真空联合堆载预压在沿海铁路软土地基处理中的应用

周丽华

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

沿海地区表层一般均为厚层淤泥质土，含水量高、孔隙比大，在上部荷载作用下，容易发生地基基础变形大、地基稳定性差等问题，如何控制工程的沉降、确保地基稳定就成为建筑工程设计的关键所在，在满足技术要求的同时地基处理的经济性也是必须考虑的因素。

通常在地基处理方法选择时，首先根据场地要求和天然地基条件确定地基是否需要处理，若天然地基满足建筑物对地基的要求，尽量采用天然地基;若天然地基不能满足要求时，应考虑上部结构、基础和地基的共同作用，并结合天然地层条件、地基处理方法的原理、既有工程经验、机具设备、材料条件等，进行地基处理方案的可行性研究，提出多种技术上可行的方案。其次，对已经提出的多种技术方案进行技术、经济、施工进度等多方面的比较分析后，确定最终的地基处理方案。

1 工程概况

某铁路地处滨海地区，区间线路所经地段多为盐田、养参池及海边滩涂区，以填方通过，路堤填高3～5 m。

地基表层为淤泥质黏土，深灰色，流塑，有腥味，含有腐植物，层厚2.0～11.0 m，淤泥质土层较厚;其下为粉质黏土，灰黄～褐灰色，软塑，偶见螺壳，层厚0.7～2.0 m;再下为石灰岩，灰黑色，主要矿物成分为方解石，隐晶质结构，中厚层状构造，弱风化。

淤泥质黏土层主要物理力学指标为γ=17.2 kN/m3，c=6.5 kPa，φ =1.9°，三轴剪指标为 Ccu=8.0 kPa，φcu=16.8°，Cu=9.0 kPa，φu=1.6°，无侧限抗压强度为qu=16.0 kPa。

地下水埋深为0.1～2.6 m。地下水对混凝土具硫酸盐侵蚀，环境作用等级H3;具镁盐侵蚀，环境作用等级H2;氯岩环境作用等级L3。

2 方案选择

根据地层及路堤填高的前提，结合本线路基工后沉降应控制在30 cm以内的具体情况，首先进行了软土地基相关基础计算。

(1)填筑临界高度费兰纽斯公式

式中 Hc——填土临界高度，m;

Cu——不排水剪切的黏聚力，kPa;

γ——填料容重，kN/m3。

(2)稳定系数计算公式

式中 Si——地基土内第i个土条滑体的抗剪力，kN，不考虑固结作用;

Sj——路堤内第j个土条滑体的抗剪力，kN;

Pt——各土条在滑弧切线方向的下滑力总和，kN。

经计算填高4 m段落，Fs为0.69;填高5 m段落，Fs为0.57。

(3)总沉降计算公式

S=ms·Sc

式中 ms——沉降经验修正系数，采用堆载预压时，可取1.2～1.4;采用真空预压时，可取1.0～1.2;

Sc——主固结沉降，m。

经计算填高4 m段落，S为1.2 m;填高5 m段落，S为1.5 m。

(4)用e～p曲线计算主固结沉降

式中 n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数;

Δhi——第 i层土的厚度;

e0i——第i层土中自重应力所对应的孔隙比;

e1i——第i层土中自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比。

计算结果显示临界高度小于3 m，而路堤填高为3～5 m，均超过了软土的临界高度，应采取必要的地基处理措施。

该段路基基底淤泥质土具有天然含水量高、孔隙比大、渗透性低的特点，尤其是深厚层淤泥质土欠固结、具压缩性高、具触变性、流变性、不均匀性及抗剪强度低等特性，这些都增大了地基处理难度。考虑方案技术经济合理要求，设计针对塑料排水板、真空联合堆载(自载)预压和搅拌桩加固地基进行了方案比选(表1)。设计选取填高5.0 m段落进行了方案比选，地基加固面积为37 565 m2，软土层厚11.0 m。

表1 方案比较

方案优缺点分析如下。

方案1:塑料排水板方案，是淤泥质软土地层非常适用的排水固结法，优点是采用单纯排水固结法，施工工艺简单，投资最低;缺点是需要堆载预压材料，路堤填筑、地基固结时间最长，满足不了工期要求。

方案2:真空联合堆载(自载)预压方案，直接采用真空压强作为预压荷载，真空荷载相当于3～4 m高的填土荷载，其优点是在真空预压期间进行路堤填筑，施工时间相对于排水板较短;预压在堆载过程中路基一次成型，既达到了软基处理的目的，同时又完成了路基的填筑过程，减少了卸载再填筑的工序;联合堆载预压可以加速前期沉降，从而减少工后沉降;而且由于真空预压是负压固结，堆载预压是正压固结，在负压状态产生向内的收缩变形，该向内的收缩变形可以抵消由填土产生向外的挤出变形，从而提高了地基的稳定性。投资仅是搅拌桩方案的33%;缺点是施工工艺略微复杂，施工周期比搅拌桩方案长。

方案3:水泥搅拌桩方案，优点是以水泥土桩加固地基，能很好地解决场地的稳定和沉降问题，且施工后很短时间内路基就能填筑;缺点是投资高，较真空联合堆载(自载)方案增加投资1 250万元，其投资是塑料排水板方案的7.5倍。

综合考虑本工程工期、经济及技术要求，方案二在保证工期的前提下，具有较好的经济效益，所以最终确定真空联合堆载(自载)预压方案做为推荐方案。

3 设计及施工

(1)真空联合堆载(自载)预压，排水板间距1.15 m，等边三角形布置，排水板长10 m，排水板顶部设0.5 m厚砂垫层，其上部铺设一层高强聚酯长丝经编土工格栅。真空预压横断面布置及管路布置，详见图1、图2。

图1 地基加固横断面示意

图2 真空泵及管路布置示意(单位:m)

(2)施工顺序:铺设砂垫层，施打塑料排水板。

(3)塑料排水板的施工工序:机具就位;将塑料带通过导管从管靴穿出;将塑料带与桩尖连接贴近管靴并对准桩位;插入塑料带;拔管剪断塑料带;机具移位等。

(4)塑料排水板打设完成后，于各处理单元四周开挖密封沟;密封沟开挖完成后，铺设砂垫层，并于砂垫层内布设真空管路，布设射流泵及真空度测头;管路布设完成后，覆盖3层聚乙烯或聚氯乙烯密封膜;沟内用黏土回填夯实，并形成高不小于20 cm的堵水围堰，在真空试抽、膜内真空度达到80 kPa，确信密封系统不存在问题时，薄膜上覆10～20 cm水。

真空预压设备和滤水管的选型及布置，施工时必须根据现场实际及施工经验作相应调整，满足设计要求的真空度。预压阶段要求膜内真空度不小于80 kPa。

(5)堆载(自载)预压施工一定得等膜下真空度稳定，并达到设计要求并稳定15 d后，确定不漏气时才可按要求逐层填筑路基。膜上、下应采取避免膜破损的可靠措施。

4 现场实际情况

真空联合堆载(自载)预压地基沉降-荷载-时间变化曲线如图3、图4所示。

图3 DK2+900沉降曲线

图4 DK1+700沉降曲线

现场于2008年6月25日开始真空预压阶段，真空度逐步达到设计要求的80 kPa后，最初3 d，沉降速率很快，最高可达20～43 mm/d。随着时间的推移，沉降速率逐渐减小至2～4 mm/d，至2008年12月8日开始第一级填土堆载(自载)前，即真空预压约5个月后，总沉降达到33.2～82.5 cm。

于2008年12月8日开始逐级填筑后，便进入真空联合堆载(自载)阶段。加载时沉降速率变大，然后趋于平缓，随着每一级加载，沉降速率由徒增至平缓的走势进行。直至自载填筑结束后40 d时，总沉降达到83.6～127.4 cm。

根据观测数据采用双曲线法进行沉降预测，预测总沉降为103.8～140.9 cm，剩余工后沉降为20.2～13.5 cm，满足设计要求。经过近5年的运营，该区间线路地基稳定，没有出现滑移、失稳、工后沉降过大等现象，达到了预期的处理效果。

5 结语

(1)真空预压的成功与否，关键在于施工工艺的控制，首先要确保良好的气密性，使预压区与大气层隔绝，若加固区存在透气层和透水层时，应考虑真空预压的可实施性或采取有效的密封措施隔断透水层。所以排水板长度不应穿透软土层，否则真空度达不到设计要求，达不到预期的加固效果。其次，在填土及降低真空度过程中应加强地基沉降与土的侧向位移观测，严格控制填土速率，严格控制真空联合堆载(自载)预压完成后逐级降低真空度速度，以确保路堤不失稳。

(2)真空联合堆载(自载)加固方法，在充分利用路基填筑土作为预压荷载的基础上，路基也一次成型，既达到了软基处理的目的，同时又完成了路基的填筑过程，减少了卸载再填筑的工序，既节省了投资，又缩短了工期，是一种在施工工期紧张前提下处理深厚软土层既经济又有效的方案。

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