袋裝砂井法在邯黃線軟土地基處理中的應(yīng)用

薛方剛

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

軟土天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性差。在荷載作用下，軟土的地基承載能力低，地基沉降變形大，差異沉降亦大，因而軟土地基是鐵路工程中遇到的較難進(jìn)行人土處理的地基之一。袋裝砂井加固軟土路基技術(shù)，屬于垂直排水加固軟土地基方法，是在一般砂井法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新工藝、新技術(shù)。它在需要加固地段的地面上先填筑排水坡(路拱或橫坡)，并鋪設(shè)好排水砂墊層，再將砂袋垂直置于地基中已成孔內(nèi)，形成袋裝砂井，然后對(duì)地基加載預(yù)壓，使地基中水分迅速沿袋裝砂井和砂墊層排出，從而達(dá)到加速地基固結(jié)沉降的目的。

1 工程概況

新建邯鄲(邢臺(tái))至黃驊港鐵路西起河北省邯鄲市，經(jīng)邢臺(tái)、南宮、衡水、滄州等市至黃驊港。本線為國鐵Ⅰ級(jí)單線(預(yù)留雙線)電氣化鐵路，運(yùn)營開通后將成為連接河北省內(nèi)陸至出?？诘慕煌▌?dòng)脈。

鐵路設(shè)計(jì)終點(diǎn)滄州市黃驊港地區(qū)廣泛分布第四系全新統(tǒng)陸相及海相沉積的軟土層。本文論述的軟土路基位于黃驊港港區(qū)即有朔黃鐵路北側(cè)，長(zhǎng)2 260 m?？辈熘胁捎昧说刭|(zhì)調(diào)繪、鉆探、觸探、原位測(cè)試、室內(nèi)巖土試驗(yàn)等綜合勘探方法，對(duì)該段落路基的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 工程地質(zhì)條件

本場(chǎng)地土壤最大凍結(jié)深度為0.50 m，地震動(dòng)峰值加速度0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為3區(qū)。

因場(chǎng)地大部分為鹽池及蝦池，部分經(jīng)人工填土整平而成，土壤含鹽量較高，且分布不均，表層土綜合考慮為鹽漬土，類型為氯鹽漬土，為強(qiáng)鹽漬土。毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度2.5～3.0 m。

2.1 地層巖性

本段地處濱海平原，地形平坦，地勢(shì)開闊，地表大部分為蝦池鹽田，部分段落經(jīng)人工填土整平。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭示，本段勘探范圍內(nèi)地層從上到下順次為第四系全新統(tǒng)人工堆積層)，第四系全新統(tǒng)沖積層)，第四系全新統(tǒng)海相沉積層)，局部表層夾少量植物根系，各地層巖性特征、厚度和分布情況描述如下。

①1素填土:黃褐色，軟塑，以黏性土為主，主要分布于蝦池、鹽池池堤及即有道路處，厚度0.3～2.0 m。

③51淤泥質(zhì)黏土:黃褐色、灰褐色，流塑，含少量貝殼碎片，局部夾粉砂薄層，厚度1.3～1.9 m。③61淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土:黃褐色、灰褐色，流塑，含少量貝殼碎片，局部夾粉砂薄層，厚度0.7～2.9 m。③11黏土:黃褐色、灰褐色，軟塑—硬塑，含少量銹斑，局部夾粉砂薄層，厚度0.7～2.8 m。③21粉質(zhì)黏土:黃褐色，軟塑—硬塑，含少量銹斑機(jī)灰色條紋，局部夾粉土薄層，厚度1.1～4.9 m。③31粉土:黃褐色，稍密，稍濕—潮濕，含少量貝殼碎片，厚度0.6～4.5 m。

(3)第四系全新統(tǒng)海積層(Q4m)

④12黏土:灰褐色、褐灰色，軟塑，含少量貝殼碎片，偶夾腐殖質(zhì)，局部夾粉土薄層，厚度0.6～5.4 m。④21粉質(zhì)黏土:灰褐色，軟塑—硬塑，含少量貝殼碎片及銹斑，局部含粉土薄層，厚度0.6～8.1 m。④22粉質(zhì)黏土:灰褐色、褐灰色、灰黑色，軟塑，含少量貝殼碎片，厚度0.5～7.9 m。④31粉土:灰褐色、褐灰色、淺灰色、灰黃色，稍密—中密，稍濕—潮濕，含少量貝殼碎片，含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土薄層，局部與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土互層，厚度1.2～7.9 m。④32粉土:灰褐色、褐灰色、淺灰色、黃灰色，稍密—中密，潮濕—飽和，含少量貝殼碎片;局部夾粉砂薄層，厚度0.9～8.2 m。④51淤泥質(zhì)黏土:褐灰色、灰褐色、淺灰色，流塑，含少量貝殼碎片，局部夾粉土薄層，厚度1.4～4.6 m。④61淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土:褐灰色、灰褐色、淺灰色，流塑，含少量貝殼碎片，局部夾粉土薄層，厚度1.2～7.5 m。④71粉砂:褐灰色、黃灰色，松散—中密，飽和，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，含少量云母及貝殼碎片，厚度1.1～3.8 m。④72粉砂:褐灰色、黃灰色，中密，飽和，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，含少量云母及貝殼碎片，厚度2.0～2.2 m。

⑤1黏土:灰褐色，軟塑—硬塑，含少量銹斑;局部夾粉土或砂類土薄層，厚度1.1～1.5 m。⑤2粉質(zhì)黏土:灰褐色、黃褐色，軟塑—硬塑，含少量銹斑;局部夾粉土或砂類土薄層，厚度0.8～3.1 m。⑤3粉土:褐灰色、黃灰色，密實(shí)，潮濕，含銹斑及云母碎片，局部偶見銹斑;局部夾粉質(zhì)黏土、砂類土薄層，厚度1.2～5.8 m。⑤7粉砂:褐灰色、黃灰色，中密—密實(shí)，飽和，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，含少量云母及貝殼碎片，厚度1.0～8.8 m。

地層分布代表性剖面見圖1。

圖1 代表性地質(zhì)剖面

2.2 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

由于各土層物理力學(xué)指標(biāo)在一定范圍內(nèi)變化，為了節(jié)省篇幅，表1列出各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)。

2.3 特殊試驗(yàn)指標(biāo)

場(chǎng)地土特殊試驗(yàn)參數(shù)如表2。

2.4 地基基本承載力

為了了解地基承載力情況，表3列出了巖土施工工程分級(jí)及地基基本承載力。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

3 水文地質(zhì)條件

3.1 地下水

本區(qū)地下水為第四系孔隙潛水，鉆孔揭示地下水埋深－1.0～2.2 m(高程:2.26～－0.9 m)，主要靠大氣降水及海水補(bǔ)給，以蒸發(fā)及地下徑流方式排泄。地下水位變幅1.0～2.0 m。經(jīng)取地下水水樣化驗(yàn)分析后綜合判定:本工點(diǎn)地下水對(duì)普通混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)H4;具鎂鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)H3;對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)L3。

表2 特殊試驗(yàn)參數(shù)

表3 巖土施工工程分級(jí)及地基基本承載力

3.2 地表水

地表水主要存在于蝦池、鹽池之中，含鹽量高低不均，綜合考慮為對(duì)普通混凝土具硫酸鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)H4;具鎂鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)H3;對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)L3。

4 地基處理方法

4.1 地基處理方法選擇

本段鐵路路基屬典型濱海鹽漬土軟土地基，在路基施工之前，須采取有效的路基基底加固措施，對(duì)路基基底進(jìn)行處理。

針對(duì)該地區(qū)地貌特征及軟弱土層特性，對(duì)多種方案進(jìn)行比較分析，認(rèn)為袋裝砂井堆載預(yù)壓排水固結(jié)法處理成本較低，符合現(xiàn)場(chǎng)條件。設(shè)計(jì)中確定采用袋裝砂井排水固結(jié)法加固軟土地基。

方案比選情況如表4。

4.2 排水固結(jié)法加固原理

飽和軟土地基在荷載作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙體積慢慢減小，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時(shí)，隨著超靜水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基的強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。因此，排水固結(jié)法可以解決沉降和穩(wěn)定問題。

表4 軟土路基加固方案比選

4.3 排水固結(jié)法工程處理措施

本段落軟土路基豎向排水體采用袋裝砂井，呈梅花形布置。水平排水體采用砂墊層夾土工格柵，即先鋪設(shè)砂墊層，再鋪設(shè)一層土工格柵，其上再鋪砂墊層。路基橫斷面示意如圖2所示。此外，在路堤兩側(cè)設(shè)置反壓護(hù)道以增加路堤抗滑穩(wěn)定性，在路堤頂面采用土體超填堆載法以消除由運(yùn)營超載引起的后期沉降。

(1)路堤基床表層填筑0.5 m厚級(jí)配碎石和0.1 m厚的中、粗砂，基床底層上部填筑改良土，厚0.5 m，基床底層下部填筑C組土并加強(qiáng)碾壓，厚1.4 m?；惨韵绿钪﨏組土，防護(hù)高程以下填筑滲水土。防護(hù)高程為4.00 m，于防護(hù)高程處設(shè)2.0 m寬護(hù)道。

(2)路堤邊坡坡率:防護(hù)高程以上1∶1.50，以下1∶1.75，路基面每側(cè)預(yù)留沉落加寬值0.2 m。

(3)兩側(cè)路堤邊坡防護(hù)高程以上采用M7.5漿砌片石肋柱式骨架護(hù)坡，骨架間撒播草籽并栽種紫穗槐。路堤兩側(cè)護(hù)道及以下邊坡采用M7.5漿砌片石護(hù)坡。勺形基礎(chǔ)寬0.6 m，高0.7 m，基礎(chǔ)頂面埋深0.2 m。勺基外2.0 m設(shè)草袋圍堰，抽干積水、挖除淤泥后，回填滲水土。

(4)路基基底采用袋裝砂井加固處理。場(chǎng)地設(shè)圍堰抽水挖淤，填筑滲水土至整平高程，整平高程以上由線路中心向兩側(cè)做2%的排水橫坡，其上設(shè)厚0.3 m的砂礫墊層開始打設(shè)袋裝砂井，砂井直徑為7 cm，間距1.0 m，正方形布置。于砂礫墊層頂面鋪設(shè)一層立體土工格柵(80 kN/m)，上鋪0.2 m厚砂礫墊層。

立體土工格柵由肋帶豎立交叉編織而成，接點(diǎn)通過交叉注塑成型，材料采用聚丙烯(PP)，碳黑含量≥2%，延伸率≤10%，抗拉強(qiáng)度≥80 kN/m，交叉插銷注塑結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度≥800 N，格孔邊長(zhǎng)20～25 cm。

圖2 路基設(shè)計(jì)剖面示意

5 施工注意事項(xiàng)

(1)施工應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，施工前應(yīng)對(duì)工點(diǎn)進(jìn)行地形和地質(zhì)復(fù)查核對(duì)工作，如與原設(shè)計(jì)不符時(shí)，應(yīng)及時(shí)與建設(shè)、設(shè)計(jì)單位聯(lián)系處理。

(2)袋裝砂井施工前應(yīng)對(duì)工點(diǎn)范圍內(nèi)的各種管線探明并遷改后再施工，徹底拆除地下既有廢棄建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)，基坑回填土應(yīng)符合路基相應(yīng)部位填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。嚴(yán)禁將拆除的建筑垃圾就地回填。地表雜填土中的生活垃圾應(yīng)進(jìn)行挖除換填。

(3)砂袋充填材料選用滲水率較高的中、粗砂，粒徑大于0.5 mm的砂的含量應(yīng)占總重的60%以上，含泥量應(yīng)小于或等于3.5%。砂袋應(yīng)采用具有良好的透水性、韌性和耐水性。

(4)加強(qiáng)沉降觀測(cè)，并及時(shí)繪制填土—時(shí)間—沉降曲線，根據(jù)觀測(cè)資料確定路基面上砟鋪軌時(shí)間。施工過程應(yīng)重視沉降觀測(cè)設(shè)備的埋設(shè)和保護(hù)工作，保證觀測(cè)的精度和連續(xù)性，工程驗(yàn)交后，應(yīng)將有關(guān)資料提交運(yùn)營部門繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)工作。

(5)土工合成材料必須滿足國標(biāo)要求及設(shè)計(jì)圖紙要求，并進(jìn)行嚴(yán)格性能指標(biāo)檢驗(yàn)，且按《鐵路路基土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行保存、施工和驗(yàn)收。立體土工格柵鋪設(shè)時(shí)應(yīng)將肋帶方向與線路中線成45°方向鋪設(shè)。

(6)路堤填筑完成后，應(yīng)及時(shí)施做邊坡防護(hù)和排水溝等設(shè)施，同時(shí)要保證排水通暢，防止雨水對(duì)邊坡的侵蝕和沖刷，確保路基本體和邊坡的穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

根據(jù)邯黃線某代表性段落的地形、地質(zhì)條件、路堤高度和工期等實(shí)際情況，選用袋裝砂井超填預(yù)壓的方法處理軟土地基是合適的，袋裝砂井的施工設(shè)備簡(jiǎn)單、施工速度快、不污染環(huán)境、排水效果好、可廣泛應(yīng)用于處理軟土地基。袋裝砂井與砂墊層中鋪土工格柵結(jié)合，作用效果好，袋裝砂井縮短了軟土固結(jié)的排水路徑，軟土在填土荷載作用下產(chǎn)生的超孔隙水壓力迅速消散，使土的固結(jié)和壓縮提前發(fā)生。砂墊層中鋪設(shè)土工格柵能有效阻止土體的位移、下沉、滑坍，提高地基穩(wěn)定性，既保護(hù)了砂墊層的完整性，又有利于水平方向排水。

［1］TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［2］TB10077—2001 鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)［S］

［3］TB10038—2001 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程［S］

［4］TB10102—2010 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］

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［7］鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．北京:中國鐵道出版社，2002

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