刘新国
中铁武汉勘察设计研究院有限公司 湖北武汉 430074
【摘 要】地基软土的存在是路基不稳定的主要因素，对软土地基的处理是保证路基工程质量和铁路行车安全的重要工作之一。由于许多道路病害是由软土地基失稳原因引起的，因此必须采取相应的工程技术措施，有针对性的对软土地基进行处理。就普速铁路而言，目前软土地基处理的方法有很多，主要有换填法、排水固结法、化学固结法以及深层密实法等几大类型，其中每一类型又有若干种具体的应用方法，实际应用时应综合考虑软土地基地质特征、工程的适宜性、费效比和工程设计寿命等因数，选取最合适的处理方式，以达到工程经济、实用、可靠的目的。本文通过中化泉州铁路专用线工程设计和施工的实例，介绍了软基处理方法之一强夯碎石置换法（强夯碎石墩）在铁路工程设计和施工中的实际应用情况，仅此作为同行研究此类问题的浅显参考。
【关键词】路基、软土地基、强夯碎石置换处理、特点、方法
一、路基及软土地基特性
铁路路基是支撑铁路轨道、保证行车安全的基础，必须具有一定的强度和良好的稳定性，而坚实的地基则是路基保持永久稳定性的前提条件。由于铁路路基是呈带状的线性结构物，所经过的地区地质状况纷繁不一，良莠不齐，造成一条线路在设计时要花费大量的精力去研究解决对路基的基础进行处理等问题，而其中对软土地基的处理是重中之重。软土地基的特征主要是地层含水量大（含水率一般为40%～70%）、黏土和粉土等细微颗粒含量多、土体孔隙大（孔隙比﹥1.0）、有机质含量高，地基承载力低、受力后易变形等，软土地基处理不当会引起路基不均匀沉降、位移、失稳、倾斜、塌陷等诸多病害，最终会影响铁路行车安全，缩短使用寿命。
二、软土地基常用的处理方法
工程上常用的软土地基处理方法主要有深层密实法、换填垫层法、排水固结法、化学加固法、加固路基法等几大类，如何选择具体实用的处理方法，应根据《铁路工程地基处理技术规程TB10106-2010》的规定，综合考虑场地地质条件、铁路等级、轨道类型、荷载大小、环境及工期等因数合理确定。本文主要以工程的实例探讨强夯碎石置换法在软土地基处理方面的设计和施工方法。
三、强夯碎石置换处理应用实例
1.工程概况
中化泉州石化铁路专用线位于福建省泉州市惠安县，设计为两站（辋川站、石化站）一区间，其中在石化站设到发场，设计到发线5条，铺轨长度约5.2Km。到发场所处的位置位于湄洲湾南岸海堤内，原址为滨海滩涂、盐场，中化集团在此选址后开始填海造地，用于1200万吨/年炼油项目建设，我院负责其配套的铁路专用线的EPC总承包业务。
2．工程地质概况
项目实施区位于湄洲湾南岸，区内原始地貌为冲海积平原，软土及砂土层厚约5.5m,其上为人工填海造地，填土厚度约5m，其中软土和砂土是全线主要的特殊岩土，也是本工程最需要解决的工程地质问题。
2.1人工填土
根据现场调查和勘探结果，到发场设计范围内表层填土成分为砂土、黏性土和碎石，多为山体爆破开挖的混合料，填筑厚度平均约5m，其中含有强～中风化程度的花岗岩碎石，直径以0.2m～0.5m居多，少量超过1m，含量在35%～45%之间，分布松散且不均匀，密集处达70%以上。
2.2软土
到发场所处的区域内，由陆向海方向存在厚约2.5～5.5m的淤泥和淤泥质粉质粘土软土层，人工回填前，表面存有深度约0.5m～2m的海水。根据地质资料和物探取样分析，该地段地质特征具有天然含水量高、透水性差、孔隙比大、压缩性较高、流变性强、抗剪强度低等特点，地质状况不能满足换填、打桩等快速施工的条件。为确保专用线对路基稳定性的要求，必须对该地段地基进行加固处理，这是本工程首要解决的问题。
物探揭示土力学指标见下表。
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2.3 砂土液化
除上述不利地质条件外，到发场地层中大范围分布有细砂层<3>，该地区抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.15g，因此在设计上还要考虑砂土液化对地基处理的影响。
地层状态见下图:
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地质剖面图1 地质剖面图2
3. 软基处理方案的选择
铁路路基设计规范规定:“路基工程作为土工结构物，必须具有足够的强度、稳定性和耐久性，使之能抵抗各种自然因素作用的影响”，为满足此项规定，必须对到发场的软土地基进行处理。如前所述，到发场所处的区域内为滨海滩涂，存在较厚的淤泥和淤泥质土，其上又覆盖有约5m厚的人工回填土，含碎石、块石较多，且比较松散，对于这种地质情况究竟应采取何种处理方法呢？在上述的几类处理方法中，排水固结法虽然可用，但必须与其它区域的工程地基处理同时进行，小范围的排水不仅效果不好,而且排水固结的时间很长，工期不允许；化学固结法在施工中多要用到搅拌桩、旋喷桩或粉喷桩，但现场的回填料块石含量太大，机械无法正常施工；爆破挤密法因爆破产生的震动会对附近的炼油装置造成不利影响，且不安全，因此不适用；换填法须进行大面积、大深度的开挖、回填，不仅时间不允许而且经济上也不划算，最后经过综合比选决定采用强夯置换法（或称强夯碎石墩法，属深层密实法的一种）组织设计和施工。该方案符合《铁路工程地基处理技术规程TB10106-2010》关于“强夯置换适用于高饱和度的粉土和软塑～流塑的黏性土等地基处理”的规定。
4.强夯置换设计要求
4.1地基承载力。强夯碎石置换地基处理属于柔性基础，碎石墩成墩后其墩顶属路基基床底层，根据《铁路工程地基处理技术规程》（TB10106-2010）的相关规定和本工程地质勘察揭示的数据，经检算，其复合地基承载力应不小于150kpa。
4.2稳定性要求。本工程的到发场轨道为有砟道床，路堤填高小于基床厚度，但施工区域地质存在砂土液化的可能，因此，为确保强夯处理后的地基能够满足路堤稳定性的要求，并根据《铁路工程地基处理技术规程》（TB10106-2010）和《铁路工程抗震设计规范》的相关规定，在路基稳定性设计时，选择施工期稳定安全系数不小于1.10，运营期稳定安全系数不小于1.20的保底设计方案。
4.3工后沉降要求。本工程到发场设计行车速度虽然小于45km/h,但由于原始地基为松软地基，承载力满足不了正常行车要求，因此必须进行软基处理，经过处理后的地基，应满足地基承载力不小于150kpa，路基工后沉降量不大于30cm和年沉降速率不大于8cm的要求。
4.4 强夯碎石置换的夯击深度应穿透软土层，到达硬土层上。
4.5强夯置换的夯击能应根据现场试验校验。
4.6强夯置换的材料应选用级配良好、坚硬的块石、碎石，以粒径不大于300mm的为宜。
4.7强夯置换夯点的夯击次数应通过现场试夯确定，且应同时符合下列要求：
1)强夯置换碎石墩墩长应不小于设计加固的深度（5.5～10.7m）,且墩底须穿透软弱土层。
2)累计夯沉量为设计墩长的1.5～2.0倍。
3)最后两击的平均夯沉量应不大于200mm。
5设计试验参数
5.1设计夯能：每个点夯最大夯能 8000kN?m，加固夯夯能3000KN.m，满夯2000KN.m。
5.2填料要求: 选购当地级配良好、坚硬的开山石料，粒径300mm～500mm，含土量不大于5%。
5.3夯点间距：按3.5m×3.5m正三角形状布置（见下图）；
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墩距及布置型图
5.4 夯击遍数：按照夯点的布置，每个夯点夯击两遍。第一遍点夯，采用8000kN?m能级夯一遍；第二遍加固夯，采用3000kN?m能级夯一遍，每次夯击后的填料用量一般不超过夯坑深度的2/3。
5.5 停夯标准：以8000kN?m能级点夯时，最后两夯的平均夯沉量不大于200mm时停锤；以3000kN?m能级加固夯时，最后两击的平均夯沉量不大于50mm时停锤。
5.6 满夯（平夯）：采用2000KN?m能级平锤，沿设计红线内进行满夯，每一夯点两击，夯印要求连续搭接，搭接面积不小于1/3。
5.7试验检测：满夯完成28天后开始检测，经强夯置换加固的地基承载力特征值不小于150kPa。
5.8试验过程中应控制夯击时对周边建筑和结构物的震动影响。
6. 夯击置换试验
6.1 试验目的
《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）规定：“强夯和强夯置换施工前，应在施工现场有代表性的场地选取一个或几个试验区，进行试夯或试验性施工。”根据这一要求，本次设计选择2个试验区，即试验一区和试验二区进行试夯或试验性施工，以图通过试夯获得的数据检验和修正设计效果，为后期的正式施工提供可靠依据。
6.2试夯机具要求
强夯机：选用CGE1800B-Ⅱ型强夯机
夯锤：单点夯和加固夯采用直径1.2m柱锤（锤重340.3kN）；满夯（平夯）采用直径3.0m平锤（锤重202.4 kN）。
7.试夯情况
7.1单点试夯情况
1)试验一区8000kN.m能级单点夯试夯情况：
试验点编号为SH1-002，从地表监测点沉降数据来看，开始两击隆起不明显，最大隆起量仅为2cm，随着夯填数量的增加，地面隆起逐渐明显，最大隆起量达到20cm。此点共夯了16击，中间加料4次，累计夯沉量14.09米，最后两击平均夯沉量为18.0cm。
锤击数与沉量关系见下图。
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2)试验二区8000kN.m能级单点试夯情况：
试验点编号为SH2-010，从地表监测点沉降数据来看，开始两击隆起不明显，最大隆起量仅为5cm，随着夯填数量的增加，地面隆起逐渐明显，最大隆起量达到30cm。此点共夯了20击，中间加料5次，累计夯沉量19.83米，最后两击平均夯沉量为11.0cm。锤击数与夯沉量关系见下图。
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试夯二区单点夯夯沉量与击数的关系
7.2群夯试夯情况
1) 试验一区
试验一区群夯选取10个夯点，采用8000kN.m能级，每点夯击数为13～16击不等，最后两击平均夯沉量均不大于20cm，各夯点试夯情况见下表。
试验一区群夯试夯统计表
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试验一区（8000kN.m）群夯夯沉量与击数的关系见下图。
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2) 试验二区
试验二区群夯，选取10个夯点，采用8000kN.m能级夯击，每点夯击数为13～20击不等，最后两击平均夯沉量均不大于20cm，各夯点试夯情况见下表。
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试验二区群夯夯沉量与击数的关系见下图。
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7.3试夯石料用量
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8. 检测结果
根据第三方试验检测单位提供的《重型动力触探检测报告》和《复合地基检验报告》，本次试夯的结论如下：
（1）试验一区：有效加固深度≥9.5m，强夯碎石墩穿过填土（1-2层）、细砂（3层），进入持力层，满足设计要求；
（2）试验二区：有效加固深度≥10.7m，强夯碎石墩穿过填土（1-2层）、淤泥（2层）及细砂（3层），进入持力层，满足设计要求；
（3）经任意选取的到发场区域SH1-001、SH1-002、SH1-003、SH1-004、SH1-005、SH1-006测点的复合地基极限承载力均大于等于300kN/m2，复合地基承载力特征值均大于等于150kN/m2。
9.结论
（1）本次试验选择的二个试验区，地质条件有所不同，经单点夯（8000kN.m）、加固夯（3000kN.m）和满夯（2000KN.m）处理后，承载力得到明显改善，所用的夯填材料料源充足易购，施工工艺简单，费效比较高，处理效果较为理想。
（2）施工过程中，出现了轻微的吸锤和微弱的地表隆起现象，但均不明显，完全在可控范围之中，未对试验结果造成明显影响。
（3）试验结果表明，每遍强夯的间隔期和夯实后的固结期，对强夯处理效果有重要影响，采用该工艺处理后的地基随着应力的消散加固效果会进一步提高。
（4）采用强夯碎石置换工艺处理后的地基不受海水腐蚀性的影响，在本试验区尤为适用。
（5）经第三方检测，强夯有效加固深度及承载力指标均满足设计要求，试验区夯实效果较为理想，设计参数可以用于工程实际施工。
【参考文献】
[1] 《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106-2010)
[2] 《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111-2006）
[3] 《铁路路基设计规范》（TB10001-2005）
[4]《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB 50021-2001）
[5]福州建通工程试验检测有限公司《中化泉州1200万吨/年炼油项目铁路专用线路基工程复合地基检测报告》
[6]福州建通工程试验检测有限公司《中化泉州1200万吨/年炼油项目铁路专用线地基处理试验区重型动力触探检测报告》