浅谈严寒地区高速铁路路基CFG桩及基床底层填料病害原因及预防

浅谈严寒地区高速铁路路基CFG桩及基床底层填料病害原因及预防

张涛

（河北雄安轨道快线有限责任公司，河北雄安 071700）

摘要：目前我国高速铁路运营里程已达4.2万公里，其中寒冷地区高速铁路已超过5000公里，个别地段极端气温低于-40℃。相比于桥梁和隧道，严寒地区路基工程由于其材料的选择和施工工艺等因素制约，工后沉降更不易控制。本文就严寒地区CFG桩软基处理和基床底层填料方面，对易产生的病害和预防做简要阐述。

研究目的：分析冻胀机理，研究CFG桩以及路基基床底层在冻胀预防和处理方面的措施。

键词：高速铁路，严寒，路基，病害

高速铁路路基工程大多处于野外，并且路基本体直接座落于地表，受地下水、气温、降雨等自然条件因素影响极大。在严寒地区施工过程中，软基处理和基床底层是产生冻害的高发部位。在现行的设计中，软基处理大量采用CFG桩进行加固，基床底层采用非冻胀A、B组填料进行填筑，在施工过程中除应避开雨季、冬季之外，还需针对低温单独对施工过程严加把控。本文就路基中CFG桩以及非冻胀A、B组填料易产生的病害以及预防做简要阐述。

1.冻胀机理

自然界的物质中，水在摄氏零度结冰的过程中，体积增大，产生占位空间，挤动了其它物体，作用在其它物体上的力就是冻胀力。冻胀是由于土中水的冻结和冰体的增长引起土体膨胀、地表不均匀隆起的作用。在天然情况下，土的不均匀冻胀可形成冻胀丘，土的冻胀产生极大的冻胀力。冻胀具有不均匀性，使建造物产生不均匀变形，这种不均匀变形一旦超过允许值，建造物就被破坏。冻胀的原因包括土中原有的水结冰体积膨胀；同时也包括土冻结过程中下部未冻结土中的水分迁移并向冻结面富集，水分相对集中，水与土粒分异形成冰透镜体或冻夹层，使土体积膨胀。

冻胀使基础整体抬高或者局部抬高。基础局部冻胀使建筑物产生裂纹，严重的出现裂缝，也可能产生多条裂缝。冻切力对基础产生侧向推力，使基础侧向位移。条形基础局部断裂，基础侧向产生垂直裂纹。冻胀对独立的桩基础，可能产生局部抬高断裂和侧向推断。在寒冷地区铁路施工中，由于土中产生的冻胀作用，常常使路基基底、路基本体填料遭受较大的破坏，从而影响整体质量。

2 CFG桩软基处理

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基共同受力，从而提高地基承载能力。

2.1容易产生的病害

在铁路建设中，经常存在工期紧、任务重的情况，尤其在严寒地区，因其气候条件的特殊性，有效施工周期更短。CFG桩施工时固然能够避开冬季施工，但往往存在施工完成的桩体需要越冬的情况，在这种情况下，轻则桩头受冻，混凝土强度受到影响，重则大面积桩体沿土壤冻结线整体浅层断桩，严重影响软基处理工程质量。

桩体开裂

2.2原因分析

在软基处理地段，地表土往往为耕植土或不良土质，其含水量极大甚至为沼泽地，虽然在施工前场地处理中采取了换填至桩顶标高以上50cm、完善排水系统等措施，但水文、地质等先天条件决定了土壤中含水量大的问题无法解决。随着进入冬季，塑性或半塑性土壤随着气温的降低而产生冻胀，CFG桩桩体为致密的刚性混合料，受冻胀土壤挤压拉伸而在土壤冻结线形成整体浅层断桩。

2.3预防措施

在CFG桩施工前应结合设计图纸充分调查施工地点水文、地质情况，有针对性的对施工场地进行换填、平整，施工场地应形成纵横坡，四周开挖排水沟，场地较大时应在场地中间设排水沟并与四周排水沟连通，场坪高程应高于桩顶高程不小于50cm。

在CFG桩施工组织安排时应保证桩身施工时温度不低于5℃，同时越冬时桩身强度达到设计强度的100%。在此前提下，如气温允许，可截除桩头并检测合格后将褥垫层、路基填料填筑至厚度大于土壤最大冻结深度，并碾压密实；如气温条件无法满足填料施工要求，则需覆盖保温，保温材料可由秸秆+土组成，覆土厚度应大于土壤最大冻结深度，并碾压密实，待春融期过后方可清除覆土和桩间土，进行下一步施工。

3 非冻胀A、B组填料

非冻胀A、B组填料是针对严寒地区路基冻胀特性，降低填料中细颗粒含量，增大填料中的孔隙率，提高其透水性，从而避免冻胀的产生。《高速铁路路基工程施工质量验收标准》中要求无砟轨道及严寒、寒冷地区有砟轨道冻结深度影响范围内基床底层填料的细颗粒（粒径＜0.075mm）含量不应大于5%，渗透系数应大于5×10-5m/s。因此，在严寒地区高速铁路路基中，基床底层多为非冻胀A、B组填料。

3.1容易产生的病害

路基基床底层施工完成后，越冬时经过冻胀观测发现数据超限，严重时引起基床表层开裂、钢轨线形不受控等病害，影响路基整体承载能力和列车运营安全。

3.2原因分析

基床底层填料原材料选择时未选取符合要求的母材，原材料为膨胀性土、强度不足或细颗粒含量超标。其中填料中细颗粒含量越多，土体持水能力越强，冻胀变形也将更加明显。因此，为了防止冻害，细粒含量一定要有所控制。

路基填筑过程中未按照工艺性试验总结严格控制压实遍数，片面的追求压实质量，从而在压实后细颗粒含量超标。

3.3预防措施

3.3.1填料母材的选定

选择基床底层填料原材料时，应对母材进行膨胀性和强度进行测定，满足要求后方可选定。当母材强度不足，在填料加工和填筑过程中极易导致细颗粒含量超标。

3.3.2细颗粒含量的控制

填料应分级加工，按试验配比进行掺配，除满足级配要求外，需额外对细颗粒（粒径＜0.075mm）含量进行控制并满足渗透系数应大于5×10-5m/s。

通过对路基填料击实试验可以看出，随着细粒含量的增加，填料的最优含水率在增加，而最大干密度在逐渐减小。见下表：

表1 不同细粒含量下填料击实试验结果

同时，经过试验对比，含水率≤6%时，细粒含量越少冻胀量越大。见下表：

表2 原状土不同含水率下的冻胀量

表3 细粒含量8%时不同含水率下的冻胀量

表4 细粒含量16%不同含水率下的冻胀量

因此，在实际施工过程中，以最大干密度为压实度控制标准时，细颗粒含量的控制尤为重要。

3.3.3施工过程控制

大面积填筑前应按要求做工艺性试验，总结出压实设备、压实遍数、最佳含水率等工艺性参数，并对每遍压实前后填料的细颗粒含量和渗透系数测定，填筑过程中应严格按照工艺性试验总结的参数进行施工。

3.4处理措施

3.4.1完善排水系统

产生冻胀后应仔细分析冻胀观测数据，对数据异常的地段全面完善排水系统。排查和疏通路基侧沟、渗水盲沟、泄水管、检查井等排水设施，排水能力不足时应增设排水设施，使其排水畅通，确保路基本体内不存积水。

3.4.1注浆加固

在完善排水系统后持续检测，仍存在冻胀的地段，可采用注浆的方式进行加固处理。

⑴使用新增渗水盲管作为注浆孔道，采用潜孔钻按照梅花形布置成孔，间距2m为宜。注浆管采用Φ50钢花管，花眼直径6～8mm，按50cm间距双向开孔，钢管长度4m，钢管之间采用套丝并用直接接头连接，将加工好的钢花管下入孔中。

⑵孔口70cm采用微膨胀砂浆封堵，预留注浆阀。注浆浆液采用水泥浆，水泥浆按照1：1配置。注浆顺序采用由外至内的顺序并按照间隔跳跃的方式进行。注浆时采用定压法控制，最终压力一般为0.5～1MPa，并持压5min为宜。

⑶注浆孔打设时应避开接触网基础、沉降观测装置以及其他预埋管线。注浆过程中应有专人盯控，发现跑冒浆液时应及时封堵或立即停止注浆。

4 结论

在CFG桩施工中，通过合理的施工组织安排，前期完善排水系统，施工完成后进行覆盖保温，能够有效的杜绝桩体断裂病害。

路基基床底层在冻胀预防和处理方面，从施工之前的原材料选择和施工过程中的质量控制能够对冻胀进行有效的预防，在产生冻胀后通过注浆的方式也能够对冻胀进行有效处理。

参考文献

[1]（TB 10751-2018）高速铁路路基工程施工质量验收标准 北京 中国铁道出版社有限公司 2019