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【摘要】本文通过对湿陷性黄土的湿陷机理分析、灰土挤密桩的挤密作用及原理分析，阐述了湿陷性黄土在重载条件下铁路路基地基采用灰土挤密桩技术处理，其基底能达到设计所要求的理想效果，为今后在类似工程设计和施工中提供借鉴经验
【关键词】 重载铁路湿陷性黄土灰土挤密桩地基处理
中图分类号：U213.1+4文献标识码：A
1、工程概况
神华准池铁路目前是我国第一条一次性建成标准最高的重载双线铁路项目，设计最大中轴重为25T，牵引质量为20000T，线路全长179.862km。其中ZCZQ-6标位于山西朔州平鲁境内，线路长度为17.057km，起讫里程为DK95+185~DK112+242，主要有正线桥梁17座5215.61延米、隧道1座2315延米、涵洞12座465.18横延米、路基9526.36米。
线路自北向南穿越黄土塬、卯缓坡地带，线路工程地质条件复杂，大部分为II级自重湿陷性黄土。管段内特殊地基湿陷性黄土路基基底处理，设计采用灰土挤密桩施工，总桩长为120万米。
2、湿陷性黄土湿陷机理
湿陷性黄土以粉土颗粒为主，呈松散多孔结构状态，孔隙比较大，常在1.0以上，它具有直立、膨胀、崩解、难压实和受含水量影响较大的特点。
湿陷性黄土的湿陷性是由其内因和外因共同作用的结果，内在因素是它的垂直大孔性、松散多孔结构和遇水即降低或消失土颗粒间的加固凝聚力；外部条件是土体的外部压力及水，水一方面溶解黄土中的可溶盐，另一方面在微粒间起到润滑作用，从而使黄土在自重作用下发生位移。使黄土产生湿陷的临界压力叫湿陷起始压力，不同的黄土其湿陷起始压力也不同。当土的湿陷起始压力小于上覆土的饱和自重时，则该土层在上覆土层自重压力的作用下受水即可发生湿陷称为自重湿陷性黄土；如果土的湿陷起始压力大于上覆的饱和自重，则土层在上覆土层自重压力作用下并不发生湿陷，而在附加压力与上覆土自重之和大于湿陷起始压力时，土层受水才发生湿陷称为非自重湿陷性黄土。
黄土湿陷性根据湿陷系数公式δs=（hp-hp/）/h0的计算值来判定，当δs＜0.015时判定为非湿陷性；当δs≥0.015时判定为湿陷性黄土，其湿陷等级共分为三级：当地基计算湿陷量0.05＜δs≤0.15时为I级湿陷性（轻微）；当0.15＜δs≤0.35时为II级湿陷性（中等）；当δs≥0.35时为III级湿陷性（强烈）。
3、灰土挤密桩的作用及原理
3.1、侧向挤密作用
灰土桩振动沉管成孔时，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高。桩间土体挤密是在相邻桩孔挤密交界处挤密效果相互叠加，使桩间土中心部位的干密度增大，且桩间土的密实度变得均匀，桩距越近，叠加效果越显著。
土的天然含水量和干密度对挤密效果影响较大，当含水量接近最优含水量时， 土呈塑性状态，挤密效果最佳。当含水量偏低，土呈坚硬状态时，有效挤密区变小。当含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，土体难以挤密，且孔壁附近土的强度因受扰动而降低，拔管时容易出现缩颈等情况。
3.2、灰土加固原理
灰土桩是用生石灰消解后与土按一定体积比例(3:7)拌制而成，在桩孔内通过夯机夯实后形成的一种柔性桩，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，产生化学反应，形成凝聚胶体物质，即灰土中的Ca(OH)2与土中的CO2作用生成碳酸钙Ca(OH)2+CO2→CaCO3，Ca(OH)2与土中的SiO32-作用形成偏硅酸钙Ca(OH)2+SiO2→CaSiO3，并随灰土龄期增长，桩体固化作用不断提高，使桩体强度逐渐增加，从而提高地基承载力。
3.3、桩体作用
在灰土桩挤密地基中，由于灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形模量，荷载向桩上产生应力集中，从而降低了基础底面以下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。同时灰土桩对桩间土能起側向约束作用， 限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压密作用。
4、灰土挤密桩施工
4.1、灰土桩设计及施工参数
灰土挤密桩参数包括：承载力、桩孔直径、桩孔深度、处理宽度、桩孔的平面布置、桩距、填料等。
湿陷性等级为I、II级的非自重湿陷性黄土，基底采用重型碾压或冲击碾压处理；II、III级自重湿陷性黄土地段，处理深度小于3m时采用强夯或冲击碾压处理；临近建筑物或桥头50m范围内不宜采用强夯处理；大于3m时采用灰土挤密桩处理。处理后复合地基承载力要求不小于150kpa，地基处理宽度范围路堤为坡脚外2m，路堑为整个路堑开挖面；挤密桩灰土体积比为3：7，压实系数λc≥0.97，桩径为0.3m，桩间距0.8m，桩顶层设0.3m厚二八灰土垫层夹一层TGDG120单向高强土工格栅，详见下图。
灰土挤密桩地基的效果与桩间距的大小关系极大。桩距太大，桩间土的挤密效果不好；桩距太小，桩数增加太多而不经济，同时成孔时地面隆起，桩管打不下去，给施工造成极大的困难。挤密桩按正三角形布置时在挤密后其面积减少正好等于半个圆面积，而减少了的面积土进入桩间土，因此桩间土的干密度因桩孔内土的挤入而增大，从而实现桩间土的侧向挤密作用，桩间距L按照公式计算确定
排距h=0.866L
式中d—桩直径mm
L—桩孔间距mm
—地基挤密后桩间土的平均压实系数；一般取0.93
ρdmax—桩间土最大干密度KN/m3
—地基挤密前各层土的平均干容重KN/m3
4.2、灰土挤密桩施工工艺
灰土挤密桩施工采用振动沉管法成孔，它是利用柴油沉桩机将带有通气桩尖的钢制桩管沉入土中的设计深度，然后慢慢拔出桩管，形成桩孔。
沉桩机械为1.8T导杆式柴油桩锤，由W1001履带式起重机带动行走、就位和起吊桩锤，沉管直径为40cm，以保证设计要求，桩孔夯填采用专用偏心轮夹杆式夯实机，夯锤为梨形锤，锤重0.11T，锤径28cm，填料采用三七灰土。
4.2.1、施工工艺
（1）施工准备：将土和石灰运至拌和场，对生石灰提前进行消解。测定土和石灰的含水量，确保拌和后石灰土的含水接近最佳含水量。
（2）沉桩机械准确定位，并检测导杆的垂直度，再进行沉桩施工，施工桩长比设计超深20~30cm。桩机就位要求平稳准确，桩管与桩孔中心相互对中，在施工过程中桩架不应发生移位或倾斜。
（3）桩管沉至设计深度后应及时拔出，以免在土中搁置过久增大拔管阻力。成孔后夯实机就位，向孔内填已拌和好的三七灰土并夯填密实。夹杆式夯实机锤径28㎝，落距50～60㎝，每分钟夯击次数为42～45次。
（4）拔管成孔后由专人检查桩孔的质量，观测孔径、孔深及垂直度是否符合要求并做好记录。
（5）成桩结束后7~14d后对桩身及桩间土的密实度、承载力和桩间土的湿陷系数进行检测。
施工工艺流程详见下图：
4.3、灰土挤密施工注意事项
（1）施工前，在现场选择有代表性的地段进行工艺性试验，并取得相应的工艺参数，当成桩质量满足设计要求后方可进行后续工程施工。
（2）施工前应对地下水位、地基土的含水量、饱和度进行复核。含水量控制在12%~24%，饱和度不大于65%，当地基含水量低于12%时，在地基处理前4~6d完成增湿，用水量按照公式Q=vρd(ωop-ω)k计算；当地基含水量高于24%时应进行翻晒等处理。
（3）灰土挤密桩成孔挤密应间隔分批进行，间隔1~2孔，整片处理时施工顺序从里向外进行，局部处理宜从外向里进行。
（4）挤密桩填料应采用机械拌合且随拌随用，确保灰土的最佳含水量，现场检验“用手握成团，落地开花”。施工现场灰土应有相应的防雨、防冻和防晒措施。
（5）桩孔内填料应分层回填并夯实，回填前应对桩底进行夯实处理，桩体夯填高度应高出桩顶设计高程20~30cm。
（6）路基防排水采用综合排水设施，遵循拦截、分散、防冲、防渗和远接远送的原则，防止地表水浸入路基。
5、灰土挤密桩质量控制及检测
灰土的原材料是土料和石灰。土料采用就地挖出的粘性土及塑性指数大于4的粉土，有机质含量不得超过5%，土料应过筛，其颗粒不应大于15mm；石灰采用III级以上新鲜的块灰，使用前1~2d消解过筛，其颗粒不应大于5mm，不得夹有未熟化的生石灰块粒及其他杂质，也不得含有过多水分。
挤密桩布置形式、数量、长度符合设计要求，桩位允许偏差为50mm，桩孔的垂直度偏差不宜大于1.5%。
灰土桩施工结束7~14d后，采用重型动力触探、钻机取样对桩身及桩间土密实度、复合地基承载力和桩间土的湿陷系数进行检测，检测频率不应少于桩孔总数的2‰且不少于3根。桩体的压实系数λc≥0.97，桩间土平均挤密系数不应小于0.93，濕陷系数应小于0.015，复合地基承载力不小于150kpa。
6、结束语
灰土挤密桩通过侧向挤密作用，可达到所要求加密处理后的最大干密度，消除了地基土的湿陷性，提高了地基的承载力，降低了压缩性，增强了水稳性和控制地基的沉降变形；挤密桩处理深度较大，可达12-15m；可就地取材，应用廉价材料达到“以土制土”，降低工程造价；施工机具简单，施工工艺方便，功效高。
消除湿陷性是靠挤密来实现的，它主要取决于施工工艺、桩径和桩距，而与填料的关系不大。
通过灰土挤密桩处理后路基工后沉降满足设计一般地段不应大于20cm，路桥过渡段不应大于10cm，沉降速率不应大于5cm/年的要求。
参考文献
1. 铁路工程地基处理技术规程 TB10106-2010
2.《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2002
3.《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004
4. 许建建 灰土挤密桩在处理深厚湿陷性黄土地基中的应用 三门峡职业技术学院学报2011年9月 第3期
5. 霍航鹰湿陷性黄土路基处理设计浅析辽宁交通科技2003年6月第3期
【关键词】 重载铁路湿陷性黄土灰土挤密桩地基处理
中图分类号：U213.1+4文献标识码：A
1、工程概况
神华准池铁路目前是我国第一条一次性建成标准最高的重载双线铁路项目，设计最大中轴重为25T，牵引质量为20000T，线路全长179.862km。其中ZCZQ-6标位于山西朔州平鲁境内，线路长度为17.057km，起讫里程为DK95+185~DK112+242，主要有正线桥梁17座5215.61延米、隧道1座2315延米、涵洞12座465.18横延米、路基9526.36米。
线路自北向南穿越黄土塬、卯缓坡地带，线路工程地质条件复杂，大部分为II级自重湿陷性黄土。管段内特殊地基湿陷性黄土路基基底处理，设计采用灰土挤密桩施工，总桩长为120万米。
2、湿陷性黄土湿陷机理
湿陷性黄土以粉土颗粒为主，呈松散多孔结构状态，孔隙比较大，常在1.0以上，它具有直立、膨胀、崩解、难压实和受含水量影响较大的特点。
湿陷性黄土的湿陷性是由其内因和外因共同作用的结果，内在因素是它的垂直大孔性、松散多孔结构和遇水即降低或消失土颗粒间的加固凝聚力；外部条件是土体的外部压力及水，水一方面溶解黄土中的可溶盐，另一方面在微粒间起到润滑作用，从而使黄土在自重作用下发生位移。使黄土产生湿陷的临界压力叫湿陷起始压力，不同的黄土其湿陷起始压力也不同。当土的湿陷起始压力小于上覆土的饱和自重时，则该土层在上覆土层自重压力的作用下受水即可发生湿陷称为自重湿陷性黄土；如果土的湿陷起始压力大于上覆的饱和自重，则土层在上覆土层自重压力作用下并不发生湿陷，而在附加压力与上覆土自重之和大于湿陷起始压力时，土层受水才发生湿陷称为非自重湿陷性黄土。
黄土湿陷性根据湿陷系数公式δs=（hp-hp/）/h0的计算值来判定，当δs＜0.015时判定为非湿陷性；当δs≥0.015时判定为湿陷性黄土，其湿陷等级共分为三级：当地基计算湿陷量0.05＜δs≤0.15时为I级湿陷性（轻微）；当0.15＜δs≤0.35时为II级湿陷性（中等）；当δs≥0.35时为III级湿陷性（强烈）。
3、灰土挤密桩的作用及原理
3.1、侧向挤密作用
灰土桩振动沉管成孔时，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高。桩间土体挤密是在相邻桩孔挤密交界处挤密效果相互叠加，使桩间土中心部位的干密度增大，且桩间土的密实度变得均匀，桩距越近，叠加效果越显著。
土的天然含水量和干密度对挤密效果影响较大，当含水量接近最优含水量时， 土呈塑性状态，挤密效果最佳。当含水量偏低，土呈坚硬状态时，有效挤密区变小。当含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，土体难以挤密，且孔壁附近土的强度因受扰动而降低，拔管时容易出现缩颈等情况。
3.2、灰土加固原理
灰土桩是用生石灰消解后与土按一定体积比例(3:7)拌制而成，在桩孔内通过夯机夯实后形成的一种柔性桩，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，产生化学反应，形成凝聚胶体物质，即灰土中的Ca(OH)2与土中的CO2作用生成碳酸钙Ca(OH)2+CO2→CaCO3，Ca(OH)2与土中的SiO32-作用形成偏硅酸钙Ca(OH)2+SiO2→CaSiO3，并随灰土龄期增长，桩体固化作用不断提高，使桩体强度逐渐增加，从而提高地基承载力。
3.3、桩体作用
在灰土桩挤密地基中，由于灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形模量，荷载向桩上产生应力集中，从而降低了基础底面以下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。同时灰土桩对桩间土能起側向约束作用， 限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压密作用。
4、灰土挤密桩施工
4.1、灰土桩设计及施工参数
灰土挤密桩参数包括：承载力、桩孔直径、桩孔深度、处理宽度、桩孔的平面布置、桩距、填料等。
湿陷性等级为I、II级的非自重湿陷性黄土，基底采用重型碾压或冲击碾压处理；II、III级自重湿陷性黄土地段，处理深度小于3m时采用强夯或冲击碾压处理；临近建筑物或桥头50m范围内不宜采用强夯处理；大于3m时采用灰土挤密桩处理。处理后复合地基承载力要求不小于150kpa，地基处理宽度范围路堤为坡脚外2m，路堑为整个路堑开挖面；挤密桩灰土体积比为3：7，压实系数λc≥0.97，桩径为0.3m，桩间距0.8m，桩顶层设0.3m厚二八灰土垫层夹一层TGDG120单向高强土工格栅，详见下图。
灰土挤密桩地基的效果与桩间距的大小关系极大。桩距太大，桩间土的挤密效果不好；桩距太小，桩数增加太多而不经济，同时成孔时地面隆起，桩管打不下去，给施工造成极大的困难。挤密桩按正三角形布置时在挤密后其面积减少正好等于半个圆面积，而减少了的面积土进入桩间土，因此桩间土的干密度因桩孔内土的挤入而增大，从而实现桩间土的侧向挤密作用，桩间距L按照公式计算确定
排距h=0.866L
式中d—桩直径mm
L—桩孔间距mm
—地基挤密后桩间土的平均压实系数；一般取0.93
ρdmax—桩间土最大干密度KN/m3
—地基挤密前各层土的平均干容重KN/m3
4.2、灰土挤密桩施工工艺
灰土挤密桩施工采用振动沉管法成孔，它是利用柴油沉桩机将带有通气桩尖的钢制桩管沉入土中的设计深度，然后慢慢拔出桩管，形成桩孔。
沉桩机械为1.8T导杆式柴油桩锤，由W1001履带式起重机带动行走、就位和起吊桩锤，沉管直径为40cm，以保证设计要求，桩孔夯填采用专用偏心轮夹杆式夯实机，夯锤为梨形锤，锤重0.11T，锤径28cm，填料采用三七灰土。
4.2.1、施工工艺
（1）施工准备：将土和石灰运至拌和场，对生石灰提前进行消解。测定土和石灰的含水量，确保拌和后石灰土的含水接近最佳含水量。
（2）沉桩机械准确定位，并检测导杆的垂直度，再进行沉桩施工，施工桩长比设计超深20~30cm。桩机就位要求平稳准确，桩管与桩孔中心相互对中，在施工过程中桩架不应发生移位或倾斜。
（3）桩管沉至设计深度后应及时拔出，以免在土中搁置过久增大拔管阻力。成孔后夯实机就位，向孔内填已拌和好的三七灰土并夯填密实。夹杆式夯实机锤径28㎝，落距50～60㎝，每分钟夯击次数为42～45次。
（4）拔管成孔后由专人检查桩孔的质量，观测孔径、孔深及垂直度是否符合要求并做好记录。
（5）成桩结束后7~14d后对桩身及桩间土的密实度、承载力和桩间土的湿陷系数进行检测。
施工工艺流程详见下图：
4.3、灰土挤密施工注意事项
（1）施工前，在现场选择有代表性的地段进行工艺性试验，并取得相应的工艺参数，当成桩质量满足设计要求后方可进行后续工程施工。
（2）施工前应对地下水位、地基土的含水量、饱和度进行复核。含水量控制在12%~24%，饱和度不大于65%，当地基含水量低于12%时，在地基处理前4~6d完成增湿，用水量按照公式Q=vρd(ωop-ω)k计算；当地基含水量高于24%时应进行翻晒等处理。
（3）灰土挤密桩成孔挤密应间隔分批进行，间隔1~2孔，整片处理时施工顺序从里向外进行，局部处理宜从外向里进行。
（4）挤密桩填料应采用机械拌合且随拌随用，确保灰土的最佳含水量，现场检验“用手握成团，落地开花”。施工现场灰土应有相应的防雨、防冻和防晒措施。
（5）桩孔内填料应分层回填并夯实，回填前应对桩底进行夯实处理，桩体夯填高度应高出桩顶设计高程20~30cm。
（6）路基防排水采用综合排水设施，遵循拦截、分散、防冲、防渗和远接远送的原则，防止地表水浸入路基。
5、灰土挤密桩质量控制及检测
灰土的原材料是土料和石灰。土料采用就地挖出的粘性土及塑性指数大于4的粉土，有机质含量不得超过5%，土料应过筛，其颗粒不应大于15mm；石灰采用III级以上新鲜的块灰，使用前1~2d消解过筛，其颗粒不应大于5mm，不得夹有未熟化的生石灰块粒及其他杂质，也不得含有过多水分。
挤密桩布置形式、数量、长度符合设计要求，桩位允许偏差为50mm，桩孔的垂直度偏差不宜大于1.5%。
灰土桩施工结束7~14d后，采用重型动力触探、钻机取样对桩身及桩间土密实度、复合地基承载力和桩间土的湿陷系数进行检测，检测频率不应少于桩孔总数的2‰且不少于3根。桩体的压实系数λc≥0.97，桩间土平均挤密系数不应小于0.93，濕陷系数应小于0.015，复合地基承载力不小于150kpa。
6、结束语
灰土挤密桩通过侧向挤密作用，可达到所要求加密处理后的最大干密度，消除了地基土的湿陷性，提高了地基的承载力，降低了压缩性，增强了水稳性和控制地基的沉降变形；挤密桩处理深度较大，可达12-15m；可就地取材，应用廉价材料达到“以土制土”，降低工程造价；施工机具简单，施工工艺方便，功效高。
消除湿陷性是靠挤密来实现的，它主要取决于施工工艺、桩径和桩距，而与填料的关系不大。
通过灰土挤密桩处理后路基工后沉降满足设计一般地段不应大于20cm，路桥过渡段不应大于10cm，沉降速率不应大于5cm/年的要求。
参考文献
1. 铁路工程地基处理技术规程 TB10106-2010
2.《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2002
3.《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004
4. 许建建 灰土挤密桩在处理深厚湿陷性黄土地基中的应用 三门峡职业技术学院学报2011年9月 第3期
5. 霍航鹰湿陷性黄土路基处理设计浅析辽宁交通科技2003年6月第3期