高真空击密法在铁路站场软土地基处理中的应用

2013-04-16

铁道勘察 2013年2期

(中铁五局集团第二工程有限责任公司，湖南衡阳　421002)

软土是指近代水下沉积的饱和松软黏性土，一般把天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等[1]。软土承载力很低，并且在上部施加荷载后会产生较大的沉降和差异沉降。为保障工程建筑物的正常使用功能，必须对软土地基进行加固处理。

软土地基的处理质量直接影响到地基的承载力与变形，探索和改进软土地基处理工艺，进而选择最适用的软土地基处理方法，具有重要的社会效益和经济价值[2]。

1　高真空击密法理论特点

1.1　技术特点

大面积软地基地基处理常用方法有三类：桩基法、排水固结法、强夯法。桩基法如粉喷桩、搅拌桩、石灰桩、振冲桩等桩基，此类处理方法施工造价高、施工工期长。排水固结法如真空预压法、堆载预压法等，此类方法除施工造价高和工期较长外，处理后的地基承载能力较低。强夯法则需要大型设备调遣、粗骨料的填入等措施，对饱和细颗粒土进行强夯易产生橡皮土，达不到施工效果，而且造价较大[3]。高真空击密法是将强夯技术和真空井点降水技术结合起来的一种新的复合式动力排水固结法，其技术特点如下[4]：

①根据地层岩性特征，采用特制的高真空系统强制调整土体的含水量，控制土体逐步接近加固密实的最优含水量。

②与控制所需处理土体逐步接近最优含水量相适应，同步用特制的大型击密设备对所需处理土体实施分遍击密，使之逐步接近最大密实度。

③施工中，根据土体的自振频率，调整击振频率。

④根据不同土体的渗透系数、含水量，分层多遍强制调整各层土的真空度、真空气量、平衡参数。

⑤按地基的处理深度要求，正确计算各种条件下土体击密所需的击振能量。

1.2　固结机理

高真空击密工法是采取高真空形成压力差降水措施，在强夯前布设降水系统，将地下水降到预定高程，以满足击实要求。然后在加固击实区域撤除滤水管和排水管道，保留外围管继续运转降水系统，截防击实区域外地下水渗入，同时进行击实作业。反复进行上述施工过程，使得地基最终达到设计要求。强排水工艺的机理可分为四个方面：压力差排水机理、硬壳层理论、控制工后沉降、控制不均匀沉降。

2　高真空击密法在新建武汉铁路集装箱中心站场地基处理中的应用

2.1　工程地质特点与处理要求

新建武汉铁路集装箱中心站场区地貌为长江、汉江Ⅰ级冲积阶地，地面高程22～24 m左右，地形平坦开阔，为苗圃、菜地、奶牛养殖场及鱼塘等。场地表层一般分布有厚度0.5 m左右的种植土，局部为第四系人工填土，厚度为1.0～3.9 m；中间为第四系冲积淤泥质黏土、黏土、粉质黏土，厚度为9.1～14.0 m；下层为粉砂、细砂，厚度大于20 m。

本工程真空击密地基处理后设计要求：①加固深度为6～8 m；②加固后承载力特征值到达重箱区≥130 kPa，其他箱区≥120 kPa；③回弹模量≥25～30 MPa；④完成沉降20～40 cm，工后沉降<20 cm；⑤压实系数不小于0.96(0.8 m新填土范围)。

根据设计要求，本工程软基处理包括浅层和深层处理两个环节，浅层处理解决地基承载力问题，深层处理解决工后沉降问题。浅层处理传统方法有排水固结法、夯实法、真空井点降水加振动碾压等，根据施工条件，应用真空井点降水加振动碾压法可达到理想的施工效果。而对于软基深层处理可采用石灰桩或振冲碎石桩方法。若要同时满足工程对于地基深浅层的设计要求，可对深层和浅层分别进行相应处理，但这对费用、工期控制提出了挑战。采用高真空击密法，结合传统地基处理各方法的优势，统一对深浅层进行处理，既可达到要求的施工效果，又满足费用、工期的需求。本工程最终应用高真空击密法处理的软土地基共12.3万m2。

2.2　高真空击密法设计与施工

为分析高真空击密法的适用性以及为大面积加固提供设计依据，本工程项目在大面积地基加固处理之前，先选取两个区域进行地基处理试验，根据试验结果调整有关设计与施工的参数，确定与完善适于本工程的施工工艺。本工程中高真空击密施工程序如下。

(1)施工区的划分

根据试验区的施工情况，施工小区以4 000～6 000 m2为宜，根据施工单位的施工能力可适当调整施工小区的大小。

(2)外围截水

“高真空击密法”施工首先要降低地下水位，切断施工小区外部水的供给。主要采取措施：①在施工小区的外围开挖截水沟，加固场地的侧沟壁一定要平滑光滑。为了保证排水沟不渗透，在排水沟铺设一层土工布，再分次逐层铺设二层密封薄膜。同时在沟内插设一排封管，深管8 m，浅管5 m，间距1.75 m，截住外围水的渗透，形成了截水的第一道屏障；②在施工小区外围距离场地边界3～5 m处插设两排封管，管长和间距同水沟内布置，交错布置，形成截水的第二道屏障。

(3)第一遍高真空排水

高真空管的间距、排距3.5 m，入土深度深管8 m，同时在深管间布置5 m深的浅管。滤水管采用铁管，设排水滤孔，用双层尼龙布包裹。第一遍高真空时间为7～10 d。以地下水为降至不影响强夯为宜，加强监测土体含水量的变化。

(4)第一遍强夯

夯点间距及布点形式：第一遍击密夯点间距按5 m×5 m正方形布点，拆除场区内对强夯有影响的真空管。应根据夯点布置图及各小区的控制桩，制作夯点明显标志，各施工段的相接部位，严防漏点现象的发生。

第一遍单击夯击能采用2 500～3 000 kN·m，每点击数6击，最终通过试夯确定，同时满足下列条件：①最后两击的平均夯沉量不大于5 cm；②夯坑周围地面不发生过大的隆起；③不因夯坑过深而发生提锤困难。

(5)第二遍高真空排水

高真空管的布置同第一遍高真空排水。第二遍高真空时间为5 d。以地下水为降至不影响强夯为宜，加强监测土体含水量的变化。

(6)第二遍强夯

夯点间距及布点形式：第二遍击密夯点间距按5 m×5 m正方形布置，布置在第一遍点的中间，单击夯击能采用2 500～3 000 kN·m，每点击数6击，最终通过试夯确定，收锤标准同时满足第一遍强夯的要求。

(7)平整场地

第二遍强夯结束后，对场地进行整平。

(8)满夯

单击夯击能量1 000 kN·m，每点击数为2击，满夯2遍。

2.3　施工监测项目

施工过程监测须完成如下项目。

①静力触探试验：加固前后检测进行对比；

②沉降变形观测：高真空击密法施工过程中进行沉降观测；

③夯后荷载试验：确定地基承载力特征值fak。

3　高真空击密法地基处理效果

3.1　施工监测结果

(1)加固后土体强度

在处理前和处理后均做12个静力触探点(前后对比)，经去表层粗砾土(层厚60～150 cm)，自地面向下采集6～8 m数据，分三段经算术平均计算，其中1号和2号点监测结果见表1，静力触探曲线见图1和图2。

表1　1号、2号静力触探点试验数据

图1　1号观测点静力触探曲线

图2　2号观测点静力触探曲线

(2)地基承载力

根据浅层平板载荷试验的监测结果，各试验点承载力检测值详见表2。

表2　浅层平板地基载荷试验结果汇总

(3)沉降变形观测

图3和图4分别是K1点和K2点堆载预压试验的沉降量观测曲线，观测72 d，累计沉降分别为274 mm和259 mm。

图3　K1点沉降观测曲线

图4　K2点沉降观测曲线

3.2　监测结果分析

通过12个监测点的处理前、后静力触探曲线可以看出，加固深度均能达到8 m；对比处理前后的承载力试验值综合分析，承载力平均提高19.9%。处理后站场的停车场区、清洗、预留箱区、内部停车场区、空箱区复合地基承载力≥120 kPa；专用箱区、冷藏箱区各试点复合地基承载力≥130 kPa，均达到设计要求。经过对施工过程中的沉降观测和验证，满足工后沉降不大于30 cm，施工过程中沉降量不大于30 cm的设计要求。