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高速铁路与汽车和民航等运输方式相比,输送能力大,安全可靠,在一定的旅行距离内可节省时间,旅行舒适度高,较少受气候变化的影响,又具有节省石油和土地资源,保护生态环境,摆脱交通堵塞等优势,是解决大通道上大量旅客快速输送问题的最有效途径,已成为世界各国铁路的普遍发展趋势。随着高速铁路建设的迅速发展,工程中出现了一系列亟待解决的问题,软土路基的加固处理就是其中一个难题。在软土地基上修建高速铁路时,会遇到稳定和变形的问题。高速铁路路堤高度一般不大,稳定问题并不十分突出,但对路基工后沉降的控制直接关系到养护工作和运行能力。工后沉降大,养护费用高,影响列车行驶速度,严重的将会引起安全事故。因此,需要采用合适的方法对软土地基进行加固,保证高速铁路运行安全。
水泥搅拌桩常被用来加固公路、港口码头、工业与民用建筑、市政工程等方面的软土地基加固,通过室内试验和现场实践,已经积累了一定的设计与施工经验。然而高速铁路对在软土地基上修筑的路基的工后沉降有着严格的要求,且当铁路客车运行时会产生对路基的动荷载。因此,须研究水泥搅拌桩处理高速铁路软土地基的适宜性。
依托京沪高速铁路昆山某软土地基试验段项目,本文研究了水泥土室内无侧限抗压强度、水泥搅拌桩桩体无侧限抗压强度,水泥搅拌桩施工工艺参数,水泥搅拌桩复合地基沉降计算方法、沉降预测方法、工后沉降分析,水泥搅拌桩复合地基加固效果检测方法,较系统地研究了水泥搅拌桩处理高速铁路软土地基的适宜性。
(1)研究了龄期、水泥掺入比、水灰比、成型方法水泥土室内无侧限抗压强度及掺入比对水泥搅拌桩无侧限抗压强度的影响,分析了湿法和干法水泥土室内无侧限抗压强度的增长规律,指出在相同掺入比的情况下干法无侧限抗压强度要大于湿法无侧限抗压强度,建议京沪高铁路昆山某试验段附近的软土地基采用水泥搅拌桩粉喷法处理,确定出了水泥搅拌桩最优掺入比为15%,水泥搅拌桩现场无侧限抗压与水泥土室内无侧限抗压强度折减系数均值为:干法0.364(180d),湿法0.49(180d)。推导出了基于似水灰比的水泥土无侧限抗压强度公式,方便了水泥搅拌桩设计和施工。
(2)通过水泥土室内试验,初步确定掺入比、水灰比等主要工艺参数,进行工艺性试桩。试桩控制内容包括桩位放样、桩机对位、桩身垂直度控制、水泥粉到达桩尖时间的测定、水泥浆制备、复搅等。根据工艺性试桩确定的施工工艺及工艺参数,在试验工程桩中进行验证试验,主要进行了桩位控制研究、搅拌速度研究、搅拌与送灰(浆)时间匹配性研究、粉喷桩喷粉到达桩尖时间研究和复搅次数研究。通过静力触探(7d)、轻便动力触探及钻探取芯(28d)、低应变、载荷等试验从喷粉(浆)量均匀性、不同工艺(喷粉和喷浆)成桩的无侧限抗压强度、不同地层的无侧限抗压强度、不同复搅深度桩体无侧限抗压强度、不同机型成桩的无侧限抗压强度、同一机型不同机组成桩的无侧限抗压强度和桩体承载力等方面进行试验工程桩成桩质量分析,以验证推荐的工艺及参数,得出水泥搅拌桩质量主要由两个因素控制:喷浆(灰)量和搅拌均匀程度。
(3)在进行水泥搅拌桩复合地基沉降计算时通常分为两部分:加固区地基沉降(S1)和下卧层地基沉降(S2),复合地基沉降可以表示为两部分之和S=S1+S2。计算水泥搅拌桩复合地基加固区的沉降时,采用了复合模量法、桩身模量法和桩身压缩量法,与实际观测结果相比较,复合模量法较为准确。计算水泥搅拌桩复合地基未加固区下卧层时,采用了应力扩散法、等效实体法和当量层法,与实际观测结果相比,应力扩散法较为简单准确。
(4)利用一段时间的沉降观测资料,对后期沉降推求一般误差较小,往往被用作推求软基最终沉降的方法。文章采用了双曲线法、指数曲线法和对数曲线法并利用观测资料,对水泥搅拌桩复合地基沉降进行了预测,与实际沉降相比,双曲线法较为简单准确。分析了影响高速铁路软土地基工后沉降的因素,并提出了控制工后沉降在许可范围内的措施。
(5)本项目采用的搅拌桩质量检测方法有常规质量检测方法和物探检测方法两类。常规质量检测方法包括钻探取芯结合室内试验、静力触探试验、轻便动力触探(N10)试验、开挖检查及足尺qu试验、低应变试验、单桩及复合地基载荷试验、标准贯入试验等,主要研究其可靠度、适用范围、控制参数等,以得出适合高速铁路软基加固施工的质量控制措施及质量检测手段。物探检测主要是波速检测法,包括跨孔波速和瑞雷波两种,主要对其直接检验软土地基加固质量的可行性进行研究。通过工程实践检验,建议选用钻探取芯检验法与载荷试验检验方法相结合对水泥搅拌桩复合地基加固效果进行检测。