強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法在鐵路路基地基加固中的應(yīng)用

王 劍,吳連海

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

強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法在鐵路路基地基加固中的應(yīng)用

王 劍,吳連海

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

強(qiáng)夯法在處理低飽和度的軟弱土地基時(shí)是一種比較經(jīng)濟(jì)、快捷的加固地基方法,但當(dāng)?shù)叵滤宦癫剌^淺,或地基土處于高飽和度時(shí)該法受到了限制。通過真空輕型井點(diǎn)降水的強(qiáng)排水措施,降低地下水位,使地基土體部分得到固結(jié)沉降的同時(shí)再加以強(qiáng)夯措施,即強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法可以突破這種限制。以邯黃鐵路一工點(diǎn)為例,闡述該法加固地基的機(jī)理,并詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)與施工。

鐵路路基;強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法;加固地基機(jī)理;設(shè)計(jì);施工

在松軟土地基上修建鐵路路基,當(dāng)?shù)叵滤宦癫剌^深,地表以下至水位線間為低飽和度的松軟土,在場(chǎng)地環(huán)境條件許可時(shí),采用強(qiáng)夯法(動(dòng)力固結(jié)法)是比較經(jīng)濟(jì)、快捷的一種加固地基方法;但當(dāng)?shù)叵滤宦癫剌^淺,或地基土處于高飽和度時(shí),根據(jù)Menard動(dòng)力固結(jié)理論[1],飽和土雖然是可壓縮的,但在夯擊作用下,含氣孔隙水不能立即消散而具有滯后現(xiàn)象,同時(shí)強(qiáng)夯過程會(huì)使土體產(chǎn)生局部液化,夯坑中易積水,造成施工困難等因素,制約強(qiáng)夯法加固高飽和度松軟土地基的應(yīng)用。強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法有效地突破這一局限。

1 強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法加固地基機(jī)理

1.1 強(qiáng)排水

強(qiáng)排水是通過真空輕型井點(diǎn)降水法使加固區(qū)域地下水位降低,一般地下水位可降低2.0～4.0 m。

1.2 強(qiáng)夯法[2]

強(qiáng)夯法又名動(dòng)力固結(jié)法或動(dòng)力夯實(shí)法,這種方法是反復(fù)將夯錘提到一定高度使其自由落下,給地基以沖擊和振動(dòng)能量,從而提高地基的承載力并降低其壓縮性,改善地基性能。該法因具有加固效果顯著、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、施工期短、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于處理低飽和度的軟弱土地基。

1.3 強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法

強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法是由排水系統(tǒng)和強(qiáng)夯動(dòng)力加壓系統(tǒng)兩部分共同組合而成的地基加固方法。為了使“強(qiáng)夯法”能在地下水位埋藏較淺、高飽和度的軟弱土中得以使用,先采取“強(qiáng)排水”措施降低地下水位,使得土體含水量降低和孔隙比減小,這個(gè)過程使土體產(chǎn)生部分固結(jié)沉降為強(qiáng)夯施工創(chuàng)造條件,然后再?gòu)?qiáng)夯,可以提高強(qiáng)夯加固效果。反復(fù)幾次強(qiáng)夯,使地基先期得到充分固結(jié)沉降,減少工后沉降量,同時(shí)提高地基承載力。

2 工點(diǎn)概況

2.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

新建邯鄲至黃驊港鐵路工程(Ⅰ級(jí)鐵路)DK341+ 800～DK342+120段地處濱海平原,地形平坦。該段地層結(jié)構(gòu)情況自上而見表1。

表1 路基工點(diǎn)范圍地層結(jié)構(gòu)

地基表層分布有鹽漬土,鹽漬土類型為氯鹽漬土～堿性鹽漬土,易溶鹽平均含量為0.32%～0.95%,為弱鹽漬土,毛細(xì)水上升高度為2.5～3.0 m。

地下水埋深約1.5 m,主要靠大氣降水補(bǔ)給,受大氣降水及地表水影響,水位變幅2.0～4.0 m。地下水具硫酸鹽侵蝕性,環(huán)境作用等級(jí)為H2,具氯鹽侵蝕性,環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)2。

2.2 設(shè)計(jì)方案比選

DK341+800～DK342+120路基填土高度約6.0 m,通過對(duì)路基穩(wěn)定和沉降檢算,在控制填土速率的情況下,路基穩(wěn)定滿足要求,但工后沉降不能滿足規(guī)范要求。如采用袋裝砂井加固,工后沉降大,且沉降穩(wěn)定需要時(shí)間長(zhǎng)。該段表層分布有鹽漬土,地下水具硫酸鹽侵蝕性,如按常規(guī)采用水泥土攪拌樁加固地基,需采用抗硫酸鹽水泥,成本較高。整個(gè)工點(diǎn)采用水泥土攪拌樁加固地基的費(fèi)用要高出強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法加固地基約210萬元。為探索鐵路軟土地基處理新技術(shù),設(shè)計(jì)采用強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法。

3 強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法加固地基設(shè)計(jì)

3.1 降水設(shè)計(jì)

降水系統(tǒng)主要由井點(diǎn)管和集水管構(gòu)成。首先在擬加固地基兩側(cè)邊界外5 m左右處開挖排水溝,排水溝上寬為3 m,底寬為1.0 m,深為1.0～1.5 m,要確保明溝流水暢通。在擬加固地基兩側(cè)各2 m范圍內(nèi)并排設(shè)置1排外圍封閉管,外圍封閉管為1排深管(6 m)和1排淺管(4 m),井點(diǎn)管縱向間距為2.0 m;加固區(qū)內(nèi)采用1排深管與1排淺管隔排布置,深管管長(zhǎng)6 m,淺管管長(zhǎng)4 m,集水管(臥管)間距為4 m,井點(diǎn)管縱向間距2 m。降水系統(tǒng)平面、斷面布置分別見圖1、圖2。

圖1 降水系統(tǒng)平面布置設(shè)計(jì)(單位:m)

圖2 降水系統(tǒng)斷面布置(單側(cè))(單位:m)

3.2 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)

強(qiáng)夯采用3遍,每遍夯點(diǎn)間距4.0 m×4.0 m,3遍夯點(diǎn)布置見圖3。

在正式施工前應(yīng)進(jìn)行試夯,試夯區(qū)域不小于10 m×10 m。通過試夯確定單點(diǎn)總夯擊能與夯入度、夯擊遍數(shù)、夯遍間歇時(shí)間、有效加固深度等施工參數(shù)。

夯點(diǎn)的夯擊次數(shù),應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定,并應(yīng)同時(shí)滿足下列條件:

(1)最后2擊的平均夯沉量不大于15 cm;

(2)夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起;

(3)不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。

圖3 點(diǎn)夯3遍平面布置設(shè)計(jì)(單位:m)

夯擊時(shí),夯擊點(diǎn)中心位移偏差應(yīng)小于0.1D(D為夯錘直徑);當(dāng)夯坑底傾斜大于30°時(shí),將坑底填平后再進(jìn)行夯擊。每夯擊1遍完成后,將場(chǎng)地整平,同時(shí)測(cè)量整平后場(chǎng)地的高程。當(dāng)進(jìn)行下一遍夯擊時(shí),應(yīng)重新布置夯擊點(diǎn)位。

點(diǎn)夯完成后,再以低能量滿夯夯擊2遍,滿夯采用輕錘或低落距錘多次夯擊(滿夯單擊能500 kN·m)。夯印彼此搭接部分不應(yīng)小于錘底面積的1/4。

4 強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法施工

4.1 工藝流程

強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法設(shè)計(jì)采用的是3遍降水、3遍強(qiáng)夯的施工工藝。工藝流程見圖4。

圖4 強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法施工工藝流程

4.2 降水施工

降水技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 降水技術(shù)參數(shù)

(1)第1遍降水,采用管長(zhǎng)5～6 m,臥管間距為4 m,井點(diǎn)管間距2 m,并在距加固區(qū)域外圍邊線兩側(cè)各2.0 m處設(shè)置1排外圍封閉管,外圍封閉管井點(diǎn)管長(zhǎng)6 m。第1遍降水水位降至地面以下3.0 m,水位達(dá)到要求后,拆除施工區(qū)域內(nèi)影響強(qiáng)夯的所有井點(diǎn)管,保留外圍封閉管進(jìn)行強(qiáng)夯。

(2)第2遍降水,第1遍強(qiáng)夯結(jié)束后,推平夯坑(如果夯坑中有水,應(yīng)將夯坑中的水抽出,并請(qǐng)監(jiān)理驗(yàn)收夯坑后推平),推平后,進(jìn)行第2次降水插管,第2遍降水水位降至地面以下3.5 m,水位達(dá)到要求后,拆除場(chǎng)地強(qiáng)夯影響的井點(diǎn)管,保留外圍封閉管進(jìn)行強(qiáng)夯。

(3)第3遍降水,同上。試驗(yàn)區(qū)每2 000 m2布置1個(gè)水位觀察孔。外圍封管:距加固區(qū)域外圍邊線兩側(cè)各2.0 m處設(shè)置1排外圍封閉管,外圍封管管長(zhǎng)6 m。外圍封管在強(qiáng)夯施工期間連續(xù)降水,待3遍強(qiáng)夯施工完畢后,方可拆除。施工現(xiàn)場(chǎng)降水見圖5。

圖5 施工現(xiàn)場(chǎng)降水

4.3 強(qiáng)夯施工

(1)第1遍強(qiáng)夯,夯點(diǎn)布置4 m×4 m,夯擊能量1 000 kN·m;單點(diǎn)夯擊次數(shù)3擊,第1擊夯沉量15～25 cm,第2擊夯沉量10～20 cm,第3擊夯沉量7～15 cm。3擊之后累計(jì)沉降量35～55 cm。(2)第2遍強(qiáng)夯,夯點(diǎn)布置4 m×4 m,夯擊能量1 500 kN·m;單點(diǎn)夯擊次數(shù)4擊,第1擊夯沉量25～35 cm,第2擊夯沉量20～35 cm,第3擊夯沉量10～20 cm,第4擊夯沉量5～20 cm。3擊之后累計(jì)沉降量65～110 cm。(3)第3遍強(qiáng)夯,夯點(diǎn)布置4 m×4 m,夯擊能量2 000 kN·m;單點(diǎn)夯擊次數(shù)4擊,第1擊夯沉量35～65 cm,第2擊夯沉量20～35 cm,第3擊夯沉量10～25 cm,第4擊夯沉量8～20 cm。3擊之后累計(jì)沉降量65～120 cm。

夯擊時(shí)夯坑周圍無明顯隆起,夯擊時(shí)相鄰夯坑內(nèi)無出現(xiàn)明顯的隆起,后一擊夯沉量未出現(xiàn)明顯大于前一擊夯沉量現(xiàn)象。降水后強(qiáng)夯施工現(xiàn)場(chǎng)見圖6。

圖6 降水后強(qiáng)夯施工

5 檢測(cè)

5.1 沉降

施工前后,用10 m×10 m方格網(wǎng)測(cè)量場(chǎng)地高程,經(jīng)測(cè)量強(qiáng)夯前地面平均高程4.63m,3遍強(qiáng)夯后地面平均高程4.28 m,本工程場(chǎng)地經(jīng)過強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法處理后的地基平均沉降量為35 cm。原計(jì)算總沉降量為57 cm,考慮路基填筑期間地基還會(huì)發(fā)生一定的沉降,參考本地區(qū)非軟土地基的沉降規(guī)律及強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法處理后對(duì)地基的影響按照10 cm估算,工后沉降值為12 cm,滿足設(shè)計(jì)要求的工后沉降不大于20 cm要求。

5.2 承載力

對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了2組靜載荷試驗(yàn),復(fù)合地基承載力均大于150 kPa,滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本工點(diǎn)經(jīng)過強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法處理后的地基平均沉降量達(dá)35 cm,減少地基工后沉降明顯,且工后沉降能夠滿足路基工后沉降要求,地基承載力也由120 kPa提高到大于150 kPa,滿足路基設(shè)計(jì)要求。說明這種加固方法對(duì)這種施工場(chǎng)地周邊環(huán)境條件許可、地下水位略高且上部有相對(duì)硬殼土層的軟土地基加固處理技術(shù)上是可行的。

(2)強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法比采用袋裝砂井固結(jié)排水法大大的縮短了工期。與采用水泥土攪拌樁加固地基方法相比,不但減少環(huán)境污染,工程費(fèi)用也大大降低,經(jīng)測(cè)算強(qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法加固地基的費(fèi)用僅為水泥土攪拌樁的1/3～1/4?？梢娪脧?qiáng)排水復(fù)合型動(dòng)力固結(jié)法加固地基是一種最經(jīng)濟(jì)、快捷的處理地基方法,值得在鐵路類似軟土地基加固處理中推廣使用。

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[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ79—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

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Application of Mixed Mode of Dynamic Consolidation Method with Forced Drainage for Ground Improvement of Railway Subgrade

WANG Jian,WU Lian-hai
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

As for treating low-saturation soft soil,the dynamic consolidation method(dynamic compaction method)is an economical and efficient ground improvement method.But when the groundwater level is shallower or the subsoil is in high degree of saturation,the efficiency of this method is limited.However,this limitation problem can be broken through by using the mixed mode of dynamic consolidation method with forced drainage.In this mixed mode,the vacuum well-point dewatering method is used for lowering the ground water level so that the consolidation settlement in a part of ground soil can be achieved before the dynamic compaction method being used.This paper,taking an actual construction site on Handan-Huanghua Railway as an example,expounds the mechanism of ground improvement with this mixed mode,and introduces in detail its design and construction.

railway subgrade;mixed mode of dynamic consolidation method with forced drainage; mechanism of ground improvement;design;construction

U213.1+1

A

1004-2954(2013)03-0026-03

2012-08-13;

2012-11-11

王 劍(1964—),男,高級(jí)工程師,1988年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士。