过掺加固化剂等方式，提高搅拌桩的耐久性。

　　8)相对于其他加固方式，该方法具有节约资金、加固费用低的特点。

　　5 沉降计算和信息化施工

　　5.1 沉降监测目的

　　高铁对于路基的工后沉降要求非常严格，本工程设计要求工后沉降≤15cm。鉴于此沉降标准要求，分别实测了3种软土地基处理技术的沉降值，并对沉降推算、信息化施工等方面进行了研究。结合处理过程中和处理完成后的沉降、位移及固结过程，反馈指导调整处理参数。

　　5.2 观测仪器选择

　　观测仪器选择应从满足精度、测值稳定及结构牢固等方面来进行。常用的观测仪器如表1所示。

　　  

　　表1 软土路基信息化监测常用仪器  

　　 

　　 

　　

　　5.3 观测项目及测点布置

　　选取3种不同地基处理方法有代表性的地段，共设置了15个观测断面，其中包括主观测断面9个，辅助断面6个，主要测试项目有地表沉降、土层沉降、全断面沉降、地面位移等，观测点共计1 325个。

　　5.4 实测沉降对比分析

　　从设置的观测点监测结果来看，对于3种不同的地基处理技术，其理论沉降值与实际沉降值存在一定差异，但水泥搅拌桩技术处理后的沉降差异相对最小，两者的比值在0.72～1.22，因此在软土路基施工期间开展沉降观测，并根据观测的资料对软基实施动态控制。

　　5.5 沉降精度推算

　　本次沉降推算方法采用国内外广泛使用的双曲线法，根据选取的断面荷载稳定3个月后的沉降资料，采用双曲线法进行推算，并与实测值进行对比，结果如表2所示。

　　  

　　表2 软土路基推算沉降与理论沉降对比 

　　 

　　 

　　

　　由表2可知，沉降推算值与实测值比较结果，其中有13个断面实测大于推算，差值在-2.2～2.9mm，相对误差在-1.5%～1.9%。3种处理方式中，水泥搅拌桩沉降最小，且推算差值最小，这说明水泥搅拌桩地基承载力较好，且沉降变化规律性较好。从运营后工务部门反馈情况来讲，三轴水泥搅拌桩段轨道运营最为稳定。

　　5.6 应用结果

　　根据现场观测资料，对不同桩长剩余沉降量进行了推算、验证，在本段搅拌桩处理的路基地段采取了以保证剩余沉降量为10cm为前提，合理调整桩长，实现经济效益与工期节约。

　　6 复合地基承载力计算及分析

　　6.1 复合地基与基础设计流程

　　复合地基有两个基本特点:一是加固区是由基体和增强体两部分组成，是非均质和各向异性的;二是在荷载的作用下，基体和增强体共同承担荷载作用。前一种作用使其区别于均质地基(包括天然和人工均质地基)，后一种特征使其区别于桩基。基体和增强体形成的复合地基有一定的条件，在荷载作用下，通过变形协调来共同分担荷载。一般采用如下流程进行计算，如图6所示。

　　6.2 复合地基承载力计算

　　对于复合地基承载力一般采用如下两种公式进行计算:

　　

　　 

　　式中:p_sf为天然地基极限承载力;k₁,k₂为桩体和桩间土的修正系数;λ₁，λ₂为桩体和桩间土的极限修正系数;m为置换率;P_pf为天然地基承载力;f为桩周身摩擦阻力;s_a为桩身周边长度;A_p为桩身横断面积;R为桩端土极限承载力。

　　

　　图6 复合地基与基础设计流程 

　　 

　　另外还需考虑桩体本身的极限抗压强度，相对取其小值。

　　6.3 需考虑的相关问题及分析

　　1)地下水因素预应力管桩及高压旋喷桩由于与地层结合性较差，容易形成地下水虹吸效应通道，地下水水位反复变化易引起路基本体沉降。

　　2)桩底不均匀问题预应力管桩由于为压入桩，无法对桩底进行处置，施工质量以贯入度进行控制，没有考虑时间效应地下水对桩底的劣化以及桩长和桩底本身承载力不均匀的问题;高压旋喷桩由于高压空气的反向应力以及气膜效应，桩底质量难以控制，所以不均匀沉降值较大。

　　3)桩体本身劣化问题主要为旋喷桩和搅拌桩，尤其是旋喷桩水泥本身为活性材料，加上地下水环境的变化造成桩体劣化速度较快;而搅拌桩本身水泥用量少而且与原桩土充分搅拌，化学性质相对稳定。

　　7 结语

　　1)人工地基处理技术能较好地应用于高铁斜坡软弱地质段的路基加固，特别是水泥深层搅拌桩技术。为了实现更高质量的路基软基处理，必须保证软基处理技术选用的针对性。

　　2)三轴搅拌桩机相对于单轴搅拌桩机而言，可以使原来已拌合的土体更加均匀，成桩直径更加有效，加固效果更优。适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土、泥炭土、有机质土等地基，其范围远高于单轴搅拌桩。

　　3)在铁路软基处理技术中，相对于预应力管桩与旋喷桩，水泥搅拌桩处理后的路基工后沉降最小，且沉降变化规律性较好，建议可在各类软弱地基处理中广泛应用。

　　4)高速铁路由于轨道平顺性的要求和高速度而加剧的虹吸效应等问题带来的复合地基不均匀沉降问题应值得进一步研究。

　　5)继续加强多头搅拌桩、搅拌桩加筋等的应用研究。