石太客运专线湿陷性黄土地基处理及路基改良土施工技术

1 施工区段工程概况

1.1地形与地貌

   石家庄至太原铁路客运专线工程起自石家庄北站，途经河北省石家庄市、鹿泉市、井陉县，再经山西省盂县、寿阳县、阳曲县，止于太原站。盂县至太原地段为黄土堆积盆地，盆地内为典型的黄土地貌，冲沟发育，地形起伏较大。主要分布新黄土、老黄土，地下水为第四系孔隙水及基岩裂隙水。沿线属暖温带亚湿润气候区，受太行山海拔高度的影响，夏天酷暑，冬季寒冷，昼夜温差较大。

1.2 施工区段及主要工程量

   施工内容为DK 142+549－DK 147+100段的路基及桥涵工程。该段地处阳曲县境内，海拔高度在1 425 m左右，冲沟陡峭，以高填路堤及深路堑通过。新黄土覆盖较厚，达15 m左右，具有湿陷性，为Ⅱ级非自重湿陷场区。为保证线路的稳定、控制地基及路基工后沉降，根据该段路基地基湿陷性黄土厚度，分别采取灰土挤密桩、冲击碾压等综合措施，对湿陷性黄土进行地基加固处理，同时对原状土采取石灰改良土填筑路基。该段灰土挤密桩延长达110万m，冲击碾压区10.03万m3，挖土方42.3万m3，以挖做填（部分借土）进行路基改良土填筑59.9万m3。

2 湿陷性黄土的工程特性

2.1 黄土的结构特性

（1）黄土的颗粒组成以粉粒为主，含量可达50％以上，其中粗粒（0.01～0.05 mm）含量大于细粉粒（0.005～0.01 mm）含量。

（2）黄土的孔隙率在35％～65％之间，土中孔隙呈垂直或倾斜的管状，以垂直为主，上下贯通。孔隙内壁附有白色的碳酸钙薄膜，碳酸钙胶结对黄土起着加固的作用。

（3）由于黄土孔隙率大及垂直的节理，因此遇水后便膨胀，干燥后会收缩，经多次胀缩后，容易形成裂缝及剥落。不同类别的黄土崩解情况差别较大，新黄土浸入水中很快就崩解，老黄土则要经过一段时间才全部崩解。

2.2 黄土的物理特性

（1）黄土的抗剪强度在水平方向最大，垂直方向最小。冲积、洪冲积有水平层理关系的黄土，则正好相反，水平方向抗剪强度小，垂直方向大。

（2）黄土可分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土2类。湿陷性黄土具备黄土的一般特征，如黄色或褐色，粒度成分以粉土颗粒为主，约占50％以上，具有肉眼可见的孔隙等。另外，湿陷性黄土具有垂直大孔性、松散多孔结构，孔隙比常在1.0以上，天然剖面具有垂直节理，含碳酸盐、硫酸盐等水溶性盐较多，遇水后土颗粒间的加固凝聚力便降低或消失，从而导致沉陷。

2.3 湿陷性黄土鉴别

   湿陷性黄土的鉴别采用室内浸水压缩试验法求湿系数δs，当δs大于或等于0.015时，即为湿性黄土。

3 消除黄土湿陷性的方法与原理

3.1 消除黄土湿陷性的目的与方法

    湿陷性黄土地基处理的目的是，改善土的性质，减少土的渗水性、压缩性，控制土湿陷性发生，以保证工程质量。消除黄土湿陷性的方法有多种，主要是对路基原地表土层采取必要措施，如冲击碾压、重锤夯实、灰土（或土）挤密桩加固、换填灰土等。施工区段湿陷性黄土覆盖厚在0.8～15 m之间，处理范围广，工作量大，工期要求紧，质量要求高。

3.2 施工方案的确定

（1）目前我国对湿陷性黄土地基常用的处理方法有5种，其各自的适用范围、优点及局限性见表1。

表1 湿陷性黄土地基常用处理方法的适用范围、优点及局限性

（2）根据现场湿陷性黄土覆盖厚度，按照技术方案可行、经济适用的原则，经过比选，对湿陷性黄土覆盖厚度6～15 m的地段，采用灰土挤密桩加固地基处理措施。路堑及深沟为0.8～2 m地段采用冲击碾压加强地基处理方式，以消除黄土的湿陷性。对涵洞湿陷性黄土覆盖厚度小于2 m的基础，采用3∶7灰土换填措施，3～5 m的基础采用强夯措施，大于6 m的基础采用灰土挤密桩加固处理方法。

3.3

采用灰土挤密桩消除黄土的湿陷性

3.3.1基本原理

    湿陷性黄土属于非饱和欠压密土，孔隙较大、密度偏小是其产生湿陷性的根本原因。如果能使土的干密度和压实系数达到某一标准，即可消除其湿陷性。利用这一原理，采用灰土挤密桩加固，主要是通过机械打桩成孔时挤压土体，使桩间土横向加密，桩体内的消石灰与土体内的水发生离子交换、凝硬反应，以及石灰的炭化与结晶等一系列物理化学反应，使桩与桩周土脱水固结，共同承受荷载，以提高地基承载力，减少基础的沉降量，形成一种无湿陷性的、性能良好的复合地基。

3.3.2施工工艺

   施工区段灰土挤密桩，利用锤击将钢管打入土中侧向挤密成孔，将管拨出后，在桩孔中分层回填2∶8灰土夯实而成。灰土挤密桩的作用，一是增强原状土的密度，缩小原状土孔隙比；二是桩与桩间土组成复合地基，提高地基承载力；三是提高原状土水稳性，降低压缩性，从而极大地消除黄土湿陷性。

3.3.3 布置形式

   施工区段灰土挤密桩累计延长110万m，桩长在6～15 m之间。桩孔按等边三角形布置，桩间距为1.1 m，桩径为0.4 m，桩孔中回填2∶8灰土。

3.3.4 施工要点

（1）施工前在现场进行成孔、夯实工艺和挤密效果试验，以确定分层填料厚度、夯实后干密度等要求。施工区段灰土桩实验参数按卷扬机提升式夯实机具取样，夯锤为300 kg铸钢锤，重量300 kg，直径0.3 m，落距2 m。每层填料厚0.3 m，夯击5次，压实系数λc可达0.97～0.98。

（2）灰桩施工前先将原地面整平，预留0.2～0.30 m土层，然后进行灰土桩施工。桩管顶设桩帽，下端作成约60°锥形角，桩头可上下活动，以利空气流动，减少拨管时的阻力，避免坍孔。成孔后要及时拨出桩管，不宜在土中搁置时间过长，以免吸住钢管。

（3）当地基土的含水率小于12%或大于24%时，应及时通知设计单位予以确认。桩体使用的石灰应作含钙、镁量试验，CaO＋MgO含量应大于50%。桩体使用的土有机质含量应不超过5%。处理段地基土的含水率最好接近最佳含水率，当含水率低于12%时，应对处理范围内的土层进行增湿处理，增湿地基提前5 d完成。

（4）灰土桩施工顺序应先外排后内排，同排内应间隔1～2孔进行。成孔后应清底夯实、夯平，夯实次数不少于8击，并立即夯填灰土。

（5）桩孔要分层回填夯实，施打时，逐层以量斗定量向孔内下料。桩顶应高出设计标高0.15 m，挖土时将高出部分铲除，桩体分段完成，经检验合格后，及时采用2∶8灰土封顶。

（6）若孔底出现饱和软弱土层时，可加大成孔间距，以防由于振动而造成打好的桩孔挤塞。

3.3.5 施工质量控制

（1）对桩成孔质量的检验按桩数的5%抽查。成孔垂直度应小于1.5%，中心位移不大于桩距设计值的5%。桩孔直径及深度与设计值相同。

（2）灰土桩夯实质量采用随机抽样检查，数量不少于桩数的2%，且每台班至少应抽查1根。检查时，用洛阳铲在桩孔中心铲土，用环刀取出土样，测定干密度，每1～1.5 m取1个夯实土样，换算其压实系数，检查其是否满足要求。取桩间土进行湿陷性检验，经检测，施工标段由原状土的湿陷性系数0.025～0.03，降低到0.005～0.011。

（3）对重要或大型工程，尚应进行载荷试验。

3.4 冲击碾压消除黄土湿陷性的基本原理及实施

3.4.1 基本原理

   土体在压实过程中，压实机械所产生的应力使一定深度范围内的土体颗粒重新排列并挤密，土的密度和强度随之提高，土体渐由塑性状态变为弹塑性状态，直到弹性状态。土体只有在弹性状态下才能够承受一定荷载而不变形。很显然，加大作用于土体的冲击能量，可以增加影响深度，提高土体的密度，更容易使土体达到弹性状态。

3.4.2 冲击压实机械的特点

   冲击压实机械最显著的特点是，压实轮形状是将传统圆形轮改为非圆形（三边形、四边形或五边形），这种轮子有一系列交替排列的凸点和冲击面。在行进过程中，由配套的大功率牵引车带动“凸轮”滚动前进，冲击压实轮的凸点交替抬升与下落，从而在行驶滚动中产生集中冲击能量，并辅以滚压、揉压的综合作用，连续对土体产生碾压作用使土体达到密实，其工作原理如图1所示。

图1 冲击碾压基本工作原理

3.4.3 冲击碾压与振动碾压的区别

   冲击压路机不采用现有振动压路机压半轮或部分重叠碾压的施工方法，而是通过低频大振幅冲击压实土体，其强烈的冲击波向地下深层传播，具有地震的传播特性，压实深度随碾压遍数递增。由于冲击力向土体深层扩散分布的性状，形成了新的冲击碾压方法与施工工艺。

3.4.4 现场试验段的实施

（1）试验段确定。依据现场情况，选定DK 143+020－DK 143+120冲沟地段作为冲击碾压试验段。该段地形较为平缓，湿陷性黄土覆盖厚度在0.8～2.0 m间。

（2）采用25KJ冲击式压实机，配备三边形压实轮，以12～15 km／h速度冲击碾压。辅助设备有平地机、洒水车和光轮压路机。

（3）冲击碾压试验。对试验段路基的湿陷性黄土地基地表面冲碾20遍，冲击压实以实测沉降量的变化为主，同时进行灌砂法密实度检测，确定合理的碾压遍数。

（4）数据整理与分析。试验段共布设5个测试横断面（每20 m设1个测试断面），每断面取左、中、右3个测点。分0～5遍、6～10遍、11～15遍和16～20遍测试。分别用水准仪检测沉降量法，采用灌砂法检测干密度，采用环刀法取样在室内测定湿陷系数。检测数据见表2。

注：1.累计沉降值为5个断面，每断面3点平均值；2.压实度为每深度处3点取平均值。

（5）通过数据分析可知，土体冲碾20遍后，土的沉降量基本稳定，土的压实度及干密度等性能指标均得到很大提高，满足要求。湿陷系数由0.028降为0.003，消除了湿陷性，地表下土基1 m内平均弹性模量E达到80 MPa以上，在路基基底以下2 m内，经冲击压实，形成连续、均匀、密实的加固硬层，其技术指标已完全符合黄土地基加固的质量要求。由此可认为，采用冲击碾压法进行湿陷性黄土地基处理切实可行，能高深度压实原地基。

（6）现场组织施工。通过试验段各项参数，对该标段的深沟及路堑挖方地段的湿陷性黄土地基进行大面积冲击碾压施工。

3.4.5 施工要点及注意事项

（1）冲击碾压施工前要做好清表，范围要依据边线放样确定。

（2）冲击碾压前，记录好清表及整平后地面高程、水准点、中桩位置原始资料，以便对比用前后数据，确定冲击压实后的沉降量。

（3）为防止振动及土体侧向变形对构筑物的挤压破坏，冲击压实时，冲压机距涵洞边缘保持2 m净距。

（4）冲击碾压若干遍后，地面成波浪状，严重时会产生跳车现象，继而影响车速和冲击效果。为此，应及时进行整平处理，并视土质含水量和扬尘状态适时洒水。

（5）按要求碾压20遍后，进行分析和质量检测。冲击碾压最后5遍的沉降量不得大于1 cm，若未能达到，则继续碾压，直至达标。

（6）施工中，平地机、洒水车要配合到位，一次性处理长度要尽可能大，确保机车行驶速度，从而保证处理深度。

（7）碾压施工完成后，要用光轮压路机再次碾压、精平，进一步提高表层土的压实度。

4 石灰改良土形成机理及路基填筑施工要点

4.1 石灰改良土形成机理

（1）湿陷性黄土易崩解、易潜蚀、抗水性能差，不能满足路基填料要求。经大量试验证明，湿陷性黄土中掺入一定比例的石灰后，能显著提高湿陷性黄土路基填料的性能，达到路基填料要求。

（2）湿陷性黄土中掺入石灰后，石灰中CaO与土中SiO2、Al2O3起化学反应，生成碳酸钙、硅酸钙等化合物，这些生成物以网状薄膜分布于灰土中，并不断吸水、硬化，较强地联结着胶粒，使土体强度提高。另外，Ca(OH)2离解后的Ca2+与粘土胶体颗粒反离子层上的K+、Na+发生离子交换后，使胶体吸附层减弱，胶体颗粒发生聚结，从而使土粒之间更为接近，分子引力增加，组成一个稳定结构。

4.2 石灰改良土配合比确定

（1）结合当地黄土特点，在配合比设计时，以确保质量兼顾经济合理的原则，分别在石灰掺量为5％、7％、9％的情况下，对黄土进行改良试验。经对比分析，石灰掺量在7％时，改良土的性能指标最符合客运专线路基填筑要求。试验段选用石灰掺量为7％的配比进行黄土改良，并进行填筑试验。

（2）经击实试验，原状土最大干密度为1.87g/cm3，最优含水率为14.2％，液限为29.1％，塑限为19.7％，塑性指数为9.4，压缩模为10.5 MPa。掺量7％石灰改良土，最大干密度为1.73g/cm3，最优含水率为15.7％，液限为35.9％，塑限为23.4％，塑性指数为12.5，压缩模为20.5 MPa。由此可见，改良土各项指标均有显著提高。

4.3 石灰改良土试验段需确定的工艺参数

    石灰改良土施工须配备的机械设备有推土机、平地机、路拌机、多铧犁机、重型振动压路机。通过试验段施工，主要达到以下目的：①检验拌和、摊铺、碾压等所投入机械设备的可靠性；②混合料的组成配比能否满足质量要求；③确定过程控制措施及相关工序参数，如碾压方法、碾压遍数及速度、碾压机械类型等；④为正式施工提供标准。

4.4 现场试验段实施

4.4.1 试验段选择

   根据现场情况，选定DK 143+020－DK 143+170段作为填筑试验段。该试验段的主要工程量包括：级配碎石1 650 m3，A、B组填料7 100 m3，填筑改良土8万 m3，改良土原料从路堑挖方处调配至试验段。试验段最高填筑高度15.9 m，沉降观测点3个。完成路基试验段分层填筑并取得试验数据，为试验段及其他地段指导施工。

4.4.2 施工工艺及流程

   试验段改良土路基填筑试验段采用路拌法施工。施工流程是，清表→平整→冲击碾压基底处理→基底承载力测试→埋设沉降标桩→分层填筑→整平→碾压→检测→沉降观测。

4.4.3 施工要点

4.4.3.1 施工准备

   石灰改良土施工前，须对即将隐蔽的前道工序所要求的全部技术指标进行全面检查验收，合格并签认相关资料后，方可进行改良土施工。

4.4.3.2 备料

   根据路基各层宽度、厚度及松铺系数，计算每个施工段需要干土的数量。根据料场土的含水量和运输车容量，计算每车料的堆放间距，并据此在施工区域内划格线定位。

4.4.3.3 土料摊铺

    用推土机和平地机将土料均匀摊铺在预定的施工区域内，表面平整。摊铺完成后，如含水量低于预定要求，必须洒水闷料8 h左右，以使水分在土层内均匀分布并渗入土料颗粒内部。经计算，试验段由灰土质量比换算至体积比后，每层控制填土厚度初平后为33 cm。

4.4.3.4 石灰摊铺

   在整平后的土料表面用白灰线撒划格线，根据每格面积、土层厚度及灰土配合比，计算每格内石灰需要量。摊铺时，根据计算结果，在每个方格内卸置一定量的石灰，然后用平直的刮板将石灰均匀摊开，并铺满整个方格。经计算，试验段由灰土质量比换算至体积比后，在每层初平33 cm厚度填土层上铺消解的石灰粉厚5 cm。石灰剂量必须准确，并确保石灰原料质量。

4.4.3.5 拌和

    为保证拌和均匀，宜先用多铧犁机进行初拌，将石灰翻混在土层中间，初拌深度应控制在距下结构层顶面5 cm左右。在初拌的基础上，用路拌机再次拌和。在拌和过程中，必须设专人随时检查拌和深度，并通知路拌机操作员及时调整。拌和遍数一般在2遍以上，并最终达到拌和颜色均一、无素土夹层为宜。拌和是石灰改良土质量控制的关键工序，严禁拌和料中存在自由状态的石灰。

4.4.3.6 整型

    混合料拌制均匀后，应立即用平地机初步整型，然后在刮平后的路段上用轮胎压路机快速碾压1遍，以暴露潜在的不平整，并用齿形工具将轮迹低凹处表层下5 cm耙松，再次用平地机碾压1遍。整型后的层面应达到规定的路拱和纵坡。

4.4.3.7 闷料

    为保证施工效果，将生石灰粉与土拌制均匀并整平后，必须闷料3 h左右。生石灰与土混合后，在发生剧烈变化的同时会因消解而产生水化热，水化热加速反应的进行，能提高混合料的性能，若碾压成型过早，水化热会使结构层胀松隆起，严重影响施工质量，且造成水化热不能充分利用，降低施工效果。

4.4.3.8 碾压

    闷料结束后，须再次检测混合料的含水量。若处于最佳含水量或低于最佳含水量1%～2%时，应立即碾压。碾压时遵循由两侧向线路中心碾压原则，相邻轮幅间重叠1/3～2/3轮宽，且不得小于0.5 m。试验段用YZJ18压路机械碾压，机械走行速度控制在2 km/h以内，先静压1遍、强振2遍、弱振2遍，再静压1遍，最终达到碾压层表面无明显轮迹、满足规定的压实度标准。碾压过程中，局部出现的软弹、松散等现象，应及时翻松重新拌和并再行碾压。

4.4.3.9 养生及交通管制

   石灰改良土具有很强的缩烈性，因此，碾压完成、压实度检测合格后，应立即洒水养生，以保证结构层在适宜的环境中保持强度增长。养生期间，除洒水车外，应封闭交通，洒水车行车速度以25 km/h为宜。

5 效果及结论

    通过采取灰土挤密桩和冲击碾压施工技术，消除了施工区段湿陷性黄土的湿陷性，极大地提高了湿陷性黄土的地基承载力。石灰改良土路基填筑施工技术解决了湿陷性黄土不能填筑客运专线路基的技术问题，保证了路基填筑质量。通过上述施工技术的综合应用，加快了工程施工进度，并达到设计和施工要求，确保主体工程的安全稳定，取得明显施工技术效果，同时也取得了较好的经济效益，为今后客运专线湿陷黄土综合处理积累了宝贵经验。