黃應(yīng)州

(廣州鐵路(集團(tuán))公司， 廣州 510080)

1 概述

我國(guó)沿海地區(qū)存在大量近代海相沉積的軟弱黏土層,在這種含水量高、壓縮性大、滲透性差、強(qiáng)度低,且土層厚、分布極不均勻的軟土層上修筑鐵路路基是鐵路建設(shè)中的重大技術(shù)難題。廣珠鐵路珠海西站工程位于珠三角海相沉積層位置,地質(zhì)復(fù)雜,淤泥層厚達(dá)24 m,需采用有效的方法進(jìn)行加固處理。對(duì)廣珠鐵路珠海西站軟土路基處理先導(dǎo)工程采用的2種軟土路基處理方法進(jìn)行對(duì)比,為今后鐵路軟土路基處理的設(shè)計(jì)施工提供參考。

2 工程地質(zhì)及工程概況

2.1 工程地質(zhì)概況

廣珠鐵路珠海西站場(chǎng)地地貌為珠三角海相堆積平原區(qū),大部分為水塘,地形平坦。表層為第四系人工雜填土、海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等,為典型的軟土地基,場(chǎng)地基巖為燕山期花崗巖。場(chǎng)地分布厚層松軟土層,淤泥層厚達(dá)24 m,地下水埋深淺,僅為0.20～0.30 m,地層結(jié)構(gòu)較均勻。

2.2 工程概況

珠海西站采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓的加固方式進(jìn)行地基處理,加固面積達(dá)30萬(wàn)m2,需選定合理的施工方法、參數(shù)進(jìn)行加固。珠海西站先導(dǎo)工程的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù),確定施工工藝、方法,選定合理的設(shè)備配置。珠海西站先導(dǎo)工程場(chǎng)地達(dá)77 000 m2,具體試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地布置及施工工藝、方法如圖1所示。

圖1 珠海西站場(chǎng)地及沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

3 施工工藝

3.1 常規(guī)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法施工步驟

常規(guī)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法施工步驟如下：采用吹砂的方法進(jìn)行場(chǎng)地回填,以便場(chǎng)地條件能夠滿(mǎn)足機(jī)械進(jìn)場(chǎng)→利用濕地推土機(jī)連續(xù)往返進(jìn)行推砂平整,排出砂中大量水分,提高場(chǎng)地的承載力→進(jìn)行第1層砂墊層施工,砂墊層厚度為20 cm→進(jìn)行插板施工,插打塑料排水板長(zhǎng)度一般為20～23 m,先導(dǎo)工程段1區(qū)塑料排水板間距為1.0 m,先導(dǎo)工程段2區(qū)塑料排水板間距為0.8 m,按照正三角形布置→第2層砂墊層施工,砂墊層厚度為20 cm,將插打好的塑料排水板覆蓋在砂墊層內(nèi)→真空預(yù)壓系統(tǒng)主、濾管施工,在鋪設(shè)好的砂墊層上面按照設(shè)計(jì)好的主濾管(PVC管)施工布置圖,進(jìn)行主濾管安裝施工,濾管現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示→密封墻施工,把真空預(yù)壓每個(gè)區(qū)的四周均做成密封墻,形成一個(gè)整體的密封系統(tǒng)→待主、濾管安裝、砂墊層鋪設(shè)和密封墻施工全部完成后,首先進(jìn)行第1層土工布鋪設(shè),然后在鋪設(shè)好的土工布上鋪設(shè)2層密封膜,密封膜四周埋入密封墻內(nèi),然后在密封膜上再鋪設(shè)1層土工布→待真空泵和各項(xiàng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝完成后,開(kāi)始正式進(jìn)行抽真空→當(dāng)表面沉降量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)給定要求同時(shí)進(jìn)行上部荷載堆載。

圖2 常規(guī)真空預(yù)壓的濾管布置

3.2 增壓式真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法施工步驟

增壓式真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法施工步驟如下：采用吹砂的方法進(jìn)行場(chǎng)地回填,以便場(chǎng)地條件能夠滿(mǎn)足機(jī)械進(jìn)場(chǎng)→利用濕地推土機(jī)連續(xù)往返進(jìn)行推砂平整,排出砂中大量水分,提高場(chǎng)地的承載力→先導(dǎo)工程段插打塑料排水板長(zhǎng)度一般為20～23 m,先導(dǎo)工程段3區(qū)塑料排水板間距為1.0 m,先導(dǎo)工程段4區(qū)塑料排水板間距為1.2 m,按照正六邊形布置,六邊形的中心放置1個(gè)增壓管→增壓管施工可在插打完塑料排水板后進(jìn)行,在正六邊形的中心布置1個(gè)增壓管,增壓管總長(zhǎng)度為8 m→管網(wǎng)系統(tǒng)連接施工,在插打完塑料排水板和增壓管后,即可進(jìn)行抽真空系統(tǒng)管網(wǎng)連接(鋼絲波紋管)和增壓系統(tǒng)管網(wǎng)連接施工及主管網(wǎng)連接施工,濾管現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示→密封墻施工,把真空預(yù)壓每個(gè)區(qū)的四周均做成密封墻,形成一個(gè)整體的密封系統(tǒng)→待主、濾管安裝、砂墊層鋪設(shè)和密封墻施工全部完成后,首先進(jìn)行第1層土工布鋪設(shè),然后在鋪設(shè)好的土工布上鋪設(shè)兩層密封膜,密封膜四周埋入密封墻內(nèi),然后在密封膜上再鋪設(shè)1層土工布→待真空泵和各項(xiàng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝完成后,開(kāi)始正式進(jìn)行抽真空→待土體固結(jié)度達(dá)到40%以上后開(kāi)始進(jìn)行增壓施工→當(dāng)表面沉降量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)給定要求同時(shí)進(jìn)行上部荷載堆載。

圖3 增壓真空預(yù)壓的濾管布置

4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

路基的沉降是判斷軟土路基處理效果的最重要方法。為了監(jiān)測(cè)場(chǎng)地表層沉降,在每個(gè)區(qū)布置2個(gè)沉降觀測(cè)斷面,每個(gè)觀測(cè)斷面上均勻布置5個(gè)沉降板。為了研究不同土層的固結(jié)情況,在先導(dǎo)工程每個(gè)區(qū)布置分層沉降觀測(cè)孔一個(gè)。觀測(cè)孔每2 m布置一個(gè)觀測(cè)磁環(huán),共設(shè)置12個(gè)觀測(cè)斷面。地面沉降觀測(cè)測(cè)點(diǎn)具體布置如圖1所示,場(chǎng)地沉降及分層沉降觀測(cè)豎向剖面布置如圖4所示。

圖4 場(chǎng)地沉降及分層沉降觀測(cè)豎向剖面布置

4.2 地面沉降觀測(cè)

沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,先導(dǎo)工程1區(qū)路基平均最大沉降量為1 602 mm；其中1區(qū)各沉降板中,最大沉降量為1 666 mm；最小沉降量為1 563 mm。先導(dǎo)工程2區(qū)路基平均最大沉降量為1 345 mm；其中2區(qū)各沉降板中,最大沉降量為1 495 mm；最小沉降量為1 135 mm。先導(dǎo)工程3區(qū)路基平均最大沉降量為1 844 mm；其中3區(qū)各沉降板中,最大沉降量為1 994 mm；最小沉降量為1 782 mm。先導(dǎo)工程4區(qū)路基平均最大沉降量為1 389 mm；其中4區(qū)各沉降板中,最大沉降量為1 542 mm；最小沉降量為1 262 mm。4個(gè)區(qū)的沉降-真空度-堆載高度曲線如圖5所示。

整個(gè)先導(dǎo)工程在停止抽真空前連續(xù)2周沉降速率均小于1 mm/d,滿(mǎn)足由設(shè)計(jì)方面給定的停止抽真空要求值,且沉降曲線趨于平緩,表明這段路基沉降已達(dá)基本收斂,趨于穩(wěn)定。

圖5 珠海西站先導(dǎo)工程沉降-真空度-堆載高度

4.3 分層沉降觀測(cè)

先導(dǎo)工程1區(qū)最大累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第1個(gè)磁環(huán)處(-2 m),沉降量為1 412.0 mm；最小累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第12個(gè)磁環(huán)處(-24 m),沉降量為482.3 mm。

先導(dǎo)工程2區(qū)最大累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第1個(gè)磁環(huán)處(-2 m),沉降量為1 360.5 mm；最小累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第12個(gè)磁環(huán)處(-24 m),沉降量為592.0 mm。

先導(dǎo)工程3區(qū)最大累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第1個(gè)磁環(huán)處(-2 m),沉降量為1 723.5 mm；最小累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第12個(gè)磁環(huán)處(-24 m),沉降量為161.5 mm。

珠海西站先導(dǎo)工程4區(qū)：最大累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第1個(gè)磁環(huán)處(-2 m),沉降量為1 235.5 mm；最小累計(jì)分層沉降值發(fā)生在地表下第12個(gè)磁環(huán)處(-24 m),沉降為376.0 mm。具體分層沉降曲線如圖6所示。從地基土分層沉降圖看出,先導(dǎo)工程固結(jié)沉降主要發(fā)生在地表面以下10 m以上淤泥層深度范圍內(nèi)。

5 加固效果對(duì)比

5.1 固結(jié)度推算

根據(jù)太沙基固結(jié)理論,固結(jié)度Ut的理論解普遍表達(dá)式為

Ut=1-αe-βt

(1)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,三點(diǎn)法最終沉降量S∞計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中,S1、S2、S3為加荷停止后,時(shí)間t1、t2、t3相應(yīng)的沉降量,并取t2-t1=t3-t2,根據(jù)系數(shù)α、β可求出任意時(shí)間t土層的固結(jié)度Ut,其中α一般可取理論值8/π2。

通過(guò)沉降數(shù)據(jù)計(jì)算得到先導(dǎo)工程4個(gè)區(qū)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的固結(jié)度及最終沉降量,如表1所示。

5.2 加固前后土層物理性質(zhì)變化

在加固前對(duì)場(chǎng)地土(主要為軟土層)進(jìn)行取樣,進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),得到土的力學(xué)性質(zhì)。在真空預(yù)壓后,對(duì)場(chǎng)地相同位置再進(jìn)行取樣,對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)并對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體物理指標(biāo)如表2所示。對(duì)10 m以上淺部軟土層,該土層主要的物理性質(zhì)指標(biāo)——含水率、液性指數(shù)、孔隙比、壓縮系數(shù)有較明顯的降低,天然密度、壓縮模量有了一定的增大。以上對(duì)比可能由于受取樣數(shù)量、土質(zhì)變化等因素影響,但總的說(shuō)明淺部軟土經(jīng)加固排水后孔隙比小了,壓縮性低了,重度增加了。對(duì)10 m以下深部軟土層,該土層主要的物理性質(zhì)指標(biāo)——含水率、液性指數(shù)、孔隙比、壓縮系數(shù)、天然密度、壓縮模量基本不變,說(shuō)明加固主要為10 m以上的上部軟土。

圖6 珠海西站先導(dǎo)工程分層沉降

測(cè)點(diǎn)號(hào)固結(jié)度/%相關(guān)系數(shù)(R)三點(diǎn)法最終沉降量/mmN1C195.200.997-1706.6N1C294.900.995-1656.5N1C394.800.996-1656.4N1C494.400.995-1706.3N1C594.400.998-1662.5N1C695.100.998-1732.9N1C795.000.998-1649.3N1C894.700.995-1691.4N1C993.800.994-1650.9N1C1094.200.998-1669.6測(cè)點(diǎn)號(hào)固結(jié)度/%相關(guān)系數(shù)(R)三點(diǎn)法最終沉降量/mmN2C190.800.993-1227.5N2C295.700.997-1306.1N2C397.400.996-1347.5N2C498.300.997-1504.0N2C595.300.993-1466.2N2C691.300.996-1442.4N2C794.400.995-1359.8N2C897.500.997-1395.1N2C998.500.995-1457.2N2C1096.000.994-1391.8測(cè)點(diǎn)號(hào)固結(jié)度/%相關(guān)系數(shù)(R)三點(diǎn)法最終沉降量/mmN3C190.300.992-1991.1N3C290.500.995-1977.9N3C390.700.995-1978.8N3C491.000.998-2043.8N3C592.000.998-2063.6N3C690.300.994-2007.0N3C790.200.996-1966.5N3C890.600.996-1965.2N3C990.300.999-2080.6N3C1090.900.998-2185.2測(cè)點(diǎn)號(hào)固結(jié)度/%相關(guān)系數(shù)(R)三點(diǎn)法最終沉降量/mmN4C190.500.995-1478.5N4C290.600.995-1505.8N4C390.300.995-1509.8N4C491.800.989-1518.9N4C590.400.988-1709.9N4C691.400.994-1621.9N4C790.300.995-1481.2N4C890.700.995-1399.2N4C991.600.990-1493.0N4C1090.800.989-1647.3

表2 軟土層加固前后主要物理指標(biāo)對(duì)照

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),珠海西站先導(dǎo)工程抽真空期間,表層真空度維持符合相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,土體固結(jié)速度較快；真空堆載聯(lián)合預(yù)壓后,土體固結(jié)明顯加快。結(jié)束真空堆載聯(lián)合預(yù)壓后,先導(dǎo)工程土體固結(jié)基本滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范文件的要求,設(shè)計(jì)參數(shù)合理,施工工藝、方法可行。

(2)增壓真空堆載聯(lián)合預(yù)壓與相比常規(guī)真空堆載聯(lián)合預(yù)壓相比,增壓式真空堆載聯(lián)合前期固結(jié)速度較快。土體固結(jié)需要相對(duì)較短的施工時(shí)間即可達(dá)到相關(guān)規(guī)范文件的要求。建議在施工工期較為緊張情況下,采用增壓式真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法。但常規(guī)式真空堆載聯(lián)合預(yù)壓施工相對(duì)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單,建議在施工工期相對(duì)寬松情況下,采用常規(guī)真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法。在采用同種施工工藝的時(shí)候,土體固結(jié)速度相似。從經(jīng)濟(jì)上考慮,建議采用板間距較大的施工方案。

(3)在真空預(yù)壓階段,隨著土層中水氣的抽出及時(shí)間的持續(xù),土體顆粒間的孔隙逐漸增大,但土骨架并沒(méi)有隨之完全被壓縮。施加堆載以后,土顆粒之間的有效應(yīng)力增加,從而使土體顆粒密實(shí),產(chǎn)生較大的沉降,說(shuō)明真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟土地基是一種行之有效的方法。在開(kāi)始填筑路基后,累計(jì)沉降曲線存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn),曲線斜率變陡說(shuō)明真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓的聯(lián)合加速了固結(jié)沉降的速度。真空堆載聯(lián)合預(yù)壓能使地基產(chǎn)生較大沉降速率,能有效縮短加固時(shí)間,降低施工成本。

(4)分層沉降監(jiān)測(cè)成果表明,在相同的時(shí)間內(nèi),總體上淺部的沉降量大于深部的沉降量。0～10 m的淤泥層壓縮量最大,主要沉降量來(lái)自10 m以上,但真空預(yù)壓的影響深度可以達(dá)到塑料排水板底下一定深度,這部分沉降主要是由于地下水位下降所增加的附加應(yīng)力引起的。

(5)在加固前后場(chǎng)地同一地點(diǎn)附近進(jìn)行取樣,試樣表面對(duì)10 m以上淺部軟土層土的力學(xué)性質(zhì)得到改善,加固效果明顯。10 m以下土層,并無(wú)明顯變化,加固影響深度與分層沉降得到的基本一致。

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