周麗華

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

沿海地區(qū)表層一般均為厚層淤泥質(zhì)土，含水量高、孔隙比大，在上部荷載作用下，容易發(fā)生地基基礎(chǔ)變形大、地基穩(wěn)定性差等問題，如何控制工程的沉降、確保地基穩(wěn)定就成為建筑工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，在滿足技術(shù)要求的同時(shí)地基處理的經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮的因素。

通常在地基處理方法選擇時(shí)，首先根據(jù)場(chǎng)地要求和天然地基條件確定地基是否需要處理，若天然地基滿足建筑物對(duì)地基的要求，盡量采用天然地基;若天然地基不能滿足要求時(shí)，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的共同作用，并結(jié)合天然地層條件、地基處理方法的原理、既有工程經(jīng)驗(yàn)、機(jī)具設(shè)備、材料條件等，進(jìn)行地基處理方案的可行性研究，提出多種技術(shù)上可行的方案。其次，對(duì)已經(jīng)提出的多種技術(shù)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度等多方面的比較分析后，確定最終的地基處理方案。

1 工程概況

某鐵路地處濱海地區(qū)，區(qū)間線路所經(jīng)地段多為鹽田、養(yǎng)參池及海邊灘涂區(qū)，以填方通過，路堤填高3～5 m。

地基表層為淤泥質(zhì)黏土，深灰色，流塑，有腥味，含有腐植物，層厚2.0～11.0 m，淤泥質(zhì)土層較厚;其下為粉質(zhì)黏土，灰黃～褐灰色，軟塑，偶見螺殼，層厚0.7～2.0 m;再下為石灰?guī)r，灰黑色，主要礦物成分為方解石，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，弱風(fēng)化。

淤泥質(zhì)黏土層主要物理力學(xué)指標(biāo)為γ=17.2 kN/m3，c=6.5 kPa，φ =1.9°，三軸剪指標(biāo)為 Ccu=8.0 kPa，φcu=16.8°，Cu=9.0 kPa，φu=1.6°，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為qu=16.0 kPa。

地下水埋深為0.1～2.6 m。地下水對(duì)混凝土具硫酸鹽侵蝕，環(huán)境作用等級(jí)H3;具鎂鹽侵蝕，環(huán)境作用等級(jí)H2;氯巖環(huán)境作用等級(jí)L3。

2 方案選擇

根據(jù)地層及路堤填高的前提，結(jié)合本線路基工后沉降應(yīng)控制在30 cm以內(nèi)的具體情況，首先進(jìn)行了軟土地基相關(guān)基礎(chǔ)計(jì)算。

(1)填筑臨界高度費(fèi)蘭紐斯公式

式中 Hc——填土臨界高度，m;

Cu——不排水剪切的黏聚力，kPa;

γ——填料容重，kN/m3。

(2)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式

式中 Si——地基土內(nèi)第i個(gè)土條滑體的抗剪力，kN，不考慮固結(jié)作用;

Sj——路堤內(nèi)第j個(gè)土條滑體的抗剪力，kN;

Pt——各土條在滑弧切線方向的下滑力總和，kN。

經(jīng)計(jì)算填高4 m段落，F(xiàn)s為0.69;填高5 m段落，F(xiàn)s為0.57。

(3)總沉降計(jì)算公式

S=ms·Sc

式中 ms——沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，采用堆載預(yù)壓時(shí)，可取1.2～1.4;采用真空預(yù)壓時(shí)，可取1.0～1.2;

Sc——主固結(jié)沉降，m。

經(jīng)計(jì)算填高4 m段落，S為1.2 m;填高5 m段落，S為1.5 m。

(4)用e～p曲線計(jì)算主固結(jié)沉降

式中 n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);

Δhi——第 i層土的厚度;

e0i——第i層土中自重應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的孔隙比;

e1i——第i層土中自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和所對(duì)應(yīng)的孔隙比。

計(jì)算結(jié)果顯示臨界高度小于3 m，而路堤填高為3～5 m，均超過了軟土的臨界高度，應(yīng)采取必要的地基處理措施。

該段路基基底淤泥質(zhì)土具有天然含水量高、孔隙比大、滲透性低的特點(diǎn)，尤其是深厚層淤泥質(zhì)土欠固結(jié)、具壓縮性高、具觸變性、流變性、不均勻性及抗剪強(qiáng)度低等特性，這些都增大了地基處理難度?？紤]方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理要求，設(shè)計(jì)針對(duì)塑料排水板、真空聯(lián)合堆載(自載)預(yù)壓和攪拌樁加固地基進(jìn)行了方案比選(表1)。設(shè)計(jì)選取填高5.0 m段落進(jìn)行了方案比選，地基加固面積為37 565 m2，軟土層厚11.0 m。

表1 方案比較

方案優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

方案1:塑料排水板方案，是淤泥質(zhì)軟土地層非常適用的排水固結(jié)法，優(yōu)點(diǎn)是采用單純排水固結(jié)法，施工工藝簡(jiǎn)單，投資最低;缺點(diǎn)是需要堆載預(yù)壓材料，路堤填筑、地基固結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)，滿足不了工期要求。

方案2:真空聯(lián)合堆載(自載)預(yù)壓方案，直接采用真空壓強(qiáng)作為預(yù)壓荷載，真空荷載相當(dāng)于3～4 m高的填土荷載，其優(yōu)點(diǎn)是在真空預(yù)壓期間進(jìn)行路堤填筑，施工時(shí)間相對(duì)于排水板較短;預(yù)壓在堆載過程中路基一次成型，既達(dá)到了軟基處理的目的，同時(shí)又完成了路基的填筑過程，減少了卸載再填筑的工序;聯(lián)合堆載預(yù)壓可以加速前期沉降，從而減少工后沉降;而且由于真空預(yù)壓是負(fù)壓固結(jié)，堆載預(yù)壓是正壓固結(jié)，在負(fù)壓狀態(tài)產(chǎn)生向內(nèi)的收縮變形，該向內(nèi)的收縮變形可以抵消由填土產(chǎn)生向外的擠出變形，從而提高了地基的穩(wěn)定性。投資僅是攪拌樁方案的33%;缺點(diǎn)是施工工藝略微復(fù)雜，施工周期比攪拌樁方案長(zhǎng)。

方案3:水泥攪拌樁方案，優(yōu)點(diǎn)是以水泥土樁加固地基，能很好地解決場(chǎng)地的穩(wěn)定和沉降問題，且施工后很短時(shí)間內(nèi)路基就能填筑;缺點(diǎn)是投資高，較真空聯(lián)合堆載(自載)方案增加投資1 250萬元，其投資是塑料排水板方案的7.5倍。

綜合考慮本工程工期、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)要求，方案二在保證工期的前提下，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，所以最終確定真空聯(lián)合堆載(自載)預(yù)壓方案做為推薦方案。

3 設(shè)計(jì)及施工

(1)真空聯(lián)合堆載(自載)預(yù)壓，排水板間距1.15 m，等邊三角形布置，排水板長(zhǎng)10 m，排水板頂部設(shè)0.5 m厚砂墊層，其上部鋪設(shè)一層高強(qiáng)聚酯長(zhǎng)絲經(jīng)編土工格柵。真空預(yù)壓橫斷面布置及管路布置，詳見圖1、圖2。

圖1 地基加固橫斷面示意

圖2 真空泵及管路布置示意(單位:m)

(2)施工順序:鋪設(shè)砂墊層，施打塑料排水板。

(3)塑料排水板的施工工序:機(jī)具就位;將塑料帶通過導(dǎo)管從管靴穿出;將塑料帶與樁尖連接貼近管靴并對(duì)準(zhǔn)樁位;插入塑料帶;拔管剪斷塑料帶;機(jī)具移位等。

(4)塑料排水板打設(shè)完成后，于各處理單元四周開挖密封溝;密封溝開挖完成后，鋪設(shè)砂墊層，并于砂墊層內(nèi)布設(shè)真空管路，布設(shè)射流泵及真空度測(cè)頭;管路布設(shè)完成后，覆蓋3層聚乙烯或聚氯乙烯密封膜;溝內(nèi)用黏土回填夯實(shí)，并形成高不小于20 cm的堵水圍堰，在真空試抽、膜內(nèi)真空度達(dá)到80 kPa，確信密封系統(tǒng)不存在問題時(shí)，薄膜上覆10～20 cm水。

真空預(yù)壓設(shè)備和濾水管的選型及布置，施工時(shí)必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及施工經(jīng)驗(yàn)作相應(yīng)調(diào)整，滿足設(shè)計(jì)要求的真空度。預(yù)壓階段要求膜內(nèi)真空度不小于80 kPa。

(5)堆載(自載)預(yù)壓施工一定得等膜下真空度穩(wěn)定，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求并穩(wěn)定15 d后，確定不漏氣時(shí)才可按要求逐層填筑路基。膜上、下應(yīng)采取避免膜破損的可靠措施。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況

真空聯(lián)合堆載(自載)預(yù)壓地基沉降-荷載-時(shí)間變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 DK2+900沉降曲線

圖4 DK1+700沉降曲線

現(xiàn)場(chǎng)于2008年6月25日開始真空預(yù)壓階段，真空度逐步達(dá)到設(shè)計(jì)要求的80 kPa后，最初3 d，沉降速率很快，最高可達(dá)20～43 mm/d。隨著時(shí)間的推移，沉降速率逐漸減小至2～4 mm/d，至2008年12月8日開始第一級(jí)填土堆載(自載)前，即真空預(yù)壓約5個(gè)月后，總沉降達(dá)到33.2～82.5 cm。

于2008年12月8日開始逐級(jí)填筑后，便進(jìn)入真空聯(lián)合堆載(自載)階段。加載時(shí)沉降速率變大，然后趨于平緩，隨著每一級(jí)加載，沉降速率由徒增至平緩的走勢(shì)進(jìn)行。直至自載填筑結(jié)束后40 d時(shí)，總沉降達(dá)到83.6～127.4 cm。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)采用雙曲線法進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)總沉降為103.8～140.9 cm，剩余工后沉降為20.2～13.5 cm，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過近5年的運(yùn)營(yíng)，該區(qū)間線路地基穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)滑移、失穩(wěn)、工后沉降過大等現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的處理效果。

5 結(jié)語

(1)真空預(yù)壓的成功與否，關(guān)鍵在于施工工藝的控制，首先要確保良好的氣密性，使預(yù)壓區(qū)與大氣層隔絕，若加固區(qū)存在透氣層和透水層時(shí)，應(yīng)考慮真空預(yù)壓的可實(shí)施性或采取有效的密封措施隔斷透水層。所以排水板長(zhǎng)度不應(yīng)穿透軟土層，否則真空度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，達(dá)不到預(yù)期的加固效果。其次，在填土及降低真空度過程中應(yīng)加強(qiáng)地基沉降與土的側(cè)向位移觀測(cè)，嚴(yán)格控制填土速率，嚴(yán)格控制真空聯(lián)合堆載(自載)預(yù)壓完成后逐級(jí)降低真空度速度，以確保路堤不失穩(wěn)。

(2)真空聯(lián)合堆載(自載)加固方法，在充分利用路基填筑土作為預(yù)壓荷載的基礎(chǔ)上，路基也一次成型，既達(dá)到了軟基處理的目的，同時(shí)又完成了路基的填筑過程，減少了卸載再填筑的工序，既節(jié)省了投資，又縮短了工期，是一種在施工工期緊張前提下處理深厚軟土層既經(jīng)濟(jì)又有效的方案。

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