鄧 飛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

杭州東站總建筑面積達(dá)32萬(wàn)m2，站內(nèi)匯聚高鐵、普鐵、地鐵、磁浮等多種交通方式及東西廣場(chǎng)地下聯(lián)系通道、出租車通道等配套服務(wù)設(shè)施，是長(zhǎng)三角重要的綜合交通樞紐中心。杭州東站位于深厚軟土區(qū)，軟土含水量高、強(qiáng)度低、易觸變、在附加應(yīng)力作用下變形量大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，必須對(duì)軟土路基進(jìn)行處理，才能滿足工程對(duì)穩(wěn)定和沉降的要求。

泡沫輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料[1-3]，具有輕質(zhì)性，流動(dòng)性，強(qiáng)度可調(diào)節(jié)，固化后可自立[4]等優(yōu)點(diǎn)，目前，在市政、公路等工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但在鐵路項(xiàng)目中應(yīng)用較少。

通過(guò)收集分析國(guó)內(nèi)外系列研究成果，發(fā)現(xiàn)將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于鐵路工程中的理論研究已經(jīng)完備，但到目前為止，還沒(méi)有大量開(kāi)展泡沫輕質(zhì)土在鐵路工程中的實(shí)際應(yīng)用與監(jiān)測(cè)。杭州東站首次將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于鐵路路基過(guò)渡段，較好地解決了軟土路基工后沉降大以及狹小空間填筑壓實(shí)困難的難題，補(bǔ)充完善了軟土路基處理方法，為處理類似復(fù)雜工況的鐵路路基問(wèn)題提供了參考和借鑒。

1 工程概況

杭州東站由寧杭甬高速場(chǎng)(13線)、滬杭長(zhǎng)高速場(chǎng)(12線)和浙贛普速場(chǎng)(5線)組成，共15臺(tái)30線。

本軟土路基工點(diǎn)共2處，分別位于站房?jī)蓚?cè)的地下聯(lián)系通道與出租車通道之間，縱向長(zhǎng)22～70 m，橫向?qū)捈s285 m，基坑深7 m左右；路基填高約3 m。見(jiàn)圖1。

1.1 工程地質(zhì)條件

工點(diǎn)位于沖海積平原，地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，水塘零星分布，道路眾多，交通便利。

經(jīng)過(guò)勘察揭示，場(chǎng)區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖海積粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏性土；下伏安山巖，地層的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 泡沫輕質(zhì)土的加固范圍(陰影部分)

表1 地層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)場(chǎng)地巖土層的組合特征、覆蓋層厚度及基本物理力學(xué)指標(biāo)，場(chǎng)地土為軟弱土～中軟土類型?；拥酌嫖挥诜弁?、粉砂層中，易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象；底面以下為海相沉積的厚約23 m的飽和淤泥質(zhì)軟土層，具高壓縮性，工程性能差。地下水為第四系孔隙潛水，埋深1～2 m。

1.2 工程環(huán)境條件

站房地下聯(lián)系通道與出租車通道之間基坑內(nèi)零星分布著各類工程樁等共計(jì)130多處，坑內(nèi)工況復(fù)雜，施工場(chǎng)地空間狹小，不具備進(jìn)行常規(guī)地基處理的技術(shù)條件和施工空間，坑內(nèi)采用普通填料不能滿足填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。基坑內(nèi)的環(huán)境條件見(jiàn)圖2。

圖2 站房基坑內(nèi)環(huán)境條件

2 處理方案比選

鑒于本次研究主要解決不同構(gòu)筑物間的差異沉降和基坑回填土填筑壓實(shí)質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面的問(wèn)題，在調(diào)研已有基坑工程回填處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)深層地基處理并回填優(yōu)質(zhì)填料和采用泡沫輕質(zhì)土置換兩大方案進(jìn)行了研究分析。

2.1 深層處理方案

常用的軟土地基加固處理[5]措施主要有以下幾種：復(fù)合地基、素混凝土樁、微型樁及應(yīng)用于高速鐵路的鋼筋混凝土樁網(wǎng)、樁筏(板)結(jié)構(gòu)等。受兩側(cè)地下通道、站房等周邊施工，基坑過(guò)渡段路基內(nèi)工程樁等場(chǎng)地環(huán)境及地質(zhì)條件因素的影響或制約，攪拌樁、碎石樁、微型樁、素混凝土樁等不具備實(shí)施條件。高壓旋噴樁雖具有施工設(shè)備小巧等優(yōu)勢(shì)，但旋噴樁施工時(shí)的高壓對(duì)既有構(gòu)筑物影響具有不確定性，同時(shí)，由于加固深度達(dá)40 m，質(zhì)量控制有一定的難度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地條件和可采用處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)，深層處理方案采用鉆孔灌注樁聯(lián)合承臺(tái)方案[6]。

2.2 泡沫輕質(zhì)土置換方案

利用泡沫輕質(zhì)土容重小的工程特性，換填原地面以下一定厚度土層，以補(bǔ)償上部路堤填土及列車荷載施加的附加應(yīng)力，可使軟土層的附加應(yīng)力小于有效自重應(yīng)力，軟土層處于超固結(jié)狀態(tài)，從而達(dá)到減小地基工后沉降的目的[7-8]。

2.3 方案比選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地條件和可采用處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、工期和環(huán)保等方面對(duì)兩大方案進(jìn)行綜合比較分析，見(jiàn)表2。

表2 處理方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合分析對(duì)比

經(jīng)綜合比較分析及論證，本工點(diǎn)推薦采用“泡沫輕質(zhì)土置換方案”。

3 泡沫輕質(zhì)土置換設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

泡沫輕質(zhì)土加固處理松軟土地基的原理(應(yīng)力補(bǔ)償原理)：利用泡沫輕質(zhì)土容重小、流動(dòng)性好的工程特性[9-10]，以其置換地基軟弱層，使基底以下的土體承受的土壓力顯著降低，以補(bǔ)償上部路堤填土及列車荷載施加的附加應(yīng)力，從而達(dá)到減小地基工后沉降[11]的目的。如圖3所示。

圖3 泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力補(bǔ)償示意

根據(jù)應(yīng)力補(bǔ)償原理，從圖3可以得到使地基土附加應(yīng)力為零時(shí)，泡沫輕質(zhì)土的置換臨界厚度公式

γ1×h1+γ2×(D-h1)+γ×h=

γ0×h1+γ0a×(D-h1)

(1)

式中γ——泡沫輕質(zhì)土上部常規(guī)路堤填土的容重，kN/m3；

γ1——泡沫輕質(zhì)土的表觀容重，kN/m3；

γ2——泡沫輕質(zhì)土吸水后的表觀容重，kN/m3；

γ0——地基土天然容重，kN/m3；

γ0a——地基土飽和容重，kN/m3；

h——泡沫輕質(zhì)土上部常規(guī)路堤填土的高度(包括列車及軌道荷載的等效土柱高度)，m；

h1——原地基面到地下水位之間的泡沫輕質(zhì)土高度，m；

D——地表面以下的泡沫輕質(zhì)土厚度，m。

式中，h與h1可以根據(jù)列車荷載、填土高度、地面高程、地下水位高程確定，只需算出D即可得到泡沫輕質(zhì)土的置換厚度。當(dāng)輕質(zhì)土實(shí)際換填厚度小于D值時(shí)，附加應(yīng)力就會(huì)引起沉降變形，沉降計(jì)算可采用分層總和法。

3.2 設(shè)計(jì)方法

杭州東站站房軟土路基采用泡沫輕質(zhì)土置換基坑內(nèi)原狀土(容重19.6 kN/m3)處理深厚層軟土路基。設(shè)計(jì)采用泡沫輕質(zhì)土的表觀容重7 kN/m3(已考慮浸水增重影響)，7 d齡期無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度0.4～0.5 MPa，28 d齡期無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度0.8～1.0 MPa[12-14]，置換加固范圍為：地下通道與南北出租車通道之間長(zhǎng)22～70 m，從西側(cè)寧杭甬高速場(chǎng)的基本站臺(tái)到東側(cè)滬杭長(zhǎng)高速場(chǎng)的第25股道之間寬285 m，置換厚度約7 m。

沉降計(jì)算模型如圖4所示。

路基沉降驗(yàn)算采用分層總和法，工后沉降計(jì)算結(jié)果小于2 cm，滿足鐵路路基過(guò)渡段工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 處理效果分析

為了研究泡沫輕質(zhì)土處理鐵路狹窄空間深厚層軟土地基的施工過(guò)程中和施工后的應(yīng)力和變形特性，分別從位于地下聯(lián)系通道與出租車通道間的杭甬場(chǎng)、寧杭場(chǎng)及杭長(zhǎng)場(chǎng)等股道中，選取其中的正線路基(共3處)，在基坑內(nèi)埋設(shè)沉降計(jì)和土壓力盒等測(cè)試元器件，進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

4.1 沉降測(cè)試結(jié)果分析

沉降測(cè)試主要依靠單點(diǎn)沉降計(jì)完成，分層沉降計(jì)作為補(bǔ)充。為了研究地基土層在澆筑泡沫輕質(zhì)土及上部路基荷載作用下，其地層的整體變形，在不同深度埋設(shè)了單點(diǎn)沉降計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)整體變形[15]，觀測(cè)期為2012年10月8日到2014年4月15日。不同深度的整體沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系[16]如圖5所示。

圖4 杭州東站泡沫輕質(zhì)土置換沉降計(jì)算概化模型

圖5 沉降測(cè)點(diǎn)布置及典型斷面地層整體沉降曲線

從圖5可見(jiàn)，路基沉降收斂速度很快。泡沫輕質(zhì)土層產(chǎn)生的工后沉降量為1.69～3.47 mm，為澆筑厚度的0.025%～0.05%。而曲線形式表現(xiàn)為先壓密變形，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)緩慢回彈現(xiàn)象?；拥紫峦翆拥墓ず蟪两盗繛?.01～6.71 mm?；拥滓韵峦翆拥那€形式與輕質(zhì)土沉降曲線類似，也是先壓密變形然后逐漸緩慢回彈，只是變形的臨界點(diǎn)要早于泡沫輕質(zhì)土，這與后期地下水位的恢復(fù)對(duì)各土層產(chǎn)生少量的回彈影響有關(guān)。整個(gè)路基工后沉降量為4.01～10.18 mm，滿足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 土壓力測(cè)試結(jié)果分析

為研究路基荷載在泡沫輕質(zhì)土中的傳遞規(guī)律，在泡沫輕質(zhì)土底部、往上依次每隔2 m布置土壓力盒，在每處輕質(zhì)土層中共埋設(shè)4層8個(gè)土壓力盒，用來(lái)測(cè)試輕質(zhì)土中的壓力變化[17]。典型斷面不同深度的土壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。

從圖6可以得出如下結(jié)論。

(1)在泡沫輕質(zhì)土澆筑期間，基底土壓力隨著澆筑厚度的增加而增加，其中增加后突然變小并逐漸趨于負(fù)值，可能與泡沫輕質(zhì)土早期內(nèi)部的溫度持續(xù)過(guò)高(60～80 ℃)有關(guān)，從而導(dǎo)致土壓力盒的溫度系數(shù)不準(zhǔn)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值。待泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后，測(cè)得的基坑底的土壓力值為24～69 kPa，平均值為43.5 kPa。

(2)隨著路基的填筑，基底土壓力逐漸增加；待鋪軌完成后，基底土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到最大值50～90 kPa，平均值為69.6 kPa，比泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后增加約26.1 kPa荷載。土壓力的穩(wěn)定值小于路基填筑荷載值。

圖6 典型斷面垂直土壓力變化

(3)因周邊基坑一直在降水，地下水的穩(wěn)定埋深為基坑底高程-1.45 m左右，從2013年3月底開(kāi)始降水停止，基坑內(nèi)地下水開(kāi)始慢慢恢復(fù)，由于基坑底部鋪了一層素混凝土防水層，基底受到水的浮力作用，因此基底的土壓力將減少，最終趨于穩(wěn)定。這與土壓力變化曲線相對(duì)應(yīng)。

5 結(jié)論

通過(guò)方案比選、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析，取得了采用泡沫輕質(zhì)土置換處理狹小空間深厚層軟土地基的良好效果。主要成果及結(jié)論如下。

(1)泡沫輕質(zhì)土具有流動(dòng)性好的特點(diǎn)，適用于處理狹窄受限空間內(nèi)的軟土地基，能解決狹小空間(如采空區(qū)、巖溶路基等)填筑壓實(shí)困難，并大幅縮短施工工期。

(2)泡沫輕質(zhì)土的容重只有原狀土的1/3左右，且強(qiáng)度高，路基填土及列車荷載經(jīng)泡沫輕質(zhì)土傳遞后作用在軟土路基上的附加應(yīng)力大大減小，能有效控制工后沉降，測(cè)試結(jié)果與沉降估算基本相符，滿足鐵路路基設(shè)計(jì)要求。

(3)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力補(bǔ)償原理可補(bǔ)充完善常規(guī)軟土路基加固方法，通過(guò)本工點(diǎn)試驗(yàn)研究，為泡沫輕質(zhì)土的推廣應(yīng)用提供了參考和借鑒。

(4)泡沫輕質(zhì)土采用管道輸送，在特定環(huán)境條件下較之常規(guī)處理措施更實(shí)用、快捷、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，是一種新型的鐵路軟土路基處理材料，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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