厦深铁路规划里程约550km, 设计时速250km。该路基工程设计要求为:有砟轨道路基工后沉降量≤150mm, 沉降速率<40mm/年, 桥台台尾过渡段路基工后沉降量≤80mm。经计算, 天然地基不能满足变形控制要求。为了减小土的压缩性, 减少地基变形, 控制地基工后沉降量, 需要对软弱地基进行加固处理。

布袋注浆桩法是一种新型软土地基处理加固方法, 在我国沿海软土地区的铁路工程中采用的实例尚不多, 目前虽得到一定应用, 但仍存在许多需要研究和探索的问题。

选择工程地基处理方案时, 进行布袋注浆桩法和高压旋喷桩法2种方案的现场施工研究, 通过对这2种地基处理方案的技术经济分析和对比, 以验证布袋注浆桩处理方案的可行性, 同时检验设计参数和处理效果。

布袋注浆桩法通过在土层中将固化材料浆液灌注到土工合成织物布袋中, 浆液固化后形成类似圆柱状增强体来加固软土地基, 是一种注浆技术结合土工织物材料特性应用发展起来的一种新型地基处理方法。

浆液的主要成分为水、水泥、粉煤灰, 为改善水泥和易性, 提高浆液的强度和耐久性, 掺入适量外加剂三乙醇胺。

待钻机成孔后, 将套有土工布袋的注浆管下放至设计桩底标高的孔内, 用注浆管向土工布袋内注浆, 固化后最终形成桩径300～400mm、轴心抗压强度设计值2.4MPa的圆柱状或葫芦串状增强体。在成桩过程中, 桩体与土层形成了桩土增强体复合地基, 从而提高地基承载力, 增强地基稳定性, 减小地基沉降变形。

土工合成布袋主要发挥以下3种作用。

土工合成材料具有良好的三围透水特性, 在土中可形成排水通道。一方面, 当土体中出现超孔隙水压力时, 排水通道能将土体中的水排出使土体固结, 有利于土体挤密;另一方面, 利用布袋渗水特性, 在布袋受到较大浆液压力时, 浆液中较稀部分会被挤出布袋, 从而降低布袋内的水灰比, 加速浆液固化, 提高成桩质量。

当布袋内浆液的压力大于布袋外被动土压力时, 布袋的隔离作用可控制浆液渗漏, 使得布袋膨胀压密土体, 避免材料浪费和环境污染;并且浆液在布袋内易形成较规则的注浆体。

由于土工布袋具有较高的抗拉强度和韧性, 即使浆液强度较低, 也能使布袋注浆桩起到加筋土体的作用, 在软弱地层中, 提高土的模量和抗剪强度, 增加土体稳定性。布袋注浆桩地基加固如图1所示。

布袋注浆桩作为竖向增强体半刚性桩, 使软弱土体的承载力和复合模量均得到有效提高。布袋注浆桩适用于处理深厚淤泥、淤泥质土等软弱土层, 也可用于均质黏性土、砂土等。

本铁路路基沉降监测试验段为7标段DK333+640—DK336+960断面。根据钻探揭示, 该段为冲积平原地貌, 沿线分布有软塑～流塑状淤泥土层。

布袋注浆桩处理段地层从上至下依次为:①中砂层, 厚13.4m;②细砂层, 厚1.7m;③淤泥层, 厚11.1m;④细砂层, 厚5m;⑤泥质砂岩, 未揭穿。

高压旋喷桩处理段地层从上至下依次为:①中砂层, 厚10.9m;②淤泥层, 厚12.3m;③细圆砾土层, 厚3.6m;④泥质砂岩层, 未揭穿。

为保证路基稳定性, 有效控制路基沉降, 必须对软弱土层进行地基处理。其中, 布袋注浆桩设计桩长15m, 桩径400mm, 桩间距1 200mm, 正三角形布桩, 桩体位于地面下13～28m软弱土层范围, 桩身无侧限单轴抗压强度为2.4MPa。高压旋喷桩设计桩长15m, 桩径800mm, 桩间距2 200mm, 正三角形布桩, 桩体位于地下8～23m软弱土层范围。

在布袋注浆桩加固区, 将漯河特大桥西侧过渡段DK333+700处设置为1号试验监测断面, 在路基中心埋设分层沉降管S-1, 在左侧坡脚处埋设分层沉降管S-2, 测孔深度均为30m, 从地表0m处起, 每间隔2～3m设置沉降磁环。另外, 在路基两侧坡脚处分别埋设测斜管C-1和C-2, 测孔深度均为30m, 如图2a所示。在高压旋喷桩加固区, 选取DK334+229处为2号监测断面, 测孔深度为28m, 仪器埋设同1号断面, 如图2b所示。

1) 分析软土地基沉降随时间、荷载的变化规律, 在采用不同地基处理方案情况下, 对比研究软土地基的沉降差异及沉降特性。

2) 通过分析布袋注浆桩和高压旋喷桩地基处理工后实际沉降控制效果, 比选软土地基的最佳处理方案。

分层沉降观测采用磁环式沉降仪, 沉降量计算采用管底标高法。

磁环沉降仪由分层沉降管、波纹管、磁环和分层沉降仪组成。在路基中间用钻机打孔穿过软弱底层2m, 根据地质情况在相应深度处安装磁环。分层沉降管放至设计要求后, 用膨胀土封孔, 以便磁环和地层同步沉降, 用分层沉降仪测量各磁环的位置, 分别计算各土层沉降量。

通过路基两侧分别埋设的测斜管, 用水平测斜仪测定任意深度处测斜管的倾斜度, 可计算出土体的水平位移量及其方向。

水平测斜仪由信号电缆、测斜探头和测读仪组成。沉降管是特制的PVC管, 管内有导槽。测斜探头长0.5m, 两端装有导轮, 中心安装精密加速度计, 当沉降仪的导轮沿测斜导管的导槽移动到某个位置时, 探头中加速度计的重力矢量在纵轴上的分量被测定, 从而确定了探头与纵轴的倾角。倾角与探头的长度之积即为探头两端的水平位移差。沉降仪在导线牵引下, 沿导管内壁从上到下缓慢移动, 通过对各点倾斜角数据的不断记录, 可推断出管壁各点不同的水平位移值。

监测工作历时175d, 全过程中所有元件均工作正常, 未发现任何损坏情况。布袋注浆桩加固区和高压旋喷桩加固区填土均同步进行, 前期填土速率相对较慢, 后期填土速率较快, 最大填土高度为4.2m。填土高度随时间变化如图3所示。

1) 水平位移

根据实测沉降数据, 分别绘制出路基左侧和右侧侧向位移曲线, 如图4所示。

从曲线来看, 地基土水平位移在地表附近较大, 深层土体水平位移减小;总体呈上大下小的变化规律, 是因为布袋注浆桩桩体对深层土体产生横向约束的挤密作用, 增加深层地基土的整体强度, 提高地基的整体稳定性。

两图均呈现出一致的S形变化, 在地表下8m附近出现反弯点。水平正位移最大值均出现在地表以下1.8m附近深度处, 是由于沉降量增大, 使上部土体有偏向于路基的水平位移。下部土体的侧向挤出是由于上部荷载的增加导致。水平负位移最大值出现在地面下13～14m深度处, 此处属于淤泥土层, 其压缩变形量最大。在14m以下, 侧向水平位移逐渐减小, 可见布袋注浆桩发挥了挤密约束作用, 能有效减小软弱土层的变形。

2) 分层沉降

根据实测沉降数据, 分别绘制出路基左侧坡脚和路基中央的沉降变化曲线, 如图5所示。

由图5分析土体沉降变化规律可知:地基土体沉降量随时间、加载量增加而增加, 上部沉降量大, 下部沉降量相对减小;图4a和图5a在曲线各对应点上变化规律一致, 最大水平位移值和最大沉降值都发生在地表以下1.8m附近, 侧面验证了测量数据的可靠性。

高压旋喷桩加固区和布袋注浆桩加固区地质条件基本相同 (见图2) , 路基填筑同步进行。在旋喷桩加固区路基两侧分别设置测斜孔进行侧向位移监测, 在路基左侧和路基中央分别设置分层沉降观测孔进行监测, 根据实测试验数据, 绘制侧向位移曲线和分层沉降曲线如图6～7所示。

将高压旋喷桩侧向位移曲线和布袋注浆桩侧向位移曲线进行比较, 布袋注浆桩加固区水平位移最大值为3.11mm和3.83mm, 高压旋喷桩加固区最大水平位移为2.00mm和2.61mm。2种地基加固处理方法下水平位移都比较小, 两者数值均比较接近。

2种方法路基上部土体沉降量较大, 地表最大沉降分别达到25, 27mm和18, 19.7mm, 比较接近。各图形表达各土层沉降趋势一致。

布袋注浆桩加固后的地基水平位移比旋喷桩加固区的略大, 但两者相差很小。两者分层沉降趋势一致, 最大沉降量相当。

采用布袋注浆桩加固软土地基, 造价为60元/m, 而采用高压旋喷桩加固地基造价为220元/m。布袋注浆桩造价不及高压旋喷桩1/3, 经济效益十分显著。

布袋注浆桩加固深度可达60m, 高压旋喷桩有效加固深度一般为30m, 可以看出布袋注浆桩加固深度更大, 适用范围更广。

采用布袋注浆桩法对软土地基进行加固处理后, 地基土变形沉降量与采用高压旋喷桩处理的效果相当。布袋注浆桩法能够对软弱土层起到减小土压缩性、减少地基变形、增加地基稳定性的作用。同时, 其工程造价相比于采用高压旋喷桩法显著降低。