高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究.pdf
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1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究王定顺1,赵文辉1,石旭东1,张金瑞2,杨有海1,张延杰1(1.兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070;2.中铁七局集团有限公司,河南 郑州 450000)摘要:高压旋喷桩在湿软黄土地基加固时效果良好,施工方便,适用于黄土地区既有路基帮宽工程地基处理,但其施工过程中会产生挤土效应,影响既有线路的运营安全。以某在建高速铁路引入既有城际铁路工程为依
2、托,结合挤土试验和实测数据,探究高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响规律。结果表明,对于单桩挤土试验,高压旋喷桩挤土效应与桩周土体距桩心距离呈负相关变化,距离桩心越近,挤土效应越明显。高压旋喷桩沿竖向挤土效应与土层位置、土层压缩系数和湿密度等相关,沿桩深度方向周围土体侧向位移变化在埋深05 m范围最为显著。高压旋喷桩施工后,周围土体会出现回缩现象,现场测试各测斜孔回缩值在02 mm之间。多桩施工时,高压旋喷桩周围土体会产生位移累积效应,挤土试验中所选4根桩全部施工完成后,距桩心2 m位置处的测斜孔,其侧向位移在埋深02 m范围达8 mm以上。既有路基变形实测发现,应力释放孔和高压旋喷桩施工时可
3、导致既有路基上拱或沉降,既有路基监测点最大累计上拱量5.95 mm,最大累计沉降量7.13 mm。通过采取在既有路基坡脚设置应力释放孔、高压旋喷桩由内向外施工并严格控制高压旋喷桩施工参数的措施,可保证既有线路基稳定。关键词:路基帮宽;高压旋喷桩;挤土效应;现场监测;变形研究中图分类号:TU472.99 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)07-2500-09Influence of high pressure jet grouting pile construction on deformation of existing railwa
4、y subgradeWANG Dingshun1,ZHAO Wenhui1,SHI Xudong1,ZHANG Jinrui2,YANG Youhai1,ZHANG Yanjie1(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.China Railway Seventh Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China)Abstract:The high pressure jet grouting pile has good effect and con
5、venient construction in the reinforcement of wet and soft loess foundation,which is suitable for the foundation treatment of existing subgrade widening engineering in loess area.However,the compaction effect will occur during the construction process,which affects the operation safety of existing li
6、nes.Based on the existing intercity railway project introduced by a high-收稿日期:2022-06-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(51868038);甘肃省青年科技基金资助项目(21JR1RRA249);兰州交通大学青年科学基金资助项目(2019026)通信作者:赵文辉(1989),男,河南商丘人,副教授,博士,从事岩土工程与路基工程研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221300第 7 期王定顺,等:高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究speed railway u
7、nder construction,combined with soil compaction test and measured data,the influence of high pressure jet grouting pile construction on the deformation of existing railway subgrade was explored.The results show that the soil squeezing effect of high-pressure rotary jet grouting pile is negatively co
8、rrelated with the distance between the soil around the pile and the pile center for the single pile compaction tests The closer the distance to the pile center,the more obvious the soil squeezing effect.The lateral displacement variation of soil around the pile depth is the most obvious in the depth
9、 range of 05 m from the ground,which is related to soil position,soil compressibility coefficient,wet density and etc.After the construction of high pressure jet grouting pile,the surrounding soil experienced retraction,and the retraction value of each inclined hole was between 02 mm.During multi-pi
10、le construction,the soil around the high-pressure jet grouting pile experiences displacement accumulation effect.After the completion of the four selected piles in the soil compaction tests,the lateral displacement of the inclinometer hole at 2 m away from the pile center can reach more than 8 mm in
11、 the depth range of 02 m from the ground.The deformation measurement of the existing subgrade widening shows that the construction of stress release hole and high pressure jet grouting pile can lead to existing subgrade arch or settlement,existing subgrade monitoring points maximum cumulative arch 5
12、.95 mm,maximum cumulative settlement 7.13 mm.The stability of existing roadbed can be ensured by setting stress releasing hole at the foot of existing roadbed,constructing high pressure jet grouting pile from inside to outside and strictly controlling construction parameters of high pressure jet gro
13、uting pile.Key words:roadbed width;high-pressure rotating pile;squeezing effect;field monitoring;deformation study 交通乃兴国之要、富民之基,交通强国,铁路先行。伴随着我国向交通强国大步迈进,高速铁路网和城际铁路网不断加密,高速铁路、城际铁路相互接入,出现了各种地质条件下的路基帮宽工程,而帮宽路基复合地基在施工过程中会对既有线路产生一定扰动,影响既有线运营安全1。高压旋喷桩出现于20世纪70年代,其在成桩时,浆液通过高压旋喷切割土体,与土体形成固结体,从而达到加固地基的目的,现已广
14、泛应用于湿陷性黄土地基的加固26。赖金星等7采用现场监测和数值模拟的方法,对高压旋喷桩加固黄土隧道地基进行了研究,结果表明其加固效果良好。冯帅8通过斜向旋喷桩加固黄土地基模型试验,得出在不同角度旋喷桩加固下的复合地基承载力均明显高于天然地基的结论。杨晓华等9系统分析了黄土地区各类地基加固方式,其中高压旋喷桩加固黄土地基时,能够起到加固补强的良好效果。高压旋喷桩属于挤土桩,在施工过程中,会对周围土体产生挤土效应,当既有铁路帮宽段采用高压旋喷桩处理地基时,既有路基会产生不同程度的变形1012。廖进星13结合张吉怀铁路联络线引入沪昆场工程,通过数值计算软件分析了高压旋喷桩加固帮宽地基对既有路基的影响
15、,并进行了帮宽段路基风险评估。白逢义等14将高压旋喷施工时的路基隆起监测结果和注水试验进行了对比分析,研究了高压旋喷注浆时路基隆起的原因。邓开鸿15以离散元(DEM)模型为基础,从微观层面研究了高压旋喷桩施工时周围土颗粒的应力传递特性和运动规律。毛祖夏等16对比了双管高压旋喷桩法与MJS工法的现场挤土试验结果,总结了2种方法挤土效应的差异。李世鑫等17以室内模型试验为基础,研究了高压旋喷桩施工时对邻近铁路桥墩的影响。吕若冰等18根据高压旋喷桩处理软基的现场实测数据,研究了注浆压力对公路路基隆起变形的影响规律。综上所述,黄土地区高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形的影响研究较少。基于此,本文以黄土地
16、区某高速铁路引入既有城际铁路工程为依托,首先通过现场挤土试验分析高压旋喷桩施工对周围土体的影响规律及程度,然后结合工程实测数据,研究高压旋喷桩对既有路基变形的影响规律。该研究保障了工程的顺利施工,且可为类似工程设计、施工提供一定参考,尤其可为黄2501铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月土地区帮宽工程提供一定经验。1 工程概况某新建高速铁路设计时速250 km/h,正线数目为双线,铁路等级为客运专线,新建铁路在既有城际铁路K47+986K49+181段,以路基帮宽的形式引入,工点全长1 195 m,试验工点典型断面见图1。根据工程勘测结果,工点范围内自上而下地层分布及物理力学参
17、数见表1,土层特征为:1)422砂质黄土:浅黄色,土质均匀,可见针孔大虫孔和孔隙,层厚2.54.5 m。2)423砂质黄土:浅黄色,土质均匀,可见针孔大虫孔和孔隙,层厚7.312.4 m。3)933砾砂:浅黄色,成份主要为长石、石英,层厚07.2 m。4)103 3细圆砾土:杂色,成分主要为砂岩,层厚02.8 m。5)42泥岩夹砂岩:棕红色,层状构造,泥质结构,成份主要为黏土矿物。既有城际铁路地基采用双向水泥土搅拌桩进行加固处理,桩径、桩距和桩长分别为0.5,1.3和12 m,三角形布设,面积置换率 m=13.4%,加固后复合地基设计承载力特征值fspk=152 kPa,并在搅拌桩桩顶铺设0.
18、5 m厚中间夹80 kN/m双向土工格栅的碎石垫层。路堤部分基床以下填筑渗水土,基床底层填筑掺 4%水泥的改良土 1.9 m,基床表层填筑级配碎石0.6 m。结合现场工艺试验及设计规范,帮宽段地基采用高压旋喷桩进行加固处理,高压旋喷桩施工参数见表2。桩径、桩距和桩长分别为0.5,1.4和1116 m,正方形布设,面积置换率m=10%,高压旋喷桩无侧限抗压设计强度3 MPa,加固后复合地基设计承载力特征值fspk=155 kPa,并在高压旋喷桩桩顶铺设0.6 m厚中间夹100 kN/m双向土工格栅的碎石垫层。高压旋喷桩处理地基范围距既有城单位:m图1典型断面图Fig.1Typical secti
19、on diagram表1 上、下行帮宽段地层分布及物理力学参数Table 1 Stratigraphic distribution and physical and mechanical parameters of wide section of upper and lower reach土层名称422砂质黄土423砂质黄土933砾砂1033细圆砾土上行段层厚/m2.62.98.710.31.62.51.21.9含水率/%15.624.623.529.325.630.625.130.7下行段层厚/m2.52.79.011.52.13.21.02.2含水率/%17.733.631.237.328
20、.636.729.736.5泊松比0.320.320.310.33黏聚力/kPa14.918.39.113.9内摩擦角/()20.621.222.723.52502第 7 期王定顺,等:高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究际铁路坡脚2 m,沿高压旋喷桩处理边缘设置孔径0.5 m应力释放孔一排,纵向间距1.2 m,孔深和高压旋喷桩相同,孔内填满碎石并用三七灰土封闭孔口。2 试验与测试方案2.1高压旋喷桩挤土试验为研究高压旋喷桩施工时对桩周土体的影响及程度,在既有城际铁路上行侧帮宽段典型断面位置开展挤土试验。在试验前,首先在典型断面位置进行地质勘测,地质状况见图1,并通过室内试验测定典型断面处
21、土体压缩系数和湿密度随土层深度的变化,结果如图2所示。在埋深03 m范围,压缩系数大于0.5 MPa1,为高压缩性土;在埋深35 m范围,压缩系数在0.4 MPa1附近,为中等压缩性土;在埋深大于5 m的土层,压缩性明显小于埋深在5 m内的土层。湿密度介于1.581.83 g/cm3之间,且随地层深度变深不断增加。现场共选取 4 根高压旋喷桩开展试验,编号1X4X;布设 7 个测斜孔,编号 1C7C。高压旋喷桩施工前以 1X 桩心放样点为基准点,在距其 45,65,85,105 和 125 cm 处布设 1C5C 测斜孔;在 1X 桩心位置垂直于既有路基坡脚方向布设 6C,6C距既有城际铁路坡
22、脚线 1.6 m;在距6C位置70 cm竖直方向上布设7C,测斜孔现场布设关系见图 3。1C5C 孔内测斜管导槽对准 1X桩心位置,分析单桩施工时的影响;6C7C 孔内测斜管导槽方向垂直于坡脚线,在分析单桩施工影响的基础上,对 6C 进行多桩施工条件下影响分析。高压旋喷桩施工顺序为1X先施工,间隔24 h后2X施工,再间隔8 h后3X施工,3X完成后直接进行4X施工。现场共进行4次测试,测试时间分别为1X完成后第1次测试,2X施工前第2次测试,2X完成后第3次测试,4X完成后第4次测试。现场布设和测试如图4所示。2.2既有路基变形监测方案如图5所示,物位计测点布置在既有线道砟坡脚 位 置,现
23、场 布 置 时 物 位 计 固 定 在 300 mm300 mm5 mm的沉降板上,沿线路纵向每50 m布置一个,数据采集系统自动采集位移变化,超出设定的安全预警值10 mm将自动提醒。表2高压旋喷桩施工参数Table 2Construction parameters of high pressure jet grouting pile喷浆压力/MPa25转速/(rmin1)20喷射流量/(Lmin1)56.6提升速度/(cmmin1)25水灰比1 1(a)压缩系数;(b)湿密度图2典型断面处土体压缩系数和湿密度随深度的变化Fig.2Variation of soil compression
24、coefficient and wet density with depth at typical section2503铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月选取上下行线典型监测区间进行分析,上行侧帮宽段有6排高压旋喷桩,桩长13 m,区间内布设物位计测点 4 个,编号 Y1Y4,监测长度200 m;下行侧帮宽段有 5 排高压旋喷桩,桩长13 m,区间内布设物位计测点3个,编号Z1Z3,监测长度150 m。高压旋喷桩现场施工顺序如图6所示,应力释放孔优先于高压旋喷桩施工23排,高压旋喷桩先从里侧(应力释放孔旁)向外侧进行第1 列施工,完成后按同样顺序依次进行其余各列施工。(a)
25、帮宽地基;(b)物位计测点;(c)物位计平面布置图图5现场帮宽地基处理及物位计图Fig.5Site widening foundation treatment and level meter(a)现场布设;(b)现场测试图4现场布设和测试图Fig.4Field layout and test chart单位:cm图3测斜孔布设关系图Fig.3Inclined hole layout diagram2504第 7 期王定顺,等:高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究3 测试及监测结果与分析3.1挤土试验测试结果分析3.1.1单桩挤土试验数据分析图7为第1次测试侧向位移变化结果,分析可知,沿桩径
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