热带季风气候条件下富水不良地质深路堑铁路路基加固技术的探索

热带季风气候条件下富水不良地质深路堑铁路路基加固技术的探索李全文(屮铁二H局集团第四T程冇限公司陝两两安710065)［摘要］:海南岛属热带岛屿季风性气候，受东北和西南季风影响，常风较大，热带风暴和台风频繁。年均降雨量1639毫米，季风雨和台风雨是海南雨水的主要来源。属丘陵地貌，根据钻探资料，自原地面向下，地质分别为粉质黏土、膨胀土、强风化玄武岩、泥岩。新建海南西环铁路沿海南岛西海岸，从海口至三亚，全长345.213km。线路经行地段不良地址居多，施工受降水影响大，且地表水丰富，地质均为富水饱和岩土。为解决在降雨量较大的条件下如何对富水不良地质深路堑路基进行有效加固，保证在施工和运营过程中的安全及质量，本单位进行了充分的理论研究和实践，探索出了一套安全可靠的技术工艺。［关键词］:热带季风气候宫水不良地质深路堑路基加固技术1研究的背景和必要性1.1研宂背景(1)地质灾害的影响崩塌、滑坡和不稳定斜坡是海南岛主要地质灾害类型，降雨是海南岛地质灾害的主要诱发因素之一，据统计，海南岛雨季5〜10月多年月平均降雨量在100〜367mm之间，也是地质灾害频发时间段，全省81.5%的地质火害发生在雨季，且多发牛.在暴雨期间或次日，2010年10月18日下午，巾于连续遭受强降雨袭击，海南东线高速178公里处附近发生泥石流，使东线商速公路路段被迫屮断。施工期间，台风、暴雨频繁，为防止出现暴雨引发的崩塌、滑坡等灾害，必须采取行之有效的加同措施，保证路堑的安全和边坡的期稳定性。(2)富水不良地质的不稳定性由于西环铁路经行处，地表水特别丰富，致使在深路堑施工过程中易产生透水等地质灾害。而且根据钻探资料，自原地面向下，地质分别为粉质黏土、膨胀土、强风化玄武岩、泥岩，自稳定性较差，在饱和状态下，如受到外界扰动，崩塌事故不可避免。(3)后续运营过程中的振动对边坡的影响在后续运营过程中，火车行车的振动必然对边坡产生一定的影响，使开挖后的“虚坡”不断被“振动密实”，形成“振动平台”效应，“不断密实的岩土”将对底部的支挡结构造成较大的累积挤压力。1.2研宄的必要性由于施工过程屮，必须保证施工人员的安全以及附近居民的安全、财产，需要对施工过程中产生的各种不利因素进行充分的分析，要考虑到地质本身的不以因素、富水造成的不稳定性、地表水向下的渗透、施工过程中遭遇台风和暴雨的影响、后续运营过程巾火车行车造成的扰动影响等。因此，必须在施工中对这些隐患考虑周全，以免引起灾害。需要对此进行理论计算和施工工艺的探索。2桩间挡土墙的理论依据为有效的对路堑底部进行支挡，采川桩间挡土墙加固。2.1抗滑桩没计的基本假定作用于抗滑桩上的外力包括：滑坡推力、受荷段地层(滑体)抗力、锚固段地层抗力、 热带季风气候条件下富水不良地质深路堑铁路路基加固技术的探索李全文(屮铁二H局集团第四T程冇限公司陝两两安710065)［摘要］:海南岛属热带岛屿季风性气候，受东北和西南季风影响，常风较大，热带风暴和台风频繁。年均降雨量1639毫米，季风雨和台风雨是海南雨水的主要来源。属丘陵地貌，根据钻探资料，自原地面向下，地质分别为粉质黏土、膨胀土、强风化玄武岩、泥岩。新建海南西环铁路沿海南岛西海岸，从海口至三亚，全长345.213km。线路经行地段不良地址居多，施工受降水影响大，且地表水丰富，地质均为富水饱和岩土。为解决在降雨量较大的条件下如何对富水不良地质深路堑路基进行有效加固，保证在施工和运营过程中的安全及质量，本单位进行了充分的理论研究和实践，探索出了一套安全可靠的技术工艺。［关键词］:热带季风气候宫水不良地质深路堑路基加固技术1研究的背景和必要性1.1研宂背景(1)地质灾害的影响崩塌、滑坡和不稳定斜坡是海南岛主要地质灾害类型，降雨是海南岛地质灾害的主要诱发因素之一，据统计，海南岛雨季5〜10月多年月平均降雨量在100〜367mm之间，也是地质灾害频发时间段，全省81.5%的地质火害发生在雨季，且多发牛.在暴雨期间或次日，2010年10月18日下午，巾于连续遭受强降雨袭击，海南东线高速178公里处附近发生泥石流，使东线商速公路路段被迫屮断。施工期间，台风、暴雨频繁，为防止出现暴雨引发的崩塌、滑坡等灾害，必须采取行之有效的加同措施，保证路堑的安全和边坡的期稳定性。(2)富水不良地质的不稳定性由于西环铁路经行处，地表水特别丰富，致使在深路堑施工过程中易产生透水等地质灾害。而且根据钻探资料，自原地面向下，地质分别为粉质黏土、膨胀土、强风化玄武岩、泥岩，自稳定性较差，在饱和状态下，如受到外界扰动，崩塌事故不可避免。(3)后续运营过程中的振动对边坡的影响在后续运营过程中，火车行车的振动必然对边坡产生一定的影响，使开挖后的“虚坡”不断被“振动密实”，形成“振动平台”效应，“不断密实的岩土”将对底部的支挡结构造成较大的累积挤压力。1.2研宄的必要性由于施工过程屮，必须保证施工人员的安全以及附近居民的安全、财产，需要对施工过程中产生的各种不利因素进行充分的分析，要考虑到地质本身的不以因素、富水造成的不稳定性、地表水向下的渗透、施工过程中遭遇台风和暴雨的影响、后续运营过程巾火车行车造成的扰动影响等。因此，必须在施工中对这些隐患考虑周全，以免引起灾害。需要对此进行理论计算和施工工艺的探索。2桩间挡土墙的理论依据为有效的对路堑底部进行支挡，采川桩间挡土墙加固。2.1抗滑桩没计的基本假定作用于抗滑桩上的外力包括：滑坡推力、受荷段地层(滑体)抗力、锚固段地层抗力、 桩侧摩阻力和粘着力以及桩底应力等。这些力均为分布力。(1)滑坡推力作用于滑而以上部分的桩背上，可假定与滑而平行。由于还没有完全弄清桩间土拱对滑坡推力的影响，通常是假定每根桩所承受的滑坡推力等于桩距(中至中)范围内的滑坡推力。推力的分布及其作川点位置，与滑坡的类型、部位、地层性质、变形情况及地基系数等因素有关。对于液性指数小、刚度较大和较密实的滑体，从顶层至底层的滑动速度常大体一致，故可假定滑而以上滑体作用于桩背的推力分布阁形为矩形；对于液性指数较大、刚度较小和密实度不均匀的塑性滑体，其靠近滑面的滑动速度常较大，而滑体表层的滑动速度则较小，滑坡推力分布图形可假定为三角形；介于上述两者之间的情况可假定推力分布图形为梯形。(2)根据设桩的位置及桩前滑坡体的稳定情况，抗滑桩可分为悬臂式和全埋式两种。受力情况如阁2-1所示。地Iftj地图2-1抗滑桩受力示意图当桩前滑坡体不能保持稳定可能滑走的情况下，抗滑桩应按悬臂式可虑：而当桩前滑坡体能保持稳定，抗滑桩将按全埋式桩可虑。此时，关于桩前滑体对桩的抗力作用有两种处理方法。第一种方法是将桩前滑体所能提供的抗力(剩余抗滑力或被动土压力)作为己知外力作用于桩前来可虑。因此，其桩的变形与内力计算如同悬臂式桩。第二种办法是桩前滑体弹性抗力较剩余抗滑力或被动土压力小时，则按弹性抗力来可虑，一般是不会出现此种情况的。2.2抗滑桩的计算宽度抗滑桩受猾坡推力作川产生位移，则桩侧岩土对桩作用着抗力。当岩土变形处于弹性变形阶段时，桩受到岩土的弹性抗力作用。岩土对桩的弹性抗力及其分布与桩的作用范围有关。试验研宄表明，桩在水平荷载作用下，不仅桩身宽度内桩侧土受挤压，而且在桩身宽度以外的一定范围P、j的土体也受到影响(空间应力)，同时对不同截面形状的桩，土体的影响范围也不相同。为了将空间的受力转化为平面受力，并考虑桩截Ifif形状的影响，将桩的设计宽度(或直径)换算成相当于实际工作条件下的矩形桩宽Bp,此Bp称为桩的计算宽度。(1)试验表明，对不同尺寸的圆形桩和矩形桩施加水平荷载时，直径为d的圆形桩与正而边长为0.9d的矩形桩，在其两侧土体被挤出的极限状态下，其临界水平荷载值相等。所以，矩形桩的形状换算系数Kf=l，而圆形桩的形状换算系数Kf=0.9。(2)同吋，由于将空间受力状态简化成为平面受力状态，在决定桩的计算宽度时，应将实际受力宽度乘以受力换算系数Ka。由试验资料可知，对于正面边长b大于或等于lm的矩形桩受力换算系数为l+1/b,对于直径d大于或等于lm的圆形桩受力换算系数为1+Vdo故桩的计算宽度为：矩形桩：Bp=Kf*Ka*b=1.0*(l+l/b)*b=b+l圆形桩••Bp=Kf*Ka*d=0.9*(l+l/d)*d=0.9(d+l)(3)桩的截面形状应从经济合理及施工方便可虑。目前多用矩形桩，边长2~3m，以1.5X2.0m及2.0X3.0m两种尺、J*的截面较力常见。 2.3桩侧岩土的弹性抗力系数桩侧岩土弹性抗力系数简称地基系数，是地基承受的侧压力与桩在该处产生的侧向位移的比值。换句话说，地基系数是在弹性变形限度以内，单位面积的土产生单位压缩变形时所需要的侧向压力。2.4计算弹性地基内的侧14受荷桩时，有关地基系数目前有两种不同的假定：(1)为地基系数是常数，不随深度而变化，以“K”表示之，相应的计算方法称为“K”法，可用于地基为较为完整岩层的情况。当Ph2<1.0时，抗滑桩属刚性桩；当3h2<1.0时，抗滑桩属弹性桩。其中，P—为桩的变形系数，以m-1计，可按下式计算：—桩的锚固段长度(m);0h:—桩的计算深度(m)；kH—侧向地基系数，不随深度而变化，(KN/m3)；BP—桩的正面计算宽度(m);E—桩的弹性模量(kPa)；I一桩的截面惯性矩(m4),对于矩形桩，I=ba3/12；对于圆形桩，I=nd4/64、a、b分别为矩形桩的长度和宽度(m),d为圆形桩的直径(m)。(2)认为地基系数随深度按直线比例变化，即在地基深度为y处的水平地基系数为CH=mH*y或CH=AH+mH*y,竖直方向的地基系数为CV=mV*y或CV=AV+mV*y,。AH、AV表示某一常量，mH、mV分別表示水平及竖直方向地基系数的比例系数。相应这一假定的计算方法称为“m”法，可用于地基为密实土层或严重风化破碎岩层的情形。当ah2<2.5时，抗滑桩厲刚性桩；当uh2〉2.5时，抗滑桩属弹性桩。其中，a—为桩的变形系数，以nf1计，可按下式计算：ah2—桩的计算深度(m)；mH—水平方向地基系数随深度而变形的比例系数(KN/m4),其余符号同前。2.5水平及竖向地基系数的比例系数应通过试验确定；当无试验资料吋，可参可表1确定。非岩石地基mH和mV值序号土的名称叫和nx^Kbttn4)序号土的名称叫和nxOCNin4)1流塑粘性土(IL>1),淤泥3000-50004半贤硬的粘性土、粗砂20000-300002软塑粘性土(1>1,^0.5),粉砂500()〜1()0005陈砂、角陈土、烁石土、碎石土、卵石土3000()〜誦()03硬塑粘性土(0.5〉Ik〉0)，细砂、中砂“)0()0〜200006块石土、漂石土80000〜120000注：由于表中mH和mV采用同一值，而当平均深度约为10m时，mH值接近垂直荷载作用下的垂直方向地基系数CV值，故CV值不得小于10mVo根据海南实际地质，弹性抗力系数(地基系数)K:(5-12)XlO5(KN/m3)；容重収值：23〜25(KN/m3)。2.6桩的锚固深度桩埋入滑而以下稳定地层A的适宜锚固深度，与该地层的强度、桩所承受的滑坡推力、桩的相对刚度以及滑面以上滑体对桩的反力有关。原则上由桩的锚固深度传递到滑囬以下地层的侧向压应力不得大于该地层的容许侧向 抗压强度，桩基底的最大压应力不得大于地基的容许承载力。锚固深度不足，易引起桩效用的失败；但锚固过深则导致工程量的增加和施工的困难。有时可适当缩小桩间距以减小每根桩所承常受的滑坡推力，有吋可调整桩的截Ifif以增大桩的相对刚度，从而达到减小锚固深度的目的。桩侧支承条件：（1）土层及严重风化破碎岩层桩身对地层的侧压应力Omax（kPa）应符合下列条件：cos（p式中：丫一地层岩（土）的容重，（KN/m3）；*一地层岩（土）的闪摩擦角，（°）;c一地层岩（土）的粘聚力（kPa）;h—地面至计算点的深度，（m）。一般检算至桩身侧应力最大处，若不符合上式要求，则调整桩的锚固深度或桩的截囬尺寸、间距，直至满足为止。（2）比较完整的岩质、半岩质地层桩身对围岩的侧向压应力omax（kPa）应符合下列条件：°max^Ki.K2.R（）式中，K/一折减系数，根据岩层产状的倾角大小，取0.5〜1.0;K/—折减系数，根据岩层的破碎和软化程度，取03〜0.5;—岩石单轴极限抗压强度，（kPa）。计算结果若不符合上式，则调整桩的锚同深度或截面尺寸、间距，直至满足为止。上述公式，只能作为确定桩的锚固深度及校核地基强度吋的参考用。常用的锚固深度，从以往的实践经验來看，对于土层或软质岩层约为1/3〜1/2桩长比较合适；但对于完整、较坚硬的岩层可以采用1/4桩长。2.7桩底支承条件抗滑桩的顶端，一般为自由支承；而底端，由于锚固深度不同，可以分为自由支承、铰支承和固定支承三种，通常采用前两种（如图2-2示意）。图2-2桩底支承条件图 （a）自由支承（b）铰支承（c）固定支承（1）自由支承如图（a）所示，当锚同段地层为土体、松软破碎岩时，现场试验表明，在滑坡推力作用下，桩底有明显的位移和转动。这种条件，桩底可按自由支承处理，即令剪力QB=0、弯矩MB=0o(2)铰支承如图(b)所示，当桩底岩层完整，并较AB段岩层坚硬，但桩嵌入此层不深吋，桩底可按铰支承处理，即令xB=O、MB=Oo(3)固定支承如图(c)所示，当桩底岩层完整、极坚硬，桩嵌入此层较深时，桩身B处可按固定端处理，即令xB=O、＜t)B=Oo但抗滑桩出现此种情况是不经济的，故一般不采用。3预加固桩形成桩间挡土墙体系的工艺概述3.1预加固桩的设计概述根据抗滑桩计算原理，采取加固桩长度为14m〜18m之间，桩截面尺寸为：150cmX250cm，桩间距为6m:为保证抗剪和抗弯作用最优，在靠近边坡一侧配筋加强，受力竖昀主筋为HRB400O25钢筋两排，贴近坑壁处3根主筋帮扎为一个钢筋束，根数与前排单根主筋相同。在开挖至挡土墙标高时，先进行四周水泥旋喷桩止水帷幕施工，水泥旋喷桩直径为60cm,长度在13m〜15.4m之间，间距为50cm。待旋喷桩强度达到85%以上，进行开挖巾间预加固桩的桩井，每次开挖深度不得大于lm必须施做钢筋混凝土护壁，护壁厚度为20cm,直至开挖至设计标商，再进行放置钢筋笼，浇筑浞凝土。预加固桩浞凝土标号一般采用C40,护壁混凝土标号一般采用C20。在浇筑完成并在强度达到85%以后，再进行开挖至基底标高，在达到标高后对预加固桩部分进行整体挡土墙混凝土浇筑,使预加固桩与挡土墙形成桩间挡土墙整体。在完成这些加固措施后，进行基底加固以及换填等。3.2桩间挡土墙加固体系中各配套分部工程的作用(1)水泥旋喷桩水泥旋喷桩在本设计屮起到止水帷幕的作用及挖井时对坑壁的支护作用，在富水不良地质中，对预加固桩进行叫周致密旋喷桩止水帷幕施工，可以起到很好的隔水和坑壁加固作用。(2)钢筋混凝土护壁(锁LI)在开挖预加固桩桩井时，为保证施工人员的绝对安全，要求每开挖深度不大于lm时，必须先对四周坑壁施做钢筋混凝土护壁，以起到刚性支护的作用。在开挖前首先施做桩井的锁扣，再进行开挖，逐级开挖，逐级支护。(3)预加固桩预加固桩即为锚固桩，在本设计中起抗滑桩作用，是路基边坡支护的受力主体单元，整个没计按照抗滑桩受土压力为计算依据。在靠近边坡一侧以钢筋束进行抗剪、抗弯加固，使支护作用起到最大。(4)挡土墙挡土墙在单独作为重力式挡墙时，主要用于围岩整体性较好的岩石边坡防护。在富水不良地质边坡防护时与预加固桩浇筑成为整体，其以1:0.2倾斜度“靠向”边坡，对边坡形成被动土压力，与预加固桩连接成为整体，形成桩间挡土墙结构，起到整体支挡作用。4结论通过对海南热带季风气候条件下富水不良地质的分析，经过科学的理论汁算，并对该条件下深路堑铁路路基加固进行了现场实践，可以作力一套有效的工艺在类似条件下进行边坡 防护施工。参考文献(1)中国铁道科学研究院等•髙速铁路设计规范(TB106212009〕•北京：中国铁道出版社，2009(2)中国铁路工程总公司•客运专线铁路路基工程施工质量验收标准•北京：中国铁道出版社，2005(3)陈百炼•降水诱发地质灾害的气象预警方法研究•货州气象，2002.4(4)薛桂澄、胡剑•海南岛地质灾害现状调查.海南.海南省地质环境监测总站，1993.3(5)杨进良•土力学•北京：水利水电出版社，2000(6)陈希哲•土力学地基基础•北京：淸华人学出版社，1998(7)张树仁、黄侨•结构设计原理•北京：人民交通出版社，2010.9(8)南京水利科学研究院勘测设H•院•岩土工程安全监测手册•北京：水利水电出版社，2008.3