铁道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１６）１２－００６０－０５ 斜向高压旋喷桩加固既有铁路路基设计参数的取值 陈学喜 ，吴玉哲 ，杨昊天 ，张红利 ，李元彪 （１．兰州铁路局中卫工务段，宁夏中卫７５５０００；２．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 ７３００００） 摘 要 以宝（鸡）中（卫）铁路Ｋ３２９＋９５０－－Ｋ３３０＋４５０段路基下沉病害治理工程为依托，对斜向高压 旋喷桩治理既有铁路路基下沉病害的设计方法进行了探索，研究了桩体的布设形式、间距、加固深度、最 优倾角、置换率等参数的取值。结果表明：加固深度由软弱地层深度及列车荷载影响深度共同确定为 ８ ｍ；通过内、外侧桩不同倾角多种组合的数值模拟，确定出旋喷桩的最优倾角为内、外侧桩与竖向夹角 分别为５０。，３０。；根据复合地基不同体积置换率对原路基承载力的提高程度，确定合理的桩径为８０ ｃｍ， 排距为１．２～１．５ １ＴＩ，并提出以１８％～２５％的体积置换率作为斜向旋喷桩加固路基的合理置换率区间。 关键词铁路路基；斜向旋喷桩；路基加固；体积置换率 ＴＵ４７２．３ ６；Ｕ２１３．１ ５ 文献标识码Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３・１９９５．２０１６．１２．１７ 中图分类号目前利用高压旋喷桩加固地基的技术已得到广泛 到周期灌溉的影响，路基产生下沉变形，导致线路频繁 应用，在铁路路基加固中也不乏工程实例。如文献［１— ２］以朔黄重载铁路路基病害整治工程为背景，通过实 测数据及有限元仿真软件分析，提出斜向旋喷桩较优 的起道、捣固作业，日常维护工作量增大。为确保行车 安全，该段路基整治前线路长期限速４５ ｋｍ／ｈ，影响了 正常的铁路运输秩序。由于路基下沉，路基及两侧农田 出现多条贯通裂缝，裂缝最长达６００ ｍ，路基最大下沉量 达２ ｍ。２００８－－２０１０年采用灰土挡水墙和地基劈裂压 浆联合加固的方法，对该段路基下沉病害进行了３次治 的施工角度、桩间距等施工参数；文献［３］从斜向水泥 土桩加固机理出发，建立斜向水泥土桩法的设计计算 模型，提出确定斜向水泥土桩纵向间距及竖向排距的 计算方法；文献［４．８］对高压旋喷桩在一般地基或铁 路运营线上的施工工艺及施工注意事项进行了总结； 理，但治理效果不明显，农田浇灌后路基继续下沉。 １．２路基变形机理 文献［９］通过对比斜向高压旋喷桩在朔黄重载铁路路 基加固前后的效果，说明斜向高压旋喷桩能增强路基 的整体性能，起到明显的加筋效果，是一种快速有效的 既有线路基加固方法。 目前关于斜向高压旋喷桩加固地基的设计理论研 根据一系列的勘察及分析，认为该段路基产生下 沉病害的原因有二：其一，地基土层具有湿陷性和高压 缩性是路基沉降的根本原因。病害区地基土属于粉质 黏土和粉土，为Ｑ３黄土和新近系泥岩风化物——红黏 土在水成作用下的产物，沉积于西吉盆地，厚度超过 究相对较少，工程设计中对于旋喷桩的排距、桩长、桩 径等参数多凭经验取值。本文提出了一种以理论计 算、数值模拟分析、静力触探试验、现场模拟荷载试验 等手段为基础而确定旋喷桩设计参数的方法。 ５０ ｍ。因此土层在含水量降低后成为兼具黄土和粉土 性质的混合土，在含水量增大后具有湿陷性和高压缩 性。从原状土试验结果可知，该段路基３ ｍ以上的地 层湿陷系数在０．０１５～０．０９，大部分为中等湿陷性， ３ ｍ以下的地层不具湿陷性，但因含水量增大而具有 １ 工程概况 １．１工程背景 宝中铁路Ｋ３２９＋９５０－－Ｋ３３０＋４５０段位于宁夏回 族自治区海原县境内，路线总体走向近南北向。白 ２００３年以来该段铁路两侧黄河灌区开始漫灌浇地，受 高压缩性。其二，漫灌浇地导致土体含水量增加是地 基沉降的主要诱发因素。西吉盆地历史上就是干旱少 雨地区，多年平均降雨量为３００ ｍｍ，因此土体本身含 水量较低，２００３年以前该段路基变形已趋于稳定，其 变形在控制范围内。自２００３年开始引黄灌溉，灌溉水 渗入土体后，３ ｍ以下土层湿陷性基本完成，３ ｍ以上 收稿日期：２０１６－０５．２５；修回日期：２０１６—０８—１７ 基金项目：中铁科学研究院有限公司科研项目（２０１６－ＫＪ００１一ＺＯＯ１—０３） 地层有湿陷性。２０１２年勘察成果显示８ ｍ内土层含 水量普遍高于土的液限，成为高含水的软弱地层，地基 作者简介：陈学喜（１９７２一），男，高级工程师。 承载力进一步降低，以往的几次病害治理工程，无法从 ２０１６年第１２期 陈学喜等：斜向高压旋喷桩加固既有铁路路基设计参数的取值 ６１ 根本上消除路基沉降变形，导致该段路基沉降问题一 直存在，无法满足列车正常运营的要求，长期处于限行 状态。 ２．２旋喷桩最优倾角的确定 采用数值模拟的方法对旋喷桩不同内、外侧倾斜 ０ １ 角度组合的对比分析，确定斜向旋喷桩最优倾角。 ２．２．１ 计算模型的建立 有限元计算模型如图３所示。模型水平尺寸为 ２斜向旋喷桩的设计 ２．１旋喷桩加固深度的确定 加固深度的确定是工程设计中考虑的重要问题， ４０ ｍ，竖向尺寸约１８ ｍ。土体上部为软弱土层，以下 为硬土层。除顶部自由外，其余边界均采用对称约束 本次通过静力触探试验及路基在列车荷载作用下附加 应力的理论计算共同确定路基的加固深度。 ２．１．１ 路基附加应力计算 路基面承受的荷载包括轨道静载、列车活载，本次 计算上部总荷载Ｐ取８０ ｋＰａ，荷载宽度３．５ ｍ。通过 计算路基附加应力绘制应力分布曲线，如图１所示。 工程中一般将受压缩层下限控制在附加应力等于０．２ 倍的土的自重应力Ｐ处，由应力分布计算结果看出线 路中线应力为０．２ｐ处的深度约为１１ ｍ。 深度４ ｍ 深度７ｍ 深度１１ｍ 图１ 荷载作用下的应力分布曲线 ２．１．２静力触探测试 为了解地基不同深度处的承载力，沿线路共进行 了１０处静力触探测试，图２为其中２处测试数据，图 中． 为侧阻力，ｑ 为端阻力。通过试验资料的整理， 分析认为场地土体约８ ｍ以内地基承载力不足 １５０ ｋＰａ，不能满足路基承载力要求。１Ｌ＿●● Ｔ ＿＿ 』 ｆｅｑ（Ｐａ ｆ￣ｋＰａ ２Ｏ ４０ ６Ｏ ８Ｏ１０Ｏ】２０１４０ ０ ２Ｏ ４Ｏ ６Ｏ ８Ｏ１ＯＯ１２０１４０ １ ２ ３ 暑４ 酉 ６ ７ ８ ９ １０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ ￣／ＭＰａ ｑｃ／ＭＰａ （ａ）Ｋ３３０＋０００里程 （ｂ）Ｋ３３０＋Ｉ ５０里程 图２静力触探曲线 综合应力分布计算深度及静力触探试验结果，斜 向旋喷桩加固深度应确定至地面以下约８ ｍ。 边界条件。 图３有限元计算模型（单位：ｍ） ２．２．２参数选择 土体及结构物理力学参数见表１。 表１土体及结构物理力学参数 ２．２．３计算工况及结果分析 旋喷桩角度布置方案如表２所示。 表２旋喷桩角度布置方案 针对每种布置方案，计算在列车荷载作用下路基 顶面的沉降量。不同旋喷桩角度布置方案下路基顶面 沉降量曲线见图４。由图可知，方案４、方案５、方案６ 及方案１０在列车荷载作用下路面沉降相对比较小。 ６２ 铁道建筑 距路肩距离，ｍ ０ ５ ０ ｓ曼＝喜世翳旧蟹 ０ ５ ｌ ０ １ ５ ２ ０ ２ ５ ３ ０ ３ ５ 一 旋喷桩，Ｌ＝８，１０ ｌｔ ２ Ｌ ２ Ｌ ｉ ｔ 图６模拟荷载试验平面布置（单位：ｉｎ） 图４各方案路基顶面沉降量曲线 根据试验数据绘制荷载一沉降曲线，如图７所示。 而现场实际情况发现，内侧桩竖向夹角过大，旋喷 桩成桩时与地表距离较小，易出现从地表喷浆的情况， 由图可知，模拟载荷试验最大施加荷载为２５８ ｋＰａ，最 大沉降量为９７．３１ ｍｍ。并可确定出比例界限荷载Ｐ。． ：且接近孑Ｌ口处无法成桩，容易增加施工难度，因此，综合 考虑，内侧桩竖向夹角不宜＞５０。，外侧桩需兼顾旋喷桩 １１５．９ ｋＰａ，极限荷载Ｐ．．＝２０１．４３ ｋＰａ，满足《铁路工 程地质原位测试规程》（极限荷载大于比例界限荷载的 １．５倍），因此取比例界限荷载Ｐ ＝１ １５．９ ｋＰａ为地基承 置入土体的深度，宜选用较小的角度。所以旋喷桩设计 建议采用内侧桩竖向夹角５０。，外侧桩竖向夹角３０。。 ２．３旋喷桩排间距的确定 ２．３．１ 模拟荷载试验 载力特征值，即． ＝１１５．９ ｋＰａ。根据规范中变形模量 的计算公式，可得复合地基的变形模量Ｅ ：９．８ ＭＰａ。 荷载／ｋＰａ Ｏ ２０ ｇ ４０ 窨 ５０ ｌ００ ｌ５０ ２００ ２５０ ３００ 通过现场１：１模拟试验，验证在两侧设置旋喷桩 后地基整体承载力的提高程度，得到处理后的复合地 基承载力和变形模量，初步确定经济合理的桩间距、桩 泣６０ 蜉８Ｏ ｌ０Ｏ １２０ 径，并得到最优体积置换率的范围。选择与加固段路 基地层条件相似的场地作为试验场，如图５所示。 图７模拟荷载试验荷载一沉降曲线 ２．３．２旋喷桩排间距的确定 Ｋ３２９＋９５０－－Ｋ３３０＋４５０段路基沉降情况并不一 致，需分区段考虑治理工程措施。本次试验期间，根据 现场静力触探测试、路基沉降观测结果、道砟厚度等情 图５ 全断面模拟荷载试验 况，将该段路基分为沉降严重路段、沉降较严重路段和 沉降一般路段３类（见表３），并根据分段情况旋喷桩 采用不同的排间距。本次设计中提出采用体积置换率 来控制排间距，其概念是指沿线路方向单位长度（旋 初步设计时考虑桩径为６０ １３ｍ（模拟荷载试验完 成后进行优化设计时将桩径调整到８０ ｅｍ），内侧桩竖 向夹角５０。，外侧桩竖向夹角３０。。模拟荷载试验装置 布置如图６所示。 喷桩排间距）范围内置入土体的旋喷桩体积与０．２ｐ的 应力泡范围内的土体的体积之比。 表３路基沉降评价 ２０１６年第ｌ２期 陈学喜等：斜向高压旋喷桩加固既有铁路路基设计参数的取值 ６３ 旋喷桩排问距的具体确定过程为：通过静力触探 测试及模拟载荷试验分别确定模拟载荷试验场地的原 地基承载力Ｐ ＝６０ ｋＰａ及置人旋喷桩后的承载力Ｐ ＝载力需要提高的幅度分别为△Ｐ ＝８０ ｋＰａ，△Ｐ：＝７５ ｋＰａ，△Ｐ ＝６０ ｋＰａ。通过以上数据按以下比例关系确 定各路段所要达到的体积置换率 （目标置换率）： △Ｐ０ △Ｐ 一＝～ １１６ ｋＰａ，提高幅度△Ｐ。＝５６ ｋＰａ，所采用的桩体布置 形式的体积置换率叼。＝１５．６％。然后取沉降严重路 段原地基承载力Ｐ．＝７０ ｋＰａ，较严重路段原地基承载 力Ｐ，＝７５ ｋＰａ，一般路段原地基承载力Ｐ ：９０ ｋＰａ，各 ７ｏ 叼 然后计算目标置换率及试算不同旋喷桩排间距的 置换率，使设计置换率达到目标置换率即可，最终结果 如表４所示。 路段要求达到的地基承载力应为１５０ ｋＰａ，即各路段承 表４各路段目标置换率计算结果 ２．４旋喷桩布置 综上所述，试验段旋喷桩的平断面布置为：路肩外 １９３ 博。 边缘施作２排高压旋喷桩，２排桩孑Ｌ口间距０．５ Ｉｎ，桩 位距路线中心线的距离见工程断面图（图８），桩径均 ： ∞ ０＼ ¨ ＼／Ｖ Ｙ １１４ １０３ 为０．８ Ｉｎ，间纵向距１．２～１．５ ｍ，旋喷桩按单侧齐列布 置，双侧错列布置。内侧旋喷桩长８ ｍ，与竖直夹角为 ５０。，外侧旋喷桩长１０ ｍ，与竖直夹角为３０。。 ： 日期ｆ年一月） 图９ ２０１４－－２０１５年试验段病害数量趋势 １６ ４ ９ ５８１８％ ９３ ８ 哪 图８工程布置断面（单位：Ｉｎ） 日期（年一月１ ３加固效果评价 轨道不平顺质量指数（Ｔｒａｃｋ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｉｎｄｅｘ，ＴＱＩ） 是采用数学统计方法描述区段轨道整体质量状态的综 合指标和评价方法。ＴＱＩ是高低、轨向、轨距、水平和 图１０ ２０１４－－２０１５年试验段ＴＱＩ值趋势 旋喷桩施工结束后，病害数量与ＴＱＩ值较施工前呈现 明显的减小趋势，说明高压旋喷桩的实施对路基下沉 起到了有效的控制作用。 三角坑５类病害的动态检测数据的统计结果，该值的 大小与轨道平顺性密切相关，数值越大，表明轨道的平 顺程度越差、波动性也越大。线路路基是否稳定直接 ４ 结论 结合理论计算、数值模拟分析、静力触探试验及现 场模拟荷载试验，对在既有线上采用斜向高压旋喷桩 加固路基的设计参数取值方法得到如下结论： １）斜向高压旋喷桩加固深度根据软弱地层的深 度及列车荷载影响的深度共同确定，该路段加固深度 影响到５类病害数量及ＴＱＩ值的大小，所以本次采用 对比治理前后病害数量及ＴＱＩ值来评价旋喷桩治理路 基下沉的效果，如图９、图１０所示。 由图９及图１０可以看出，自２０１４年１ １月试验段 铁道 建 筑 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２０１６ 确定为路基以下８ ｎｌ。 ［２］王定举．用斜向单管高压旋喷桩整治朔黄铁路路基病害 ［Ｊ］．铁道建筑，２００６（９）：５５—５７． ［３］宋绪国，王铸．斜向水泥土桩加固路基计算方法探讨［Ｊ］．铁 道工程学报，２０１３（８）：４Ｏ一４４． ２）通过内、外侧桩不同倾角多种组合的数值模 拟，确定出旋喷桩的最优倾角为内、外侧桩与竖向夹角 分别为５０。，３０。。 ３）通过复合地基不同体积置换率对原路基承载 力的提高程度来确定合理的桩径、排距，分别为桩径 ０．８ ｉｎ、排距１．２～１．５ ｉｎ，并提出１８％～２５％的体积置 换率作为斜向旋喷桩加固路基的合理置换率区间。 斜向高压旋喷桩施工完成后，通过路基运行情况 来看，加固后的路基基本处于稳定状态，路基下沉得到 ［４］靳永良．高压旋喷桩在处理铁路既有线路基中的应用［Ｊ］． 科技创新导报，２０１３（２）：９８—９８． ［５］陈彦欣．高压旋喷桩在道路软基处理中的应用［Ｊ］．交通标 准化，２０１４，４２（８）：１２—１４． ［６］左光荣．高压旋喷桩在加固既有建筑物地基中的设计应用 ［Ｊ］．四川建材，２０１４，４０（２）：１１ ８一ｌ２１． ［７］赵朝阳．高压旋喷桩在运营线路基加固工程中的应用［Ｊ］． 石家庄铁道大学学报（自然科学版），２０１３，２６（５）：２０４—２０９． 了有效的控制，说明采用斜向高压旋喷桩治理既有线 路基下沉病害是可行的、有效的。 参 考 文 献 ［８］靳云海．谈高压旋喷桩处理路基沉陷原理及施工工艺［Ｊ］． 山西建筑，２０１４，４０（８）：１６２—１６３． ［９］宏规，冷伍明，周顺华，等．朔黄重载铁路路基斜向高压旋喷 桩加固效果［Ｊ］．同济大学学报（自然科学版），２０１３，１２ （１２）：１８１８—１８２３． ［１］陈立涛．重载铁路路桥过渡段斜向旋喷桩加强效果研究 ［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１０． Ｖａｌｕｅｓ ｏｆ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂｙ Ｏｂｌｉｑｕｅ Ｊｅｔ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｉｌｅｓ ＣＨＥＮ Ｘｕｅｘｉ ，ＷＵ Ｙｕｚｈｅ ，ＹＡＮＧ Ｈａｏｔｉａｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇｌｉ ，ＬＩ Ｙｕａｎｂｉａｏ （１．Ｚｈｏｎｇｗｅｉ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｗａｙ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｚｈｏｎｇｗｅｉ Ｎｉｎｇｘｉａ ７５５０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ ＣＲＥＣ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｄｉｓｅａｓｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｋ３２９＋９５０－－Ｋ３３０＋４５０ ｏｆ Ｂａｏｊｉ—Ｚｈｏｎｇｗｅｉ ｒａｉｌｗａｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｉｓｉｔｎｇ ｒａｉｌｗａｙ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｊｅｔ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｉｌｅｓ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｐｉｌｅ ｌａｙｏｕｔ，ｓｐａｃｉｎｇ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｄｅｐｔｈ，ｐｉｌｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ａｎｇｌｅ，ａｎｄ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｉｏ ｗｃｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｄｅｐｔｈ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｓｏｆｔ ｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｌｏａｄ ｆｏｒ ａｂｏｕｔ ８ ｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｐｉｌｅｓ ｗｉｈ ｄｉｔｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｇｌｅｓ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｎｇ ｐｉｉｌｅｓ ａｒｅ ５０。，３０。．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｐｉｌｅ ｉｓ ８０ ｃｍ，ｔｈｅ ｒＯＷ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ｐｉｌｅｓ ｉｓ １．２—１．５ ｍ．ａｎｄ １８％～２５％ｉｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｅ ｕｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｊｅｔ ｇｒｏｕｎｔｉｎｇ ｐｉｌｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｒａｉｌｗａｙ ｓｕｂｇｒａｄｅ；Ｏｂｌｉｑｕｅ ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｎｇ ｐｉｉｌｅ；Ｓｕｂｇｒａｄｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｅ （责任审编 周彦彦）
