柱锤冲扩桩在铁路路基地基处理中的应用

柱锤冲扩桩在铁路路基地基处理中的应用

边达县

中铁一局集团有限公司第三工程分公司陕西宝鸡721000

摘要：柱锤冲扩桩是在传统挤密桩基础上发展起来的一种新型挤密桩，通过强力冲孔方式成孔，然后通过填料，用具有高性能的特制重型锤进行冲、砸、挤压的高压强、强挤密的夯实作业，来消除原地基湿陷性、液化性、减少地基沉降和提高地基承载力；文章主要介绍采用冲击成孔作业，并采用柱锤对水泥土进行夯填冲扩，对桩间土进行挤密，使处理后的复合地基承载力满足设计要求，并消除地基中黄土的湿陷性。

关键词：湿陷性黄土；地基处理；柱锤冲扩桩；试验检测

1工程概况

新建银西铁路沿线黄土地层广泛分布，主要为黏质黄土、砂质黄土，结构疏松，多空隙。湿陷性黄土地区地基加固处理方法主要有水泥土挤密桩、柱锤冲扩桩、CFG桩、强夯、螺杆桩等地基处理措施，银西铁路（陕西段）DK57+600～DK57+952.9段设计为柱锤冲扩桩，桩径0.6m，桩间距1.4m，桩长8m，采用正三角形布置。

工点区地层主要为第四系上更新统风积黏质黄土、中更新统风积黏质黄土。其中黏质黄土（Q3eol3）分布于黄土台塬上部，厚度6.9～9.5m。褐黄色，成份以粉粒为主，土质较均，局部含较多黏粒，针状孔隙发育，该土层底部有一层古土壤，厚度约1.0～2.0m，棕红色，白色钙质菌丝发育，偶见小姜石，具湿陷性，软塑，Ⅱ级普通土，б0=100kPa。Es100～200=2.0～13.8MPa。黏质黄土（Q2eol3）分布于上更新黏质黄土层下，厚度大于60m。褐黄色，成份以粉粒为主，土质均匀，含少量姜石，可见白色菌丝，中夹有多层浅棕红色古土壤，硬塑，Ⅲ级硬土，б0=180kPa。该土层中，下部夹有一层软塑层，层厚约2.8～8.5m，软塑，б0=100kPa。Es100～200=2.9～15.4MPa。工点范围内场地为湿陷性黄土场地，湿陷类型为自重，湿陷等级为Ⅱ～Ⅳ级，湿陷土层厚约10～15m；范围内的上更新统黏质黄土，厚度6.9～9.5m，软塑，承载力低于180KPa，属松软土。

2柱锤冲扩桩加固地基机理

柱锤冲扩桩在成孔过程中冲击势能对桩间土进行侧向挤密压实，在成桩过程中重锤对孔内深层填料进行分层强夯作业，使孔内加固料单位面积受到高动能，强夯击和动态冲、砸、挤压的强力压实和挤密，使桩体直径增大和桩体密实；待成桩后桩体势能缓慢释放，不断对桩间土实加侧向挤压力，而桩周土受到的侧向强力挤密应力，也慢慢释放，同时对桩体产生很大的侧向约束“抱紧”作用，使桩体具有半刚半柔性桩的特点；对于分层地基或软硬不均土层，桩体在施工挤密过程中，会形成串珠状态，进一步使桩与桩侧土的紧密“咬合”，增大侧壁摩擦阻力，使桩间土被挤密形成强制挤密区、挤密区及挤密影响区。这样桩体和桩间土就形成复合地基，达到提高路基承载力、消除湿陷性的目的。

3柱锤冲扩桩施工技术

柱锤冲扩桩施工流程如下：原地面处理测量放样柱锤冲扩机就位冲击成孔，孔深满足设计要求孔底冲击密实桩体填料分层回填，分层夯击密实，工艺参数按工艺试验确定的标准控制成桩质量检测：桩间土处理效果、桩身质量、单桩及复合地基承载力满足设计要去。

3.1施工准备

（1）采用静力触探对地基地质承载力和湿陷性进行核查，路堤地基条件要符合设计文件要求。当不符合时，及时报告给监理和设计单位。

（2）清除障碍物，标记处理场地范围内地下够造物及管线，处理完后整平。地基顶面横向设人字坡，坡比2%～4%，沿线地基处理范围坡脚50cm处设置混凝土矩形排水沟，沟底宽40cm、沟深为30cm，施工时应及时清理排水沟内杂物，保证排水通畅。

3.2施工工艺参数确定

施工前应在工程施工现场选取有代表性的场地进行成桩试验，验证设计参数和施工效果，确定最优含水率、锤重、落距、分层厚度、夯击次数、总填料量参数。每段路基试验点不得少于3处，每处不得少于7根桩。不同桩间距，地层及处理深度差异较大处应分别进行成桩试验。

试桩首先在线路外侧同等地质条件下进行成桩工艺试验，主要试验不同锤落距、不同分层厚度、不同夯击次数和总填料量等工艺参数，根据试验结果确定最佳的机械组合、成桩工艺及桩身材料的最佳含水量和最大干密度等参数；然后根据成桩工艺总结参数在线内进行验证设计参数试验，主要验证设计桩间距、桩长、布置形式，承载力是否合理及湿陷性是否已消除等。

试验区段内地下水位较低施工采用冲击成孔、重锤夯扩成桩，根据设计要求及以往的施工经验确定四段不同参数的试桩段落：

（1）第一段试桩：柴油锤锤击成孔，成孔直径500mm，每层虚铺厚度0.6m，锤重3t，锤击次数：左侧7次、中侧8次、右侧9次，落距4m。通过不同的锤击次数检测桩身的密实度，满足设计要求的作为改组试桩的合格锤击次数，试桩桩身质量检测见表1。

（2）第二段试桩：柴油锤锤击成孔，成孔直径500mm，每层虚铺厚度0.8m，锤重3t，锤击次数：左侧7次、中间8次、右侧9次，落距4m。通过不同的锤击次数检测桩身的密实度，满足设计要求的作为改组试桩的合格锤击次数，试桩桩身质量检测见表1。

（3）第三段试桩：柴油锤锤击成孔，成孔直径500mm，每层虚铺厚度0.6m，锤重3t，锤击次数：左侧7次、中间8次、右侧9次，落距5m。通过不同的锤击次数检测桩身的密实度，满足设计要求的作为改组试桩的合格锤击次数，试桩桩身质量检测见表1。

（4）第四段试桩：柴油锤锤击成孔，成孔直径500mm，每层虚铺厚度0.8m，锤重3t，锤击次数：左侧7次、中间8次、右侧9次，落距5m。通过不同的锤击次数检测桩身的密实度，满足设计要求的作为改组试桩的合格锤击次数，试桩桩身质量检测见表1。

表1工艺试验桩身压实系数检测统计

根据试桩检测结果对比分析施工工艺参数，综合考虑机械设备性能、施工效率及经济性等因素，最终选择成孔机械采用型号QUY50A柴油锤沉管机（管径Φ50cm），土体不置换；夯填机械采用柱锤夯扩机（锤重3t），单次虚铺厚度0.6m、单次下料夯击8次，锤落距4m的方案。

3.3桩机就位

桩位确定后柴油锤打桩机就位，指挥人员指挥柴油锤打桩机调整位置，利用机架上悬挂的两个方向垂直标确定桩管垂直度，在桩尖对准桩心位，缓慢落下桩管锤击成孔。桩机就位，确保垂直度偏差不大于1%。

3.4成孔

先外排后里排，同排内间隔1～2孔进行，以免因挤压造成相邻孔缩孔或坍孔。成孔前在桩管上部标注成孔深度刻度线，成孔深度大于设计桩长0.5m，施工中定期复核，成孔过程中当沉管上刻度线与地面平齐时，即达到设计桩底标高。在成孔过程中应随时检查沉管垂直度，保证装土质量，成孔后应控制拔管速度，在拔管前要停10秒左右，以免造成孔口破坏严重及回落土较大。沉管机成孔深度要比设计桩顶高出0.5m，以保证桩头质量。成孔完成后采用钢尺测量孔径，测绳测量孔深，并做详细记录。

3.5填料成桩

改良土要求采用厂拌，注意填料与使用的协调，要随拌随用，拌合料不得超过4小时，被雨淋湿、浸泡严禁使用，下雨期间不进行拌制。柱锤夯扩桩机就位，机身应平稳，柱锤应与桩孔对正，能自由落入孔底，并确保施工中不发生倾斜、位移。夯填前检查成孔直径、孔深、垂直度和孔内虚土、积水。清理杂物，空夯孔底至发出清脆声为止，然后采用料斗限位的小型装载机按照确定的工艺回填参数分层填入拌合均匀的填料，柱锤夯扩机分层夯扩桩体填料，分层填料分层夯实至设计标高以上50cm处。施工中设专人进行全过程监控，填写施工记录，并对发现的问题及时进行分析处理。

3.6试验检测

（1）根据银西铁路《路基通用结构详图》及《高速铁路路基工程施工质量验收标准》（TB10751-2010）相关要求，柱锤冲扩桩的质量检测工作主要分为现场桩体检测、单桩承载力和复合地基承载力试验、桩体压实系数试验及桩间湿陷性、压缩性试验。具体如下。

柱锤施工结束后7～14天后对桩体有效直径检测，开挖50～100cm深后，钢尺丈量桩体直径；抽检总桩数的10%，且每检验批不少于5根。

柱锤施工结束后7～14天后对桩体压实度检测，采用桩间开挖探井，距离剖桩边10cm处，每2m取样一组，检测桩体压实度；抽样检验总桩数3‰，且每工点不少于3根。

柱锤施工结束后7～14天后对桩间土处理效果检测，采用在三个桩中心开挖探井取桩间土样室内试验，每个探井试验取自距距顶标高1.0m处，由上往下每间隔2m取样，试样密封后在试验室内检测计算桩间土挤密系数、湿陷系数；区间正线路基沿线路纵向连续长度每50m、站场路基折合正线双线每50m抽样检验3点。

柱锤施工完成后28天进行单桩和单桩复合地基承载力检测，采用混凝土预制块进行平板静载荷试验；单桩承载力按总桩数的2‰的2/3检测且每个工点不少于3根，单桩复合地基承载力按总桩数的2‰的1/3检测且每个工点不少于3根。

经委外检测，对DK57+600～DK57+900段地基处理柱锤各进行了3根单桩和单桩复合承载力和现场取样及室内试验。综合判定：桩间土土样湿陷性系数均小于0.015，湿陷性已消除；桩间土平均挤密系数均不小于0.9，满足设计要求；桩身平均压实系数部小于0.97，满足设计要求；单桩承载力特征值Ra=233.26KN（试验曲线示意图见图1～图3），满足设计要求；单桩复合地基承载力特征值为199.93KPa（试验曲线示意图见图4～图5），满足设计要求。

（2）

4结束语

采用上述方法顺利完成了湿陷性黄土路基的地基处理，处理后的桩间土湿陷性、挤密系数、桩体密实度、单桩和复合地基承载力检测指标均满足设计及规范要求，综上所述柱锤冲扩桩可以消除黄土的湿陷性；施工时采用柴油锤冲击成孔，直接夯扩至50cm回填改良土扩至60cm对桩间土湿陷性及挤密系数有很好的效果；可在类似工程中应用。

参考文献

[1]铁路工程地基处理技术规程（TB10106-2010）

[2]?高速铁路路基工程施工验收标准（TB10751-2010）

[3]高速铁路路基工程施工技术规程（Q/CR9602-2015）；

[4]湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）

[5]陈嘉憘.柱锤冲扩桩法在湿陷性黄土地区地基处理中的应用.中国高新科技2018（16）

[6]林道富，徐志.柱锤冲扩桩法加固地基处理机理与施工技术.岩土工程界2009（9）