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《石家庄铁道大学》 2018年
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深厚层强湿陷性黄土阻水+挤密桩地基处理研究

吴哲  
【摘要】:针对深厚层强湿陷性黄土区路基坡脚水分入渗而造成的路基的湿陷性变形破坏问题,本文依托宝鸡—兰州客运专线,提出了在高铁路基坡脚位置与排水沟之间设置连续高压旋喷桩阻水,结合挤密桩复合地基的设计思路。该方法可避免常规地基处理方法在深厚层強湿陷性黄土地区处理过程中出现的造价高、耗时长、难度大等弊端,控制路基坡脚水渗流导致的基底黄土湿陷变形。在不考虑黄土自身裂隙的发育和地下水位变化的前提下,对各湿陷性黄土分区降雨和土体指标进行分析和汇总,通过数值模拟的方法,得出了不同湿陷性黄土分区的入渗深度规律。通过室内模型试验和数值模拟的方法,研究了深厚层强湿陷性黄土地基、挤密桩复合地基和阻水+挤密桩复合地基三种工况下,路基坡脚降雨降水入渗过程中路基基底湿润锋面、湿润区域的发育情况和路基地基不同观测位置的沉降变化特征,得到以下结论。(1)通过室内试验得出,水泥土材料抗渗性能受龄期、水泥掺入比和起始水力坡降等因素的影响较大。水泥土材料较饱和重塑黄土抗渗能力强,渗透系数比宝兰饱和重塑黄土试样小10~(-2)~10~(-3)两个数级,在10%配合比、龄期28天时,渗透系数最小为2.23×10~(-7) cm·s~(-1),能够保证作为防渗材料的要求,造价最为经济。(2)在不考虑地下水位变动的情况下,降雨成为造成路基渗流破坏的主要因素,对各湿陷性黄土分区的降雨量和特征土体参数统计和分析,通过数值模拟得出降雨入渗影响深度最大延伸至地表下5 m的位置,饱和土层一般可达2 m以上,路基防渗阻水需着重考虑地表下5 m以内土体的处理。(3)通过室内模型试验方法,得到了深厚层强湿陷性天然黄土地基在未浸水时,存在承载力较低,根据模型相似比1:50,变形最大可达28 mm,在实际工程中无法直接作为高铁地基,需要进行地基处理才能进行使用;试验中,当天然黄土地基路基坡角发生渗漏时,由于基底无阻水约束,使得基底下土体渗流严重,湿润区域的发育剧烈,面积可达790 cm~2,湿润锋面扩散距离可达27 cm,实际基地下湿润区域面积达198.75 m~2,湿润锋面扩散距离达13.5 m。路基两侧实际的沉降变形量可达235 mm,并伴有土体有开裂情况出现,整体结构破坏严重。未浸水时,天然黄土承载力和变形条件不满足规范要求;浸水过程中,路基基底无阻水约束,湿润区域发育迅速,湿陷沉降变形量很大,在工程上无法直接使用。(4)挤密桩复合地基可以有效的提高天然黄土地基承载力,在路基坡脚未浸水时沉降量最大为4.7 mm,实际处理深度为8~10 m时,满足规范中高速铁路地基承载变形的要求。当坡脚渗水且渗流范围在挤密桩处理范围之内,阻水抗渗能力效果得到提升,基底下湿润锋面和湿润区域的发育较为缓慢,渗流时间较天然土延长;随着渗流量的增加,渗流范围的扩大,挤密桩阻水能力逐渐减弱,基底下湿润锋面前进距离和湿润区域明显增大,路基湿陷变形明显。增加挤密桩地基深度可略微抑制湿润锋面和湿润区域进一步扩散,但是沉降变形仍然很大。挤密桩复合地基在路基坡脚入渗过程中依然会发生较大湿陷变形,实际最大沉降量可达200 mm,无法满足规范中对高铁路基工后沉降小于15 mm的要求。仅通过增加挤密桩处理深度是不能的控制坡脚渗流带来的基底黄土湿陷变形的。(5)阻水+挤密桩复合地基中,在路基坡脚未浸水时满足承载力和变形控制的要求。当开始浸水时,由于阻水桩的约束使得坡脚渗流水的渗流路径发生了变化,由直接向路基基底的渗流变为经由阻水桩向路基基底入渗。随着阻水桩的处理长度的增加,渗流路径变长,试验中基底下部土体湿润锋面前进距离由27 cm减小到2 cm,实际湿润锋面位置由基底下13.5 m减小到1 m,湿润区域面积由198.75 m~2较小到1.25 m~2。湿润面积的发育得到抑制,沉降量得到控制,阻水桩处理深度达到20 m时,路基实际沉降值满足规范15 mm要求。阻水桩的处理深度增加可减小挤密桩地基处理的深度。阻水+挤密桩复合地基阻水抗渗的效果优于挤密桩复合地基。(6)通过强度折减法,对三种工况下,路基坡脚排水沟渗流和堆载沉降变形数值模拟分析得出,60 h下阻水+挤密桩复合地基控制渗流范围的变化效果明显优于天然黄土地基和挤密桩复合地基,通过设置阻水桩能够保证路基基底位置湿润锋面位置被限制在阻水桩外侧,提升路基地基防渗阻水性能,同时能够大幅减小湿陷变形而引发的路基沉降,沉降量由250mm以上减小到15mm。综合考虑防渗阻水和承载力变形控制,阻水+挤密桩复合地基可有效的提升深厚层强湿陷性黄土土体的性能,改善土体环境,保证路基地基的稳定性,保障高铁线路的运营的安全性和耐久性。宝鸡—兰州客运专线竣工一年以来,线路运行正常,工后沉降值满足规范要求。
【学位授予单位】:石家庄铁道大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU475.3;TU753.3

【参考文献】
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