泡沫轻质土在杭州东站软土路基地基处理中的应用

邓 飞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

杭州东站总建筑面积达32万m2，站内汇聚高铁、普铁、地铁、磁浮等多种交通方式及东西广场地下联系通道、出租车通道等配套服务设施，是长三角重要的综合交通枢纽中心。杭州东站位于深厚软土区，软土含水量高、强度低、易触变、在附加应力作用下变形量大且持续时间长，必须对软土路基进行处理，才能满足工程对稳定和沉降的要求。

泡沫轻质土作为一种新型建筑材料[1-3]，具有轻质性，流动性，强度可调节，固化后可自立[4]等优点，目前，在市政、公路等工程中得到了广泛的应用，但在铁路项目中应用较少。

通过收集分析国内外系列研究成果，发现将泡沫轻质土应用于铁路工程中的理论研究已经完备，但到目前为止，还没有大量开展泡沫轻质土在铁路工程中的实际应用与监测。杭州东站首次将泡沫轻质土应用于铁路路基过渡段，较好地解决了软土路基工后沉降大以及狭小空间填筑压实困难的难题，补充完善了软土路基处理方法，为处理类似复杂工况的铁路路基问题提供了参考和借鉴。

1 工程概况

杭州东站由宁杭甬高速场(13线)、沪杭长高速场(12线)和浙赣普速场(5线)组成，共15台30线。

本软土路基工点共2处，分别位于站房两侧的地下联系通道与出租车通道之间，纵向长22～70 m，横向宽约285 m，基坑深7 m左右；路基填高约3 m。见图1。

1.1 工程地质条件

工点位于冲海积平原，地势平坦、开阔，水塘零星分布，道路众多，交通便利。

经过勘察揭示，场区地层为第四系全新统冲海积粉土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土及第四系上更新统冲洪积黏性土；下伏安山岩，地层的基本物理力学性质指标见表1。

图1 泡沫轻质土的加固范围(阴影部分)

表1 地层基本物理力学性质指标

根据场地岩土层的组合特征、覆盖层厚度及基本物理力学指标，场地土为软弱土～中软土类型。基坑底面位于粉土、粉砂层中，易产生流砂现象；底面以下为海相沉积的厚约23 m的饱和淤泥质软土层，具高压缩性，工程性能差。地下水为第四系孔隙潜水，埋深1～2 m。

1.2 工程环境条件

站房地下联系通道与出租车通道之间基坑内零星分布着各类工程桩等共计130多处，坑内工况复杂，施工场地空间狭小，不具备进行常规地基处理的技术条件和施工空间，坑内采用普通填料不能满足填筑压实标准。基坑内的环境条件见图2。

图2 站房基坑内环境条件

2 处理方案比选

鉴于本次研究主要解决不同构筑物间的差异沉降和基坑回填土填筑压实质量两个方面的问题，在调研已有基坑工程回填处理技术的基础上，对深层地基处理并回填优质填料和采用泡沫轻质土置换两大方案进行了研究分析。

2.1 深层处理方案

常用的软土地基加固处理[5]措施主要有以下几种：复合地基、素混凝土桩、微型桩及应用于高速铁路的钢筋混凝土桩网、桩筏(板)结构等。受两侧地下通道、站房等周边施工，基坑过渡段路基内工程桩等场地环境及地质条件因素的影响或制约，搅拌桩、碎石桩、微型桩、素混凝土桩等不具备实施条件。高压旋喷桩虽具有施工设备小巧等优势，但旋喷桩施工时的高压对既有构筑物影响具有不确定性，同时，由于加固深度达40 m，质量控制有一定的难度。

根据现场施工场地条件和可采用处理方案的优缺点，深层处理方案采用钻孔灌注桩联合承台方案[6]。

2.2 泡沫轻质土置换方案

利用泡沫轻质土容重小的工程特性，换填原地面以下一定厚度土层，以补偿上部路堤填土及列车荷载施加的附加应力，可使软土层的附加应力小于有效自重应力，软土层处于超固结状态，从而达到减小地基工后沉降的目的[7-8]。

2.3 方案比选

根据现场施工场地条件和可采用处理方案的优缺点，从技术可靠性、经济性、工期和环保等方面对两大方案进行综合比较分析，见表2。

表2 处理方案经济技术综合分析对比

经综合比较分析及论证，本工点推荐采用“泡沫轻质土置换方案”。

3 泡沫轻质土置换设计

3.1 设计原理

泡沫轻质土加固处理松软土地基的原理(应力补偿原理)：利用泡沫轻质土容重小、流动性好的工程特性[9-10]，以其置换地基软弱层，使基底以下的土体承受的土压力显著降低，以补偿上部路堤填土及列车荷载施加的附加应力，从而达到减小地基工后沉降[11]的目的。如图3所示。

图3 泡沫轻质土应力补偿示意

根据应力补偿原理，从图3可以得到使地基土附加应力为零时，泡沫轻质土的置换临界厚度公式

γ1×h1+γ2×(D-h1)+γ×h=

γ0×h1+γ0a×(D-h1)

(1)

式中γ——泡沫轻质土上部常规路堤填土的容重，kN/m3；

γ1——泡沫轻质土的表观容重，kN/m3；

γ2——泡沫轻质土吸水后的表观容重，kN/m3；

γ0——地基土天然容重，kN/m3；

γ0a——地基土饱和容重，kN/m3；

h——泡沫轻质土上部常规路堤填土的高度(包括列车及轨道荷载的等效土柱高度)，m；

h1——原地基面到地下水位之间的泡沫轻质土高度，m；

D——地表面以下的泡沫轻质土厚度，m。

式中，h与h1可以根据列车荷载、填土高度、地面高程、地下水位高程确定，只需算出D即可得到泡沫轻质土的置换厚度。当轻质土实际换填厚度小于D值时，附加应力就会引起沉降变形，沉降计算可采用分层总和法。

3.2 设计方法

杭州东站站房软土路基采用泡沫轻质土置换基坑内原状土(容重19.6 kN/m3)处理深厚层软土路基。设计采用泡沫轻质土的表观容重7 kN/m3(已考虑浸水增重影响)，7 d龄期无侧向抗压强度0.4～0.5 MPa，28 d龄期无侧向抗压强度0.8～1.0 MPa[12-14]，置换加固范围为：地下通道与南北出租车通道之间长22～70 m，从西侧宁杭甬高速场的基本站台到东侧沪杭长高速场的第25股道之间宽285 m，置换厚度约7 m。

沉降计算模型如图4所示。

路基沉降验算采用分层总和法，工后沉降计算结果小于2 cm，满足铁路路基过渡段工后沉降控制标准。

4 处理效果分析

为了研究泡沫轻质土处理铁路狭窄空间深厚层软土地基的施工过程中和施工后的应力和变形特性，分别从位于地下联系通道与出租车通道间的杭甬场、宁杭场及杭长场等股道中，选取其中的正线路基(共3处)，在基坑内埋设沉降计和土压力盒等测试元器件，进行监测研究。

4.1 沉降测试结果分析

沉降测试主要依靠单点沉降计完成，分层沉降计作为补充。为了研究地基土层在浇筑泡沫轻质土及上部路基荷载作用下，其地层的整体变形，在不同深度埋设了单点沉降计来监测整体变形[15]，观测期为2012年10月8日到2014年4月15日。不同深度的整体沉降随时间的变化关系[16]如图5所示。

图4 杭州东站泡沫轻质土置换沉降计算概化模型

图5 沉降测点布置及典型断面地层整体沉降曲线

从图5可见，路基沉降收敛速度很快。泡沫轻质土层产生的工后沉降量为1.69～3.47 mm，为浇筑厚度的0.025%～0.05%。而曲线形式表现为先压密变形，随着时间的延长，呈现缓慢回弹现象。基坑底下土层的工后沉降量为4.01～6.71 mm。基坑底以下土层的曲线形式与轻质土沉降曲线类似，也是先压密变形然后逐渐缓慢回弹，只是变形的临界点要早于泡沫轻质土，这与后期地下水位的恢复对各土层产生少量的回弹影响有关。整个路基工后沉降量为4.01～10.18 mm，满足工后沉降控制标准。

4.2 土压力测试结果分析

为研究路基荷载在泡沫轻质土中的传递规律，在泡沫轻质土底部、往上依次每隔2 m布置土压力盒，在每处轻质土层中共埋设4层8个土压力盒，用来测试轻质土中的压力变化[17]。典型断面不同深度的土压力随时间的变化关系如图6所示。

从图6可以得出如下结论。

(1)在泡沫轻质土浇筑期间，基底土压力随着浇筑厚度的增加而增加，其中增加后突然变小并逐渐趋于负值，可能与泡沫轻质土早期内部的温度持续过高(60～80 ℃)有关，从而导致土压力盒的温度系数不准，数据出现负值。待泡沫轻质土浇筑完成后，测得的基坑底的土压力值为24～69 kPa，平均值为43.5 kPa。

(2)随着路基的填筑，基底土压力逐渐增加；待铺轨完成后，基底土压力逐渐趋于稳定，达到最大值50～90 kPa，平均值为69.6 kPa，比泡沫轻质土浇筑完成后增加约26.1 kPa荷载。土压力的稳定值小于路基填筑荷载值。

图6 典型断面垂直土压力变化

(3)因周边基坑一直在降水，地下水的稳定埋深为基坑底高程-1.45 m左右，从2013年3月底开始降水停止，基坑内地下水开始慢慢恢复，由于基坑底部铺了一层素混凝土防水层，基底受到水的浮力作用，因此基底的土压力将减少，最终趋于稳定。这与土压力变化曲线相对应。

5 结论

通过方案比选、现场测试及数据分析，取得了采用泡沫轻质土置换处理狭小空间深厚层软土地基的良好效果。主要成果及结论如下。

(1)泡沫轻质土具有流动性好的特点，适用于处理狭窄受限空间内的软土地基，能解决狭小空间(如采空区、岩溶路基等)填筑压实困难，并大幅缩短施工工期。

(2)泡沫轻质土的容重只有原状土的1/3左右，且强度高，路基填土及列车荷载经泡沫轻质土传递后作用在软土路基上的附加应力大大减小，能有效控制工后沉降，测试结果与沉降估算基本相符，满足铁路路基设计要求。

(3)泡沫轻质土应力补偿原理可补充完善常规软土路基加固方法，通过本工点试验研究，为泡沫轻质土的推广应用提供了参考和借鉴。

(4)泡沫轻质土采用管道输送，在特定环境条件下较之常规处理措施更实用、快捷、经济和环保，是一种新型的铁路软土路基处理材料，具有良好的工程应用前景。

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