天津铁路集装箱中心站真空-堆载联合预压法沉降控制设计

余学鹏，崔俊杰，韩志霞，刘　浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

天津铁路集装箱中心站真空-堆载联合预压法沉降控制设计

余学鹏，崔俊杰，韩志霞，刘浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要：基于天津新港北铁路集装箱中心站工程，并结合场地状况，对地基处理方案进行研究和比选，选择真空-堆载联合预压法作为地基处理方案。根据铁路行业相关设计规范，就真空-堆载联合预压法在铁路工程中的应用设计进行详细阐述，重点通过试验段研究、地基沉降计算和地基固结计算等提出真空预压控制指标，并通过对增压防堵真空预压区(ZY-5)监测和检测结果分析，验证整个计算过程的合理性和准确性。

关键词：软土路基；地基处理；吹填土；真空-堆载联合预压法

天津新港北铁路集装箱中心站工程场地的吹填土料源主要为天津近海的第四系陆海相沉积的淤泥、淤泥质黏土，且吹填造陆工程完成约3年，地基以高含水量的淤泥为主，属于流塑状态，厚度在11.0～21.0 m，不适用强夯、强夯置换以及高真空击密等兼有排水固结和置换作用的处理方法，且碎石桩、搅拌桩、旋喷桩等复合地基法不具备施工条件且造价过高。因而，本工程地基处理方案通过对堆载预压、真空预压和真空-堆载联合预压法等多方案的技术经济比选，设计选择真空-堆载联合预压法作为本工程的地基处理方法[1]。

1工程地质条件

天津新港北铁路集装箱中心站位于天津港东疆港区内新港八号路与海铁大道之间，实施工程总面积约70万m2，其中北侧到发场24.7万m2，南侧装卸线及箱区约45万m2。进港三线正线自DK12+760(站线分界里程)处，路基填料与到发线一致，即正线、到发线、装卸线基床表层均采用0.3 m 厚A组土，基床表层以下采用0.9 m厚B组土填筑，集装箱场铺面下采用B组土填筑。场区所在位置原为滨海滩涂区，表层为吹填土，层厚为11.0～21.0 m。

选取增压防堵真空预压区(ZY-5)作为研究对象，吹填土厚度15.1 m，打插排水板深度16.1 m，其加固前ZY-5区吹填土物理力学统计指标详见表1[2-3]。

表1　ZY-5区吹填土物理力学统计指标

2工程设计标准与场地条件分析

2.1铁路到发区地基处理设计标准

根据《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)、《铁路特殊路基设计规范》(TB10035—2006)和《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)：

(1)路基基床底层承载力设计标准σ0≥120 kPa；

(2)地基稳定性安全系数不考虑轨道及列车荷载≥1.20，考虑轨道及列车荷载≥1.10；

(3)地基沉降设计标准工后沉降量≤30 cm。

2.2ZY-5区路基设计条件分析

(1)场地条件：吹填土层厚15.1 m(泥面高程4.0 m)，下伏粉质黏土层，地下水位3.93 m，物理力学指标详见表1。

(2)路基填筑设计高程：本工程路基填筑设计采用三级界面，即，第一级真空预压工作垫层，素填土，填土高程4.5 m，填筑范围为用地界外17 m；第二级为路基基床底面(路基站场分界面4.3 m)，合格填料，同时作为联合预压荷载，填筑范围为铁路用地界外2 m；第三级为路基面，地基处理完成并检测合格后，填筑路基基床，路肩高程5.58 m，详见图1。

图1　ZY-5区真空预压后路基填筑示意(单位：m)

2.3场地条件分析

(1)吹填土地基基本承载力不足50 kPa，需铺设荆笆、竹排，人员方可在其上行走；

(2)场地路堤临界填筑高度Hc=5.52CU/γ，即1.46 m；

(3)临近工程经验：本工程装卸区采用直排式真空预压，吹填土厚11.2 m，平均沉降约1.5 m。

(4)基于路基正常使用期荷载的地基沉降初步估算：ZY-5区路基填高1.76 m，冲填土厚度15.1 m，在设计荷载作用下，同时考虑施工期沉降影响后，路堤的实际计算高度为3.15 m，估算地基总沉降1.21 m(只考虑设计荷载时，沉降修正系数取1.8)。

3真空-堆载联合预压法设计简介

3.1真空-堆载联合预压法设计

(1)原地面铺竹排、荆笆、土工格栅和编织土工布，其上填0.5 m厚素土作为工作垫层；

(2)塑料排水板采用等边三角形布置，间距0.9 m，深度16.1 m，塑料板应打穿冲填土层和其下的淤泥质土层，并进入下层粉土或粉质黏土深度不小于0.5 m，塑料排水板通过手型接头及三通接入真空管网系统；

(3)增压管矩形布置，深4 m，下部需布设排水板，增压管通过三通接入增压系统；

(4)真空泵数量控制在900～1 100 m21台，于真空管网及增压管网合适位置设置主管分别与真空泵、增压泵相连接；

(5)管网顶面依次铺设1层编织土工布、 1层无纺土工布、2层PVC真空膜、1层无纺土工布和1层编织土工布；

(6)真空预压2个月后填筑素土，进行联合堆载预压，联合预压时间1～2个月。

3.2真空-堆载联合预压法质量验收要求

(1)卸荷验收：连续4昼夜实测地面沉降速率小于2 mm/d，地基固结度不小于90%时，经验收合格后，可终止预压。

(2)预压后地基应进行原位测试和土工试验，以检验地基加固效果。

4试验段研究

常规真空预压真空度由水平排水系统(主管、滤管和砂垫层)传递到塑料排水板，再由塑料排水板传递到预压土体。在真空度传递过程中，由于水平排水系统的阻尼作用，导致真空度损失很大。直排式、增压防堵真空预压法都是在常规真空预压基础上发展而来，与常规真空预压法相比，直排式真空预压法和增压防堵真空预压法都对常规真空预压做了改进，取消了水平砂垫层能有效降低工程造价，更符合环保的要求，同时加固后的效果较常规真空预压加固后效果更好。增压防堵真空预压与直排式真空预压区别如下[4-7]。

(1)直排式真空预压法采用普通的FDPS塑料排水板，增压防堵真空预压法采用防淤堵无纺布滤膜PDPS整体式排水板。

(2)增压防堵真空预压法用手型接头和钢丝软管替代水平排水系统，可使真空压力基本无衰减地传递到软土地基的排水板中，加速土体固结。

(3)增压防堵真空预压法增加了加速表层吹填土固结的增压系统。

为了验证真空预压效果，施工图设计前做了3个试验段，增压防堵真空预压法2个区，分别采用1.0 m和0.9 m两个间距，排水板为PDPS整体式排水板；直排式真空预压法1个区，采用0.9 m间距，排水板为FDPS塑料排水板[8-9]。

(1)预压期沉降：采用间距为0.9 m的增压防堵真空预压加固后的吹填土地表沉降最大，沉降为1.448 m。

(2)施工期水位变化率：真空预压期水位降幅为1.47～1.98 m。

(3)孔隙水压力：真空预压期孔隙水压力变化值为42.9～103.5 kPa。

(4)土层的含水率：由38.2%～72.9%下降到了30.9%～51.0%。

(5)土的抗剪强度：土层的十字板抗剪强度由加固前1.1～34.2 kPa增到加固后的12.0～47.8 kPa。

5施工期地基沉降计算

5.1基于含水率变化的计算法

在计算土的物理性质指标时，通常认为土是由空气、水和土颗粒三相组成，试验直接测定的基本物理性质指标有含水量(ω)、相对密度(ds)和质量密度(ρ)，由上述3项可以换算为干密度(ρd)、饱和度(Sr)和土的总体积(V)等指标。

(1)

(2)

(3)

式中，ms为土粒质量；ρw为水的密度；Vs为土粒体积。

充分考虑加固前后吹填土特性，假设：①加固前后土粒质量不变，且土粒不可压缩，即Vs不变，ds不变；②加固前后饱和度均取100%；③加固区宽105 m，不考虑非加固区侧向挤压变形，则根据式(1)、式(2)和式(3)可得

1.183(取加固后吹填土层含水率50%)

增压防堵真空预压区(ZY-5)淤泥质吹填土厚12.1 m(扣减低含水率砂层、粉土层3 m)，则真空-堆载联合预压法处理后，地基沉降需大于1.87 m。

5.2基于施工期荷载的分层总和法计算[10-13]

地基总沉降量(S)中的瞬时沉降不单独计算。将主固结沉降乘以修正系数(m)来考虑瞬时沉降及其他因素的影响，即：S=mSc，其中主固结沉降Sc采用分层总和法计算。

(1)主固结沉降产生原因：主固结沉降是指荷载作用在地基上后，随着时间的延续，外荷不变而地基土中的孔隙水不断排除过程中所发生的沉降，它起于荷载施加之时，止于荷载引起的孔隙水压力完全消散之后，是地基沉降的主要部分。

(2)真空-堆载联合预压法施工期沉降变形过程

①填土垫层期，地基产生瞬时沉降，形成超孔隙水压力；

②打插排水板期间和抽真空初期，地基沉降主要源于超孔隙水压力消散，有效应力增长，引起超孔隙水压力的外部荷载则是填土垫层；

③抽真空中期，孔隙水压力逐渐达到新的平衡(相对静水压力下降到某点的真空度)，地基沉降源于孔隙水压力消散，而引起孔隙水压力消散的则是真空度；

④真空-堆载联合预压时，堆载引起孔隙压力增大，打破了抽真空状态的平衡。此时，地基沉降变形由新增孔隙水压力的消散引起，直至达到新的应力状态平衡。整个地基沉降变形过程中，有效应力不断增加，而孔隙水压力在消散，某点孔隙水压力为静水压力减去某点真空度。

(3)施工期荷载组成

①填土垫层荷载增量，由0.5 m素土垫层和填土垫层过程中填土沉落土层(0.4 m)两部分组成。该填土在膜下，取浮重度。

②真空度引起荷载增量，真空负压通过排水板传递到吹填土层中，引起孔隙水压力消散。在外部条件不变得情况下，随孔隙水压力消散，有效应力不断增加。

③堆载引起的荷载增量，在吹填土在真空负压的下，吹填土层不断排水固结。根据5.1，计算时取堆载土层厚1.0 m。

(4)堆载预压后设计荷载

充分考虑土工格栅、真空膜、土工布的整体性作用，视膜上填筑土为整体。设真空-堆载联合预压法高程为4.0 m，则地基加固后新增填筑土荷载为40.1 kPa，其中列车换算荷载11.5 kPa(按照5列考虑)。

(5)修正系数取值：根据滨海新区真空预压工程经验，填土垫层与打插排水板期间沉降就大于0.6 m，故取修正系数为1.5。

(6)真空-堆载联合预压法地基预测沉降量：2.108 m。

(7)真空-堆载联合预压法处理过程中，固结达到90%时，地基沉降1.90 m。

5.3沉降控制和固结度设计指标

综合以上分析，真空-堆载联合预压施工期：

(1)沉降控制指标≥1.90 m；

(2)固结度控制指标≥90%。

6地基固结度设计(表2)

地基固结度受排水板间距、布置形式、荷载加载级数、加载时间、加载速率和加载大小等影响，需对各参数反复计算，求得最佳组合[14]。

根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)，地基平均固结度按式(4)进行计算

(4)

(1)设计阶段：经反复验算，塑料排水板采用等边三角形布置，间距0.9 m，预压2个月后填筑素土进行联合堆载预压，联合预压时间1～2个月，膜下真空度不小于80 kPa；每次加载10 d内完成，固结度可以达到98.3%。

(2)施工阶段：因增压防堵真空预压区(ZY-1和ZY-5)冬季施工，膜上水层结冰，无法填筑。经重新验算，堆载在抽真空4个月后填筑，堆载预压时间1个月，固结度可以达到96.7%。

表2　固结度设计

7真空-堆载联合预压法加固效果

7.1加固后吹填土物理力学指标[15](表3)

表3　加固后吹填土物理力学指标

7.2施工期地基沉降变形

根据新建天津新港北铁路集装箱中心站工程真空预压监测和检测报告，地基填土垫层期沉降0.421 m，打插排水板期沉降0.204 m，预压期沉降1.355 m，施工期沉降合计1.98 m，固结度达到94%，与前述计算的施工期沉降控制标准1.90 m基本相符；地基吹填土最大压缩率达到15.66%；地基最大侧向变形674.2 mm。

7.3路基填筑后沉降

路基填筑完成后，2013年12月实测路肩高程为5.865 m，2014年12月实测路基高程5.813 m，沉降差为0.052 m。

7.4复合地基承载力

根据第三方检测单位平板载荷试验结论：增压防堵真空预压处理过的地基上共抽检的6点浅层平板载荷试验，分别为1区DK13+610、2区DK13+830、2区与3区压膜沟DK13+880、3区DK13+930、4区DK14+130、5区DK14+340，全部6点试验的地基承载力特征值均可取120 kPa[16]，满足设计要求。

本工程的真空-堆载联合预压属于超载预压，施工期荷载大于正常使用期荷载，所以真空-堆载联合预压法加固效果满足铁路到发区地基处理设计标准。

8结语

真空-堆载联合预压法技术发展至今，理论研究日渐深入，施工工艺不断创新发展，广泛应用于港口工业、垃圾填埋场处理等领域。而在铁路工程中应用相对较少，主要原因在于：(1)真空-堆载联合预压法加固后，地基仍具有中～高压缩性，比较难以满足铁路特别是高速铁路线路工程的承载力和工后沉降要求；(2)真空预压终止标准：固结度、沉降速率都受施工条件控制，施工工艺要求高。但对于大型集装箱堆场而言，特别是深厚吹填土地基上的大面积地基处理而言，真空-堆载联合预压法在经济效益方面有着绝对优势。

根据天津新港北铁路集装箱中心站工程场设计、施工、监测和检测经验，对铁路地基加固工程中采用真空-堆载联合预压法有以下几个方面体会。

(1)真空预压设计时，应准确掌握土的性质和分布形式，对排水板间距、布置形式、荷载加载级数、加载时间、加载速率和加载大小等应反复验算，以保证地基承载力、工后沉降等满足铁路工程需要。

(2)在深厚吹填土地段，在满足防洪等条件下，应尽量压低路肩高程，以保证地基承载力和稳定性验算，避免二次地基处理引起工程费用成倍增加。

(3)采用具有防淤堵性能的整体式排水板，能够有效提高真空预压效果。

(4)真空预压加载条件、真空预压预压时间等控制指标，需通过地基沉降、固结度详细计算给定。

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Settlement Control with Vacuum-mound Preloading in Tianjin Xingang North railway Container Central Station

YU Xue-peng， CUI Jun-jie， HAN Zhi-xia， LIU Hao

(China Railway Engineering Consulting Group Co. Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：Based on the engineering in Tianjin Xingang North railway container central station， and in accordance with site conditions， this paper addresses the foundation treatment and selection of vacuum-mound preloading method. According to the design specifications related to railway industry， the application of vacuum-mound preloading method in railway engineering design is expatiated. Control indices of vacuum preloading are put forward after study on test section， calculation of foundation settlement and ground consolidation. The reasonableness and accuracy of entire calculation process is verified by monitoring and detection of anti-clogging & pressure boosted vacuum preloading area (ZY-5).

Key words：Subgrade in soft soil zone; Foundation treatment; Dredger fill; Vacuum-mound preloading method

中图分类号：U291.5； U213.1+5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.016

文章编号：1004-2954(2015)06-0069-04

作者简介：余学鹏(1982—)，男，工程师，2009年毕业于中国地质大学(北京)地质工程专业，工学硕士，E-mail：41952916@qq.com。

收稿日期：2014-12-02； 修回日期：2014-12-15