强排水复合型动力固结法在铁路路基地基加固中的应用

王 剑,吴连海

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

强排水复合型动力固结法在铁路路基地基加固中的应用

王 剑,吴连海

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

强夯法在处理低饱和度的软弱土地基时是一种比较经济、快捷的加固地基方法,但当地下水位埋藏较浅,或地基土处于高饱和度时该法受到了限制。通过真空轻型井点降水的强排水措施,降低地下水位,使地基土体部分得到固结沉降的同时再加以强夯措施,即强排水复合型动力固结法可以突破这种限制。以邯黄铁路一工点为例,阐述该法加固地基的机理,并详细介绍其设计与施工。

铁路路基;强排水复合型动力固结法;加固地基机理;设计;施工

在松软土地基上修建铁路路基,当地下水位埋藏较深,地表以下至水位线间为低饱和度的松软土,在场地环境条件许可时,采用强夯法(动力固结法)是比较经济、快捷的一种加固地基方法;但当地下水位埋藏较浅,或地基土处于高饱和度时,根据Menard动力固结理论[1],饱和土虽然是可压缩的,但在夯击作用下,含气孔隙水不能立即消散而具有滞后现象,同时强夯过程会使土体产生局部液化,夯坑中易积水,造成施工困难等因素,制约强夯法加固高饱和度松软土地基的应用。强排水复合型动力固结法有效地突破这一局限。

1 强排水复合型动力固结法加固地基机理

1.1 强排水

强排水是通过真空轻型井点降水法使加固区域地下水位降低,一般地下水位可降低2.0～4.0 m。

1.2 强夯法[2]

强夯法又名动力固结法或动力夯实法,这种方法是反复将夯锤提到一定高度使其自由落下,给地基以冲击和振动能量,从而提高地基的承载力并降低其压缩性,改善地基性能。该法因具有加固效果显著、设备简单、施工方便、施工期短、工程造价低等优点,被广泛用于处理低饱和度的软弱土地基。

1.3 强排水复合型动力固结法

强排水复合型动力固结法是由排水系统和强夯动力加压系统两部分共同组合而成的地基加固方法。为了使“强夯法”能在地下水位埋藏较浅、高饱和度的软弱土中得以使用,先采取“强排水”措施降低地下水位,使得土体含水量降低和孔隙比减小,这个过程使土体产生部分固结沉降为强夯施工创造条件,然后再强夯,可以提高强夯加固效果。反复几次强夯,使地基先期得到充分固结沉降,减少工后沉降量,同时提高地基承载力。

2 工点概况

2.1 工程地质及水文地质条件

新建邯郸至黄骅港铁路工程(Ⅰ级铁路)DK341+ 800～DK342+120段地处滨海平原,地形平坦。该段地层结构情况自上而见表1。

表1 路基工点范围地层结构

地基表层分布有盐渍土,盐渍土类型为氯盐渍土～碱性盐渍土,易溶盐平均含量为0.32%～0.95%,为弱盐渍土,毛细水上升高度为2.5～3.0 m。

地下水埋深约1.5 m,主要靠大气降水补给,受大气降水及地表水影响,水位变幅2.0～4.0 m。地下水具硫酸盐侵蚀性,环境作用等级为H2,具氯盐侵蚀性,环境作用等级为L2。

2.2 设计方案比选

DK341+800～DK342+120路基填土高度约6.0 m,通过对路基稳定和沉降检算,在控制填土速率的情况下,路基稳定满足要求,但工后沉降不能满足规范要求。如采用袋装砂井加固,工后沉降大,且沉降稳定需要时间长。该段表层分布有盐渍土,地下水具硫酸盐侵蚀性,如按常规采用水泥土搅拌桩加固地基,需采用抗硫酸盐水泥,成本较高。整个工点采用水泥土搅拌桩加固地基的费用要高出强排水复合型动力固结法加固地基约210万元。为探索铁路软土地基处理新技术,设计采用强排水复合型动力固结法。

3 强排水复合型动力固结法加固地基设计

3.1 降水设计

降水系统主要由井点管和集水管构成。首先在拟加固地基两侧边界外5 m左右处开挖排水沟,排水沟上宽为3 m,底宽为1.0 m,深为1.0～1.5 m,要确保明沟流水畅通。在拟加固地基两侧各2 m范围内并排设置1排外围封闭管,外围封闭管为1排深管(6 m)和1排浅管(4 m),井点管纵向间距为2.0 m;加固区内采用1排深管与1排浅管隔排布置,深管管长6 m,浅管管长4 m,集水管(卧管)间距为4 m,井点管纵向间距2 m。降水系统平面、断面布置分别见图1、图2。

图1 降水系统平面布置设计(单位:m)

图2 降水系统断面布置(单侧)(单位:m)

3.2 强夯设计

强夯采用3遍,每遍夯点间距4.0 m×4.0 m,3遍夯点布置见图3。

在正式施工前应进行试夯,试夯区域不小于10 m×10 m。通过试夯确定单点总夯击能与夯入度、夯击遍数、夯遍间歇时间、有效加固深度等施工参数。

夯点的夯击次数,应按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定,并应同时满足下列条件:

(1)最后2击的平均夯沉量不大于15 cm;

(2)夯坑周围地面不应发生过大的隆起;

(3)不因夯坑过深而发生起锤困难。

图3 点夯3遍平面布置设计(单位:m)

夯击时,夯击点中心位移偏差应小于0.1D(D为夯锤直径);当夯坑底倾斜大于30°时,将坑底填平后再进行夯击。每夯击1遍完成后,将场地整平,同时测量整平后场地的高程。当进行下一遍夯击时,应重新布置夯击点位。

点夯完成后,再以低能量满夯夯击2遍,满夯采用轻锤或低落距锤多次夯击(满夯单击能500 kN·m)。夯印彼此搭接部分不应小于锤底面积的1/4。

4 强排水复合型动力固结法施工

4.1 工艺流程

强排水复合型动力固结法设计采用的是3遍降水、3遍强夯的施工工艺。工艺流程见图4。

图4 强排水复合型动力固结法施工工艺流程

4.2 降水施工

降水技术参数见表2。

表2 降水技术参数

(1)第1遍降水,采用管长5～6 m,卧管间距为4 m,井点管间距2 m,并在距加固区域外围边线两侧各2.0 m处设置1排外围封闭管,外围封闭管井点管长6 m。第1遍降水水位降至地面以下3.0 m,水位达到要求后,拆除施工区域内影响强夯的所有井点管,保留外围封闭管进行强夯。

(2)第2遍降水,第1遍强夯结束后,推平夯坑(如果夯坑中有水,应将夯坑中的水抽出,并请监理验收夯坑后推平),推平后,进行第2次降水插管,第2遍降水水位降至地面以下3.5 m,水位达到要求后,拆除场地强夯影响的井点管,保留外围封闭管进行强夯。

(3)第3遍降水,同上。试验区每2 000 m2布置1个水位观察孔。外围封管:距加固区域外围边线两侧各2.0 m处设置1排外围封闭管,外围封管管长6 m。外围封管在强夯施工期间连续降水,待3遍强夯施工完毕后,方可拆除。施工现场降水见图5。

图5 施工现场降水

4.3 强夯施工

(1)第1遍强夯,夯点布置4 m×4 m,夯击能量1 000 kN·m;单点夯击次数3击,第1击夯沉量15～25 cm,第2击夯沉量10～20 cm,第3击夯沉量7～15 cm。3击之后累计沉降量35～55 cm。(2)第2遍强夯,夯点布置4 m×4 m,夯击能量1 500 kN·m;单点夯击次数4击,第1击夯沉量25～35 cm,第2击夯沉量20～35 cm,第3击夯沉量10～20 cm,第4击夯沉量5～20 cm。3击之后累计沉降量65～110 cm。(3)第3遍强夯,夯点布置4 m×4 m,夯击能量2 000 kN·m;单点夯击次数4击,第1击夯沉量35～65 cm,第2击夯沉量20～35 cm,第3击夯沉量10～25 cm,第4击夯沉量8～20 cm。3击之后累计沉降量65～120 cm。

夯击时夯坑周围无明显隆起,夯击时相邻夯坑内无出现明显的隆起,后一击夯沉量未出现明显大于前一击夯沉量现象。降水后强夯施工现场见图6。

图6 降水后强夯施工

5 检测

5.1 沉降

施工前后,用10 m×10 m方格网测量场地高程,经测量强夯前地面平均高程4.63m,3遍强夯后地面平均高程4.28 m,本工程场地经过强排水复合型动力固结法处理后的地基平均沉降量为35 cm。原计算总沉降量为57 cm,考虑路基填筑期间地基还会发生一定的沉降,参考本地区非软土地基的沉降规律及强排水复合型动力固结法处理后对地基的影响按照10 cm估算,工后沉降值为12 cm,满足设计要求的工后沉降不大于20 cm要求。

5.2 承载力

对场地进行了2组静载荷试验,复合地基承载力均大于150 kPa,满足设计要求。

6 结语

(1)本工点经过强排水复合型动力固结法处理后的地基平均沉降量达35 cm,减少地基工后沉降明显,且工后沉降能够满足路基工后沉降要求,地基承载力也由120 kPa提高到大于150 kPa,满足路基设计要求。说明这种加固方法对这种施工场地周边环境条件许可、地下水位略高且上部有相对硬壳土层的软土地基加固处理技术上是可行的。

(2)强排水复合型动力固结法比采用袋装砂井固结排水法大大的缩短了工期。与采用水泥土搅拌桩加固地基方法相比,不但减少环境污染,工程费用也大大降低,经测算强排水复合型动力固结法加固地基的费用仅为水泥土搅拌桩的1/3～1/4。可见用强排水复合型动力固结法加固地基是一种最经济、快捷的处理地基方法,值得在铁路类似软土地基加固处理中推广使用。

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Application of Mixed Mode of Dynamic Consolidation Method with Forced Drainage for Ground Improvement of Railway Subgrade

WANG Jian,WU Lian-hai
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

As for treating low-saturation soft soil,the dynamic consolidation method(dynamic compaction method)is an economical and efficient ground improvement method.But when the groundwater level is shallower or the subsoil is in high degree of saturation,the efficiency of this method is limited.However,this limitation problem can be broken through by using the mixed mode of dynamic consolidation method with forced drainage.In this mixed mode,the vacuum well-point dewatering method is used for lowering the ground water level so that the consolidation settlement in a part of ground soil can be achieved before the dynamic compaction method being used.This paper,taking an actual construction site on Handan-Huanghua Railway as an example,expounds the mechanism of ground improvement with this mixed mode,and introduces in detail its design and construction.

railway subgrade;mixed mode of dynamic consolidation method with forced drainage; mechanism of ground improvement;design;construction

U213.1+1

A

1004-2954(2013)03-0026-03

2012-08-13;

2012-11-11

王 剑(1964—),男,高级工程师,1988年毕业于西南交通大学铁道工程专业,工学学士。