高真空擊密法在鐵路站場(chǎng)軟土地基處理中的應(yīng)用

(中鐵五局集團(tuán)第二工程有限責(zé)任公司，湖南衡陽(yáng)　421002)

軟土是指近代水下沉積的飽和松軟黏性土，一般把天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土判定為軟土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等[1]。軟土承載力很低，并且在上部施加荷載后會(huì)產(chǎn)生較大的沉降和差異沉降。為保障工程建筑物的正常使用功能，必須對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理。

軟土地基的處理質(zhì)量直接影響到地基的承載力與變形，探索和改進(jìn)軟土地基處理工藝，進(jìn)而選擇最適用的軟土地基處理方法，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。

1　高真空擊密法理論特點(diǎn)

1.1　技術(shù)特點(diǎn)

大面積軟地基地基處理常用方法有三類(lèi)：樁基法、排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法。樁基法如粉噴樁、攪拌樁、石灰樁、振沖樁等樁基，此類(lèi)處理方法施工造價(jià)高、施工工期長(zhǎng)。排水固結(jié)法如真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法等，此類(lèi)方法除施工造價(jià)高和工期較長(zhǎng)外，處理后的地基承載能力較低。強(qiáng)夯法則需要大型設(shè)備調(diào)遣、粗骨料的填入等措施，對(duì)飽和細(xì)顆粒土進(jìn)行強(qiáng)夯易產(chǎn)生橡皮土，達(dá)不到施工效果，而且造價(jià)較大[3]。高真空擊密法是將強(qiáng)夯技術(shù)和真空井點(diǎn)降水技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種新的復(fù)合式動(dòng)力排水固結(jié)法，其技術(shù)特點(diǎn)如下[4]：

①根據(jù)地層巖性特征，采用特制的高真空系統(tǒng)強(qiáng)制調(diào)整土體的含水量，控制土體逐步接近加固密實(shí)的最優(yōu)含水量。

②與控制所需處理土體逐步接近最優(yōu)含水量相適應(yīng)，同步用特制的大型擊密設(shè)備對(duì)所需處理土體實(shí)施分遍擊密，使之逐步接近最大密實(shí)度。

③施工中，根據(jù)土體的自振頻率，調(diào)整擊振頻率。

④根據(jù)不同土體的滲透系數(shù)、含水量，分層多遍強(qiáng)制調(diào)整各層土的真空度、真空氣量、平衡參數(shù)。

⑤按地基的處理深度要求，正確計(jì)算各種條件下土體擊密所需的擊振能量。

1.2　固結(jié)機(jī)理

高真空擊密工法是采取高真空形成壓力差降水措施，在強(qiáng)夯前布設(shè)降水系統(tǒng)，將地下水降到預(yù)定高程，以滿(mǎn)足擊實(shí)要求。然后在加固擊實(shí)區(qū)域撤除濾水管和排水管道，保留外圍管繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)降水系統(tǒng)，截防擊實(shí)區(qū)域外地下水滲入，同時(shí)進(jìn)行擊實(shí)作業(yè)。反復(fù)進(jìn)行上述施工過(guò)程，使得地基最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。強(qiáng)排水工藝的機(jī)理可分為四個(gè)方面：壓力差排水機(jī)理、硬殼層理論、控制工后沉降、控制不均勻沉降。

2　高真空擊密法在新建武漢鐵路集裝箱中心站場(chǎng)地基處理中的應(yīng)用

2.1　工程地質(zhì)特點(diǎn)與處理要求

新建武漢鐵路集裝箱中心站場(chǎng)區(qū)地貌為長(zhǎng)江、漢江Ⅰ級(jí)沖積階地，地面高程22～24 m左右，地形平坦開(kāi)闊，為苗圃、菜地、奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)及魚(yú)塘等。場(chǎng)地表層一般分布有厚度0.5 m左右的種植土，局部為第四系人工填土，厚度為1.0～3.9 m；中間為第四系沖積淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土，厚度為9.1～14.0 m；下層為粉砂、細(xì)砂，厚度大于20 m。

本工程真空擊密地基處理后設(shè)計(jì)要求：①加固深度為6～8 m；②加固后承載力特征值到達(dá)重箱區(qū)≥130 kPa，其他箱區(qū)≥120 kPa；③回彈模量≥25～30 MPa；④完成沉降20～40 cm，工后沉降<20 cm；⑤壓實(shí)系數(shù)不小于0.96(0.8 m新填土范圍)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程軟基處理包括淺層和深層處理兩個(gè)環(huán)節(jié)，淺層處理解決地基承載力問(wèn)題，深層處理解決工后沉降問(wèn)題。淺層處理傳統(tǒng)方法有排水固結(jié)法、夯實(shí)法、真空井點(diǎn)降水加振動(dòng)碾壓等，根據(jù)施工條件，應(yīng)用真空井點(diǎn)降水加振動(dòng)碾壓法可達(dá)到理想的施工效果。而對(duì)于軟基深層處理可采用石灰樁或振沖碎石樁方法。若要同時(shí)滿(mǎn)足工程對(duì)于地基深淺層的設(shè)計(jì)要求，可對(duì)深層和淺層分別進(jìn)行相應(yīng)處理，但這對(duì)費(fèi)用、工期控制提出了挑戰(zhàn)。采用高真空擊密法，結(jié)合傳統(tǒng)地基處理各方法的優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)一對(duì)深淺層進(jìn)行處理，既可達(dá)到要求的施工效果，又滿(mǎn)足費(fèi)用、工期的需求。本工程最終應(yīng)用高真空擊密法處理的軟土地基共12.3萬(wàn)m2。

2.2　高真空擊密法設(shè)計(jì)與施工

為分析高真空擊密法的適用性以及為大面積加固提供設(shè)計(jì)依據(jù)，本工程項(xiàng)目在大面積地基加固處理之前，先選取兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行地基處理試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整有關(guān)設(shè)計(jì)與施工的參數(shù)，確定與完善適于本工程的施工工藝。本工程中高真空擊密施工程序如下。

(1)施工區(qū)的劃分

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的施工情況，施工小區(qū)以4 000～6 000 m2為宜，根據(jù)施工單位的施工能力可適當(dāng)調(diào)整施工小區(qū)的大小。

(2)外圍截水

“高真空擊密法”施工首先要降低地下水位，切斷施工小區(qū)外部水的供給。主要采取措施：①在施工小區(qū)的外圍開(kāi)挖截水溝，加固場(chǎng)地的側(cè)溝壁一定要平滑光滑。為了保證排水溝不滲透，在排水溝鋪設(shè)一層土工布，再分次逐層鋪設(shè)二層密封薄膜。同時(shí)在溝內(nèi)插設(shè)一排封管，深管8 m，淺管5 m，間距1.75 m，截住外圍水的滲透，形成了截水的第一道屏障；②在施工小區(qū)外圍距離場(chǎng)地邊界3～5 m處插設(shè)兩排封管，管長(zhǎng)和間距同水溝內(nèi)布置，交錯(cuò)布置，形成截水的第二道屏障。

(3)第一遍高真空排水

高真空管的間距、排距3.5 m，入土深度深管8 m，同時(shí)在深管間布置5 m深的淺管。濾水管采用鐵管，設(shè)排水濾孔，用雙層尼龍布包裹。第一遍高真空時(shí)間為7～10 d。以地下水為降至不影響強(qiáng)夯為宜，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)土體含水量的變化。

(4)第一遍強(qiáng)夯

夯點(diǎn)間距及布點(diǎn)形式：第一遍擊密夯點(diǎn)間距按5 m×5 m正方形布點(diǎn)，拆除場(chǎng)區(qū)內(nèi)對(duì)強(qiáng)夯有影響的真空管。應(yīng)根據(jù)夯點(diǎn)布置圖及各小區(qū)的控制樁，制作夯點(diǎn)明顯標(biāo)志，各施工段的相接部位，嚴(yán)防漏點(diǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

第一遍單擊夯擊能采用2 500～3 000 kN·m，每點(diǎn)擊數(shù)6擊，最終通過(guò)試夯確定，同時(shí)滿(mǎn)足下列條件：①最后兩擊的平均夯沉量不大于5 cm；②夯坑周?chē)孛娌话l(fā)生過(guò)大的隆起；③不因夯坑過(guò)深而發(fā)生提錘困難。

(5)第二遍高真空排水

高真空管的布置同第一遍高真空排水。第二遍高真空時(shí)間為5 d。以地下水為降至不影響強(qiáng)夯為宜，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)土體含水量的變化。

(6)第二遍強(qiáng)夯

夯點(diǎn)間距及布點(diǎn)形式：第二遍擊密夯點(diǎn)間距按5 m×5 m正方形布置，布置在第一遍點(diǎn)的中間，單擊夯擊能采用2 500～3 000 kN·m，每點(diǎn)擊數(shù)6擊，最終通過(guò)試夯確定，收錘標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)滿(mǎn)足第一遍強(qiáng)夯的要求。

(7)平整場(chǎng)地

第二遍強(qiáng)夯結(jié)束后，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整平。

(8)滿(mǎn)夯

單擊夯擊能量1 000 kN·m，每點(diǎn)擊數(shù)為2擊，滿(mǎn)夯2遍。

2.3　施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

施工過(guò)程監(jiān)測(cè)須完成如下項(xiàng)目。

①靜力觸探試驗(yàn)：加固前后檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比；

②沉降變形觀測(cè)：高真空擊密法施工過(guò)程中進(jìn)行沉降觀測(cè)；

③夯后荷載試驗(yàn)：確定地基承載力特征值fak。

3　高真空擊密法地基處理效果

3.1　施工監(jiān)測(cè)結(jié)果

(1)加固后土體強(qiáng)度

在處理前和處理后均做12個(gè)靜力觸探點(diǎn)(前后對(duì)比)，經(jīng)去表層粗礫土(層厚60～150 cm)，自地面向下采集6～8 m數(shù)據(jù)，分三段經(jīng)算術(shù)平均計(jì)算，其中1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，靜力觸探曲線(xiàn)見(jiàn)圖1和圖2。

表1　1號(hào)、2號(hào)靜力觸探點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1　1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)靜力觸探曲線(xiàn)

圖2　2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)靜力觸探曲線(xiàn)

(2)地基承載力

根據(jù)淺層平板載荷試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，各試驗(yàn)點(diǎn)承載力檢測(cè)值詳見(jiàn)表2。

表2　淺層平板地基載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總

(3)沉降變形觀測(cè)

圖3和圖4分別是K1點(diǎn)和K2點(diǎn)堆載預(yù)壓試驗(yàn)的沉降量觀測(cè)曲線(xiàn)，觀測(cè)72 d，累計(jì)沉降分別為274 mm和259 mm。

圖3　K1點(diǎn)沉降觀測(cè)曲線(xiàn)

圖4　K2點(diǎn)沉降觀測(cè)曲線(xiàn)

3.2　監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的處理前、后靜力觸探曲線(xiàn)可以看出，加固深度均能達(dá)到8 m；對(duì)比處理前后的承載力試驗(yàn)值綜合分析，承載力平均提高19.9%。處理后站場(chǎng)的停車(chē)場(chǎng)區(qū)、清洗、預(yù)留箱區(qū)、內(nèi)部停車(chē)場(chǎng)區(qū)、空箱區(qū)復(fù)合地基承載力≥120 kPa；專(zhuān)用箱區(qū)、冷藏箱區(qū)各試點(diǎn)復(fù)合地基承載力≥130 kPa，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)對(duì)施工過(guò)程中的沉降觀測(cè)和驗(yàn)證，滿(mǎn)足工后沉降不大于30 cm，施工過(guò)程中沉降量不大于30 cm的設(shè)計(jì)要求。

3.3　工程效益分析

高真空擊密法與樁中心間距1.2 m的水泥攪拌樁處理方法成本單價(jià)分析表分別如表3和表4所示。

表3　真空擊密成本單價(jià)分析

表4　水泥攪拌樁成本單價(jià)分析

通過(guò)對(duì)比可以看出，采用真空擊密法成本單價(jià)116.24元/m2，樁間距1.2 m水泥攪拌樁成本單價(jià)272.36元/m2，前者相比后者在成本上節(jié)約57.3%。

在工期方面，以?xún)扇f(wàn)平方地基處理為例，同樣成本，要達(dá)到同樣的使用效果，相比于水泥攪拌樁地基處理施工，高真空擊密法可節(jié)約工期二分之一，高真空擊密一個(gè)區(qū)域的循環(huán)時(shí)間基本為一個(gè)月時(shí)間，水泥攪拌樁需一個(gè)半月的施工期。且二期地基處理面積越大，高真空擊密法施工節(jié)省工期的效果越明顯。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

[2]李鏡培，馬原，楊培芳，等.軟土地基高真空擊密法與低位高真空分層預(yù)壓擊密法加固效果分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，28(2)：79-83

[3]李永紅.低能強(qiáng)夯與真空降水聯(lián)合法機(jī)理探討及在深圳的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010

[4]徐士龍.快速“高真空擊密法”軟地基處理工法[P].中國(guó)：01127046.2，2002-01-09

[5]顏春，黃瑋.高真空南中密法在吹填土基處治中的應(yīng)用[J].西部交通科技，2012(7)：7-10.

[6]韓選江.大型圍海造地吹填土地基處理技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

[7]王松臣.高真空擊密法地基處理方法的應(yīng)用研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009