天津鐵路集裝箱中心站真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法沉降控制設(shè)計

余學(xué)鵬，崔俊杰，韓志霞，劉　浩

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

天津鐵路集裝箱中心站真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法沉降控制設(shè)計

余學(xué)鵬，崔俊杰，韓志霞，劉浩

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要：基于天津新港北鐵路集裝箱中心站工程，并結(jié)合場地狀況，對地基處理方案進(jìn)行研究和比選，選擇真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法作為地基處理方案。根據(jù)鐵路行業(yè)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，就真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在鐵路工程中的應(yīng)用設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)闡述，重點通過試驗段研究、地基沉降計算和地基固結(jié)計算等提出真空預(yù)壓控制指標(biāo)，并通過對增壓防堵真空預(yù)壓區(qū)(ZY-5)監(jiān)測和檢測結(jié)果分析，驗證整個計算過程的合理性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：軟土路基；地基處理；吹填土；真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法

天津新港北鐵路集裝箱中心站工程場地的吹填土料源主要為天津近海的第四系陸海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)黏土，且吹填造陸工程完成約3年，地基以高含水量的淤泥為主，屬于流塑狀態(tài)，厚度在11.0～21.0 m，不適用強夯、強夯置換以及高真空擊密等兼有排水固結(jié)和置換作用的處理方法，且碎石樁、攪拌樁、旋噴樁等復(fù)合地基法不具備施工條件且造價過高。因而，本工程地基處理方案通過對堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓和真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法等多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，設(shè)計選擇真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法作為本工程的地基處理方法[1]。

1工程地質(zhì)條件

天津新港北鐵路集裝箱中心站位于天津港東疆港區(qū)內(nèi)新港八號路與海鐵大道之間，實施工程總面積約70萬m2，其中北側(cè)到發(fā)場24.7萬m2，南側(cè)裝卸線及箱區(qū)約45萬m2。進(jìn)港三線正線自DK12+760(站線分界里程)處，路基填料與到發(fā)線一致，即正線、到發(fā)線、裝卸線基床表層均采用0.3 m 厚A組土，基床表層以下采用0.9 m厚B組土填筑，集裝箱場鋪面下采用B組土填筑。場區(qū)所在位置原為濱海灘涂區(qū)，表層為吹填土，層厚為11.0～21.0 m。

選取增壓防堵真空預(yù)壓區(qū)(ZY-5)作為研究對象，吹填土厚度15.1 m，打插排水板深度16.1 m，其加固前ZY-5區(qū)吹填土物理力學(xué)統(tǒng)計指標(biāo)詳見表1[2-3]。

表1　ZY-5區(qū)吹填土物理力學(xué)統(tǒng)計指標(biāo)

2工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與場地條件分析

2.1鐵路到發(fā)區(qū)地基處理設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001—2005)、《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》(TB10035—2006)和《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)：

(1)路基基床底層承載力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)σ0≥120 kPa；

(2)地基穩(wěn)定性安全系數(shù)不考慮軌道及列車荷載≥1.20，考慮軌道及列車荷載≥1.10；

(3)地基沉降設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工后沉降量≤30 cm。

2.2ZY-5區(qū)路基設(shè)計條件分析

(1)場地條件：吹填土層厚15.1 m(泥面高程4.0 m)，下伏粉質(zhì)黏土層，地下水位3.93 m，物理力學(xué)指標(biāo)詳見表1。

(2)路基填筑設(shè)計高程：本工程路基填筑設(shè)計采用三級界面，即，第一級真空預(yù)壓工作墊層，素填土，填土高程4.5 m，填筑范圍為用地界外17 m；第二級為路基基床底面(路基站場分界面4.3 m)，合格填料，同時作為聯(lián)合預(yù)壓荷載，填筑范圍為鐵路用地界外2 m；第三級為路基面，地基處理完成并檢測合格后，填筑路基基床，路肩高程5.58 m，詳見圖1。

圖1　ZY-5區(qū)真空預(yù)壓后路基填筑示意(單位：m)

2.3場地條件分析

(1)吹填土地基基本承載力不足50 kPa，需鋪設(shè)荊笆、竹排，人員方可在其上行走；

(2)場地路堤臨界填筑高度Hc=5.52CU/γ，即1.46 m；

(3)臨近工程經(jīng)驗：本工程裝卸區(qū)采用直排式真空預(yù)壓，吹填土厚11.2 m，平均沉降約1.5 m。

(4)基于路基正常使用期荷載的地基沉降初步估算：ZY-5區(qū)路基填高1.76 m，沖填土厚度15.1 m，在設(shè)計荷載作用下，同時考慮施工期沉降影響后，路堤的實際計算高度為3.15 m，估算地基總沉降1.21 m(只考慮設(shè)計荷載時，沉降修正系數(shù)取1.8)。

3真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法設(shè)計簡介

3.1真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法設(shè)計

(1)原地面鋪竹排、荊笆、土工格柵和編織土工布，其上填0.5 m厚素土作為工作墊層；

(2)塑料排水板采用等邊三角形布置，間距0.9 m，深度16.1 m，塑料板應(yīng)打穿沖填土層和其下的淤泥質(zhì)土層，并進(jìn)入下層粉土或粉質(zhì)黏土深度不小于0.5 m，塑料排水板通過手型接頭及三通接入真空管網(wǎng)系統(tǒng)；

(3)增壓管矩形布置，深4 m，下部需布設(shè)排水板，增壓管通過三通接入增壓系統(tǒng)；

(4)真空泵數(shù)量控制在900～1 100 m21臺，于真空管網(wǎng)及增壓管網(wǎng)合適位置設(shè)置主管分別與真空泵、增壓泵相連接；

(5)管網(wǎng)頂面依次鋪設(shè)1層編織土工布、 1層無紡?fù)凉げ肌?層PVC真空膜、1層無紡?fù)凉げ己?層編織土工布；

(6)真空預(yù)壓2個月后填筑素土，進(jìn)行聯(lián)合堆載預(yù)壓，聯(lián)合預(yù)壓時間1～2個月。

3.2真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法質(zhì)量驗收要求

(1)卸荷驗收：連續(xù)4晝夜實測地面沉降速率小于2 mm/d，地基固結(jié)度不小于90%時，經(jīng)驗收合格后，可終止預(yù)壓。

(2)預(yù)壓后地基應(yīng)進(jìn)行原位測試和土工試驗，以檢驗地基加固效果。

4試驗段研究

常規(guī)真空預(yù)壓真空度由水平排水系統(tǒng)(主管、濾管和砂墊層)傳遞到塑料排水板，再由塑料排水板傳遞到預(yù)壓土體。在真空度傳遞過程中，由于水平排水系統(tǒng)的阻尼作用，導(dǎo)致真空度損失很大。直排式、增壓防堵真空預(yù)壓法都是在常規(guī)真空預(yù)壓基礎(chǔ)上發(fā)展而來，與常規(guī)真空預(yù)壓法相比，直排式真空預(yù)壓法和增壓防堵真空預(yù)壓法都對常規(guī)真空預(yù)壓做了改進(jìn)，取消了水平砂墊層能有效降低工程造價，更符合環(huán)保的要求，同時加固后的效果較常規(guī)真空預(yù)壓加固后效果更好。增壓防堵真空預(yù)壓與直排式真空預(yù)壓區(qū)別如下[4-7]。

(1)直排式真空預(yù)壓法采用普通的FDPS塑料排水板，增壓防堵真空預(yù)壓法采用防淤堵無紡布濾膜PDPS整體式排水板。

(2)增壓防堵真空預(yù)壓法用手型接頭和鋼絲軟管替代水平排水系統(tǒng)，可使真空壓力基本無衰減地傳遞到軟土地基的排水板中，加速土體固結(jié)。

(3)增壓防堵真空預(yù)壓法增加了加速表層吹填土固結(jié)的增壓系統(tǒng)。

為了驗證真空預(yù)壓效果，施工圖設(shè)計前做了3個試驗段，增壓防堵真空預(yù)壓法2個區(qū)，分別采用1.0 m和0.9 m兩個間距，排水板為PDPS整體式排水板；直排式真空預(yù)壓法1個區(qū)，采用0.9 m間距，排水板為FDPS塑料排水板[8-9]。

(1)預(yù)壓期沉降：采用間距為0.9 m的增壓防堵真空預(yù)壓加固后的吹填土地表沉降最大，沉降為1.448 m。

(2)施工期水位變化率：真空預(yù)壓期水位降幅為1.47～1.98 m。

(3)孔隙水壓力：真空預(yù)壓期孔隙水壓力變化值為42.9～103.5 kPa。

(4)土層的含水率：由38.2%～72.9%下降到了30.9%～51.0%。

(5)土的抗剪強度：土層的十字板抗剪強度由加固前1.1～34.2 kPa增到加固后的12.0～47.8 kPa。

5施工期地基沉降計算

5.1基于含水率變化的計算法

在計算土的物理性質(zhì)指標(biāo)時，通常認(rèn)為土是由空氣、水和土顆粒三相組成，試驗直接測定的基本物理性質(zhì)指標(biāo)有含水量(ω)、相對密度(ds)和質(zhì)量密度(ρ)，由上述3項可以換算為干密度(ρd)、飽和度(Sr)和土的總體積(V)等指標(biāo)。

(1)

(2)

(3)

式中，ms為土粒質(zhì)量；ρw為水的密度；Vs為土粒體積。

充分考慮加固前后吹填土特性，假設(shè)：①加固前后土粒質(zhì)量不變，且土粒不可壓縮，即Vs不變，ds不變；②加固前后飽和度均取100%；③加固區(qū)寬105 m，不考慮非加固區(qū)側(cè)向擠壓變形，則根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)可得

1.183(取加固后吹填土層含水率50%)

增壓防堵真空預(yù)壓區(qū)(ZY-5)淤泥質(zhì)吹填土厚12.1 m(扣減低含水率砂層、粉土層3 m)，則真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理后，地基沉降需大于1.87 m。

5.2基于施工期荷載的分層總和法計算[10-13]

地基總沉降量(S)中的瞬時沉降不單獨計算。將主固結(jié)沉降乘以修正系數(shù)(m)來考慮瞬時沉降及其他因素的影響，即：S=mSc，其中主固結(jié)沉降Sc采用分層總和法計算。

(1)主固結(jié)沉降產(chǎn)生原因：主固結(jié)沉降是指荷載作用在地基上后，隨著時間的延續(xù)，外荷不變而地基土中的孔隙水不斷排除過程中所發(fā)生的沉降，它起于荷載施加之時，止于荷載引起的孔隙水壓力完全消散之后，是地基沉降的主要部分。

(2)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法施工期沉降變形過程

①填土墊層期，地基產(chǎn)生瞬時沉降，形成超孔隙水壓力；

②打插排水板期間和抽真空初期，地基沉降主要源于超孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增長，引起超孔隙水壓力的外部荷載則是填土墊層；

③抽真空中期，孔隙水壓力逐漸達(dá)到新的平衡(相對靜水壓力下降到某點的真空度)，地基沉降源于孔隙水壓力消散，而引起孔隙水壓力消散的則是真空度；

④真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓時，堆載引起孔隙壓力增大，打破了抽真空狀態(tài)的平衡。此時，地基沉降變形由新增孔隙水壓力的消散引起，直至達(dá)到新的應(yīng)力狀態(tài)平衡。整個地基沉降變形過程中，有效應(yīng)力不斷增加，而孔隙水壓力在消散，某點孔隙水壓力為靜水壓力減去某點真空度。

(3)施工期荷載組成

①填土墊層荷載增量，由0.5 m素土墊層和填土墊層過程中填土沉落土層(0.4 m)兩部分組成。該填土在膜下，取浮重度。

②真空度引起荷載增量，真空負(fù)壓通過排水板傳遞到吹填土層中，引起孔隙水壓力消散。在外部條件不變得情況下，隨孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力不斷增加。

③堆載引起的荷載增量，在吹填土在真空負(fù)壓的下，吹填土層不斷排水固結(jié)。根據(jù)5.1，計算時取堆載土層厚1.0 m。

(4)堆載預(yù)壓后設(shè)計荷載

充分考慮土工格柵、真空膜、土工布的整體性作用，視膜上填筑土為整體。設(shè)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法高程為4.0 m，則地基加固后新增填筑土荷載為40.1 kPa，其中列車換算荷載11.5 kPa(按照5列考慮)。

(5)修正系數(shù)取值：根據(jù)濱海新區(qū)真空預(yù)壓工程經(jīng)驗，填土墊層與打插排水板期間沉降就大于0.6 m，故取修正系數(shù)為1.5。

(6)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法地基預(yù)測沉降量：2.108 m。

(7)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理過程中，固結(jié)達(dá)到90%時，地基沉降1.90 m。

5.3沉降控制和固結(jié)度設(shè)計指標(biāo)

綜合以上分析，真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓施工期：

(1)沉降控制指標(biāo)≥1.90 m；

(2)固結(jié)度控制指標(biāo)≥90%。

6地基固結(jié)度設(shè)計(表2)

地基固結(jié)度受排水板間距、布置形式、荷載加載級數(shù)、加載時間、加載速率和加載大小等影響，需對各參數(shù)反復(fù)計算，求得最佳組合[14]。

根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)，地基平均固結(jié)度按式(4)進(jìn)行計算

(4)

(1)設(shè)計階段：經(jīng)反復(fù)驗算，塑料排水板采用等邊三角形布置，間距0.9 m，預(yù)壓2個月后填筑素土進(jìn)行聯(lián)合堆載預(yù)壓，聯(lián)合預(yù)壓時間1～2個月，膜下真空度不小于80 kPa；每次加載10 d內(nèi)完成，固結(jié)度可以達(dá)到98.3%。

(2)施工階段：因增壓防堵真空預(yù)壓區(qū)(ZY-1和ZY-5)冬季施工，膜上水層結(jié)冰，無法填筑。經(jīng)重新驗算，堆載在抽真空4個月后填筑，堆載預(yù)壓時間1個月，固結(jié)度可以達(dá)到96.7%。

表2　固結(jié)度設(shè)計

7真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固效果

7.1加固后吹填土物理力學(xué)指標(biāo)[15](表3)

表3　加固后吹填土物理力學(xué)指標(biāo)

7.2施工期地基沉降變形

根據(jù)新建天津新港北鐵路集裝箱中心站工程真空預(yù)壓監(jiān)測和檢測報告，地基填土墊層期沉降0.421 m，打插排水板期沉降0.204 m，預(yù)壓期沉降1.355 m，施工期沉降合計1.98 m，固結(jié)度達(dá)到94%，與前述計算的施工期沉降控制標(biāo)準(zhǔn)1.90 m基本相符；地基吹填土最大壓縮率達(dá)到15.66%；地基最大側(cè)向變形674.2 mm。

7.3路基填筑后沉降

路基填筑完成后，2013年12月實測路肩高程為5.865 m，2014年12月實測路基高程5.813 m，沉降差為0.052 m。

7.4復(fù)合地基承載力

根據(jù)第三方檢測單位平板載荷試驗結(jié)論：增壓防堵真空預(yù)壓處理過的地基上共抽檢的6點淺層平板載荷試驗，分別為1區(qū)DK13+610、2區(qū)DK13+830、2區(qū)與3區(qū)壓膜溝DK13+880、3區(qū)DK13+930、4區(qū)DK14+130、5區(qū)DK14+340，全部6點試驗的地基承載力特征值均可取120 kPa[16]，滿足設(shè)計要求。

本工程的真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓屬于超載預(yù)壓，施工期荷載大于正常使用期荷載，所以真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固效果滿足鐵路到發(fā)區(qū)地基處理設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

8結(jié)語

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法技術(shù)發(fā)展至今，理論研究日漸深入，施工工藝不斷創(chuàng)新發(fā)展，廣泛應(yīng)用于港口工業(yè)、垃圾填埋場處理等領(lǐng)域。而在鐵路工程中應(yīng)用相對較少，主要原因在于：(1)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固后，地基仍具有中～高壓縮性，比較難以滿足鐵路特別是高速鐵路線路工程的承載力和工后沉降要求；(2)真空預(yù)壓終止標(biāo)準(zhǔn)：固結(jié)度、沉降速率都受施工條件控制，施工工藝要求高。但對于大型集裝箱堆場而言，特別是深厚吹填土地基上的大面積地基處理而言，真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在經(jīng)濟(jì)效益方面有著絕對優(yōu)勢。

根據(jù)天津新港北鐵路集裝箱中心站工程場設(shè)計、施工、監(jiān)測和檢測經(jīng)驗，對鐵路地基加固工程中采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法有以下幾個方面體會。

(1)真空預(yù)壓設(shè)計時，應(yīng)準(zhǔn)確掌握土的性質(zhì)和分布形式，對排水板間距、布置形式、荷載加載級數(shù)、加載時間、加載速率和加載大小等應(yīng)反復(fù)驗算，以保證地基承載力、工后沉降等滿足鐵路工程需要。

(2)在深厚吹填土地段，在滿足防洪等條件下，應(yīng)盡量壓低路肩高程，以保證地基承載力和穩(wěn)定性驗算，避免二次地基處理引起工程費用成倍增加。

(3)采用具有防淤堵性能的整體式排水板，能夠有效提高真空預(yù)壓效果。

(4)真空預(yù)壓加載條件、真空預(yù)壓預(yù)壓時間等控制指標(biāo)，需通過地基沉降、固結(jié)度詳細(xì)計算給定。

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Settlement Control with Vacuum-mound Preloading in Tianjin Xingang North railway Container Central Station

YU Xue-peng， CUI Jun-jie， HAN Zhi-xia， LIU Hao

(China Railway Engineering Consulting Group Co. Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：Based on the engineering in Tianjin Xingang North railway container central station， and in accordance with site conditions， this paper addresses the foundation treatment and selection of vacuum-mound preloading method. According to the design specifications related to railway industry， the application of vacuum-mound preloading method in railway engineering design is expatiated. Control indices of vacuum preloading are put forward after study on test section， calculation of foundation settlement and ground consolidation. The reasonableness and accuracy of entire calculation process is verified by monitoring and detection of anti-clogging & pressure boosted vacuum preloading area (ZY-5).

Key words：Subgrade in soft soil zone; Foundation treatment; Dredger fill; Vacuum-mound preloading method

中圖分類號：U291.5； U213.1+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.016

文章編號：1004-2954(2015)06-0069-04

作者簡介：余學(xué)鵬(1982—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：41952916@qq.com。

收稿日期：2014-12-02； 修回日期：2014-12-15