真空動力固結(jié)法在加固海域吹填土路基中的應(yīng)用

王俊偉

摘要： 結(jié)合東港站改造工程中重車場吹填土路基加固工程施工，介紹了真空動力固結(jié)法的特點、工藝流程、操作要點、質(zhì)量安全控制措施、檢測要求、驗收評定等內(nèi)容，并對真空動力固結(jié)法在施工中的具體實施技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，對此類吹填土路基的加固處理施工提供了參考。

Abstract： According to heavy yard of dredger fill subgrade engineering construction in Donggang station renovation project， this paper introduces the characteristics of vacuum dynamic consolidation process， operation points， quality and safety control measures， detection requirements， acceptance evaluation etc.， summarizes the concrete implementation technology of vacuum dynamic consolidation method in construction， which provides reference for the reinforcement construction of this kind of dredger fill subgrade.

關(guān)鍵詞： 真空動力固結(jié)；軟基處理；降水強夯；質(zhì)量控制

Key words： vacuum dynamic consolidation；soft foundation treatment；dynamic consolidation；quality control

中圖分類號：U213.1+5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）09-0124-04

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和全球化趨勢的日益突出，海鐵聯(lián)運的運輸方式正在快速擴大和發(fā)展，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。近年來，為提高港口的吞吐能力、疏港運輸能力，通往港口區(qū)域的貨運鐵路也在相應(yīng)進(jìn)行擴能改造并加快建設(shè)。聶莊至東港增二線和東港站改造工程位于河北省唐山市海港開發(fā)區(qū)境內(nèi)，唐山市區(qū)東南約80km處的渤海岸邊，瀕臨唐山港，是唐山市“四點一帶”產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中的重要功能區(qū)塊中的組成部分。東港站為接發(fā)2萬噸大列的環(huán)線煤炭卸車站，主要擔(dān)負(fù)山西、陜西、內(nèi)蒙等地煤炭經(jīng)京唐港口的卸車任務(wù)。隨著港口設(shè)施完善、吞吐能力增大，原有鐵路不能滿足疏港運輸?shù)囊螅瑸樵黾舆\輸及卸煤能力，實施增二線及車站改造工程施工。

1 工程概況

聶莊至東港增二線和東港站改造工程是唐山港集團在東港站新建第二翻車機房的配套鐵路工程。東港站在原有基礎(chǔ)上配套建設(shè)重、空車場及卸車環(huán)線，重車場新設(shè)4條到發(fā)線，滿足2萬噸列車分解為萬噸列車進(jìn)行卸車的要求；空車場新設(shè)3條到發(fā)線，滿足萬噸空列組合成2萬噸空列進(jìn)行發(fā)車的要求；卸車環(huán)線新設(shè)2條并與翻車機相配套。

東港站新建重車場緊臨港口的卸煤堆場，原為海域?qū)儆诤７e地貌，經(jīng)人工吹填土形成。巖性以黏土、粉土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主，經(jīng)現(xiàn)場原位測試判定，飽和粉、細(xì)砂及粉土局部存在地震可液化層。該土層具有高含水量、大孔隙、壓縮性高、變形量大、強度低等特性。地下水補給來源主要為海水和大氣降水補給，地下水穩(wěn)定水位埋深在0.5～1.0m之間。本地區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震烈度Ⅶ度，最大凍結(jié)深度0.74m。

由于重車場路基范圍經(jīng)吹填土形成，地基承載力低，施工機械無法通行，必須進(jìn)行軟土地基加固處理。本區(qū)段地基加固要求為：有效地基加固深度6～8m，復(fù)核地基承載力特征值不小于150kPa，地基工后沉降不超過20cm，沉降速率不大于5cm/年，滿足地震烈度Ⅶ度地震區(qū)（0.15g）抗震液化的要求。經(jīng)建設(shè)單位多次組織設(shè)計單位及巖土專家到現(xiàn)場考察，經(jīng)多方比選最后決定采用工程成本較低、施工周期較短、加固效果較明顯的真空動力固結(jié)法。

2 真空動力固結(jié)法施工工藝原理及技術(shù)特點

2.1 施工工藝原理

真空動力固結(jié)是將真空降排水技術(shù)與強夯技術(shù)有機結(jié)合起來，通過設(shè)置真空排水管抽真空，利用真空負(fù)壓原理將地下水排出，目的是控制表層地下水，促使超靜孔隙水壓力快速消散，從而使土體含水量達(dá)到最佳含水量，同時對土體進(jìn)行有效預(yù)壓并重錘強夯的一種地基加固方法（也叫做“動力固結(jié)方式”或“動力擠密法”）。通俗來講，就是當(dāng)?shù)叵滤陆档揭欢ㄎ恢茫ǜ鶕?jù)要求加固的深度而定）后，將加固區(qū)真空管拆除，利用起重機械起吊10～20t的重錘至到達(dá)一定高度（>4m，根據(jù)需要的能量確定）后脫鉤，利用重錘其自由下落產(chǎn)生的強大的沖擊能夯實地基淺層土體，反復(fù)錘擊后使土體孔隙壓縮，局部液化，在夯點周圍生出裂縫，使孔隙水和氣體沿裂隙析出，同時使土粒重新排列，經(jīng)時效壓縮后逐漸固結(jié)，最終達(dá)到提高地基表層土體強度和增加地基處理深度，擴散應(yīng)力，減少地基差異沉降的目的，使地表面形成一層較為均勻的硬層。

2.2 施工技術(shù)特點

①使用機械設(shè)備簡單，施工速度快，工效高，施工成本低，經(jīng)濟效益顯著。

②操作簡便、安全，加固質(zhì)量可靠，既可以消除地基濕陷性，又能提高地基承載力。

③加固地基固結(jié)時間短，承載力大。

④地基加固后工后沉降量小，不均勻沉降小。

⑤施工過程中對環(huán)境無污染，有利于環(huán)保。

3 施工工藝流程及技術(shù)要點

東港站重車場軟土地基需進(jìn)行加固的范圍：長度2.8km、寬度50～100m ，面積共計18.9萬m2。該路基區(qū)段既有為水塘、取土坑，坑塘底部為厚層粉細(xì)沙，經(jīng)過近幾年不斷采用吹填土填充，坑塘大部已淤平，吹填土大部分為深海細(xì)砂，個別地段存在淤泥包，吹填土厚度一般4～6m，個別地段8～10m，露出水面部分表層1m較堅硬，可上人或小型機具，位于其下及水下呈流塑狀。

3.1 施工工藝

真空動力固結(jié)法的施工工藝流程見圖1所示。

3.2 工藝試驗

根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料、施工圖紙及地基加固要求，初步確定工藝參數(shù)，制定試驗方案，在施工現(xiàn)場選定有代表性的一處100×50m的場地進(jìn)行試驗，通過試驗檢測數(shù)據(jù)對比，優(yōu)化和確定了各項工藝參數(shù)。

采用的強夯機械的夯錘直徑2.2m、錘重15噸。確定的施工工藝為：“三降三夯”，降水深度為低于施工面以下4m；夯點間距3.5m，正方形布置。三遍夯擊能為1000kN·m、1400kN·m、2000kN·m。

3.3 施工場地平整

按長度200～300m劃分加固區(qū)域，分段進(jìn)行場地平整。場地平整的標(biāo)高考慮強夯下沉量的影響，當(dāng)有低洼地段或地下水位較高的地段時用海砂回填平整，回填厚度0.5～2.0m。在地表形成硬殼，以便施工機械通行及施工。

在地基加固區(qū)域外側(cè)開挖縱向排水溝，以便匯集降水管網(wǎng)中抽出的水并及時排出施工區(qū)域。

3.4 布置降水管網(wǎng)

采用插管機或者高壓水槍成孔插入降水井點管，管網(wǎng)布置見圖2、圖3。首先在加固區(qū)域外圍四周設(shè)封管，封管距施工區(qū)域邊線2～4m，管長為3m和6m，點距1.75m，間隔布置。在施工區(qū)域內(nèi)布置真空降水管，如圖所示實線表示單排真空降水管，排距7m，真空管長3m，點距1.75m。虛線表示雙排真空降水管，排距7m，真空管長3m（短管）及6m（長管），點距1.75m，間隔布置。井點管與集水總管、集水總管與集水箱和真空泵機組采用透明軟管連接，各部位均應(yīng)安裝嚴(yán)密、防止漏氣。降水系統(tǒng)安裝完畢后及時進(jìn)行運行調(diào)試，全面檢查管路接頭質(zhì)量，井點管出水狀況、真空泵抽水運轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整更換，確保降水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。

井點管施工工藝程序是：放線定位→鋪設(shè)總管→安插水位觀測管→成孔（機械引孔或水力沖孔）→安裝井點管、填粗砂濾料、上部填粘土密封→用連接管將井點管與總管接通→安裝集水箱和排水箱→開動真空泵抽水排氣，再開動離心泵排水→測量觀測管中地下水位變化。

降水設(shè)備及材料要求：

①真空泵：采用帶柴油機的真空動力設(shè)備（不受電力限制），抽氣速率≥100L/s（因為施工場地水位較高）。

②井點管：6m井點管為長6.0m、直徑32mm的鍍鋅鋼管，管底有濾網(wǎng)或?qū)Ｓ枚骂^，在管下端2m長區(qū)段內(nèi)按梅花形每隔10cm鉆Φ8mm的進(jìn)水孔。3m井點管為Φ32mm型塑料管，管下端1m長區(qū)段內(nèi)每隔10cm鉆Φ8mm的進(jìn)水孔。

③連接管：按照抗老化的設(shè)計要求，建議采用Φ32塑料透明帶鋼絲軟管制作連接管。

④集水總管：用帶堵頭和接頭的Φ63mm的PVC管制成。

⑤濾料：采用80～120目濾布。

3.5 第一次降水和第一遍強夯

選在-0.03MPa～-0.06MPa的真空度之間進(jìn)行初次真空降水。降水過程中，應(yīng)保持連續(xù)不斷抽水，由專人分晝夜兩班進(jìn)行現(xiàn)場巡檢，重點看真空管、真空度以及出水的變化（正常情況下出水先濁后清），每天兩次定時監(jiān)測降水水位。一般抽水5～7天后水位降落基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)水位降至原地面以下3m且穩(wěn)定48h后，轍掉單排降水管（3m淺層管），準(zhǔn)備第一遍強夯。井點管轍掉后所留的孔洞用素土填實。

第一遍強夯時夯擊能不宜過大，建議以1000kN·m夯擊能進(jìn)行第一遍點夯，其目的是不破壞表層土體，使后續(xù)夯擊能量有效傳遞到下層土體。夯擊數(shù)不少于10擊，可以根據(jù)現(xiàn)場地基條件分2～3次進(jìn)行，最后兩擊夯沉量之和小于20cm，每次點夯前推平夯坑。點夯采用隔行跳打法施工，點夯間距3.5m。

3.6 第二次降水和第二遍強夯

第一遍強夯結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)行第二次真空降水，真空度選取在-0.03MPa～-0.06MPa，降水水位低于施工面以下不小于4.0m且穩(wěn)定48h后，拔掉雙排管處的3m管，在第一遍孔隙水壓力消散85%～90%后準(zhǔn)備第二遍強夯，兩遍的間隔時間根據(jù)現(xiàn)場量測孔隙水壓力確定。

以1400kN·m夯擊能在第一遍夯點之間進(jìn)行第二遍點夯，夯擊數(shù)不少于10擊，可以根據(jù)現(xiàn)場地基條件分2～3次進(jìn)行，每次點夯前推平夯坑，最后兩擊夯沉量之和小于20cm。

3.7 第三次降水和第三遍強夯

第二遍強夯結(jié)束后，在-0.03MPa～-0.06MPa真空度之間繼續(xù)進(jìn)行第三次真空降水，降水水位至少在作業(yè)面4.0m以下，在孔隙水壓力消散85%～90%后，拔掉剩余降水管，可以進(jìn)行第三遍強夯。

進(jìn)行第三遍點夯時，點夯位置位于第一、第二遍夯擊區(qū)域的空缺位置（雙排管處），夯擊能2000 kN·m，夯點間距3.5m，夯擊數(shù)不少于10擊，可以根據(jù)現(xiàn)場地基條件分2～3次進(jìn)行，每次點夯前推平夯坑，最后兩擊夯沉量之和小于15cm。

靜置7天后，分別采用800 kN·m和600 kN·m滿夯兩遍，錘印搭接1/4錘底面積，夯擊能由大到小，每遍每點夯擊2擊。最后進(jìn)行場地平整，采用壓路機對表層松散部分進(jìn)行碾壓收平。

4 施工質(zhì)量控制措施

4.1 降水系統(tǒng)質(zhì)量控制

①根據(jù)場地形狀及尺寸利用GPS儀器進(jìn)行井點管定位。

②井點管要盡量保持垂直，偏斜不大于5°，成孔采用高壓水槍沖擊成孔，孔徑40mm，井深比井點管長度深50cm；從井孔中央插入井點管，在距離地面約20cm處停止插入，露出20cm的管長。

③按作業(yè)要求埋好井點管后接通設(shè)在井點管外30～50㎝的總管。切記先平整地面并排管后再敷管，且要用專用接頭連接集水干管，集水干管與井點管之間用透明膠管接通，再用膠帶纏繞接通處密封接頭部位。一組井點管部件連接完畢后，與抽水設(shè)備連通，開啟真空泵，進(jìn)行試抽水，檢查有無漏氣、淤塞情況，出水是否正常，如有異常情況，經(jīng)檢修后方可使用，如真空表讀數(shù)在0.08MPa以上，表明各連接系統(tǒng)無問題，即可投入正常使用。

④每臺真空泵控制面積一般不宜超過800～1000m2。

4.2 降水過程質(zhì)量控制

①降水過程中，始終保持連續(xù)不斷抽水。由專人分白班、夜班替換著不定時巡檢，重點檢查真空管、真空度和出水是否符合設(shè)計要求，一旦檢查出異常情況須第一時間上報并及時處理。一般抽水5～7天后水位降落基本趨于穩(wěn)定。

②地下水位達(dá)到預(yù)定要求且穩(wěn)定48h后方可拆除井點管。所留孔洞用素土填實。

③降水期間，定時對埋設(shè)的水位觀測管進(jìn)行觀測，每天定時觀測水位2次。

④降水過程中可根據(jù)現(xiàn)場情況，用壓路機碾壓以加快降水速度。

4.3 強夯質(zhì)量控制

①強夯施工現(xiàn)場周圍的建筑物或臨近設(shè)施應(yīng)該加設(shè)保護(hù)措施，如挖減振溝等，以規(guī)避強夯振動的影響。

②指派專人現(xiàn)場監(jiān)測強夯施工中夯錘、夯擊次數(shù)、夯沉量和落距，詳盡記錄各類參數(shù)，以作為工后衡量夯實效果的參考依據(jù)。

③施工中按要求對地下水位施測，必須在地下水位達(dá)到設(shè)計降水水位時才可開始強夯作業(yè)。夯實過程中，夯錘應(yīng)平穩(wěn)，強夯錘底面中心與方框中心對準(zhǔn)，以確保夯點精準(zhǔn)，避免出現(xiàn)坑位傾斜、夯點錯位等問題。

④點夯停止標(biāo)準(zhǔn)：強夯作業(yè)中一旦發(fā)現(xiàn)相同能量后一擊夯沉量明顯大于前一擊時，立即停止強夯進(jìn)行調(diào)整。

⑤根據(jù)試驗段施工總結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)提前在在強夯機起重臂上標(biāo)記出起錘高度，起錘到所標(biāo)示的高度時脫鉤。

⑥基于測量錘頂面高度計算夯沉量。指派專業(yè)技術(shù)員采用水準(zhǔn)儀逐擊測量和記錄夯擊數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)計算出單擊擊沉量，當(dāng)該參數(shù)與停擊標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)基本一致時立即轉(zhuǎn)入下一點。

⑦強夯作業(yè)中繼續(xù)保持降水，防止在強夯過程中，外圍水流入施工區(qū)域。

⑧每遍強夯結(jié)束待孔壓消散85～90%后，由推土機將場地推平。下一遍夯點布置與前一遍夯點成長方形布置。

⑨在每次更換脫鉤繩時，嚴(yán)格按設(shè)計要求用鋼尺精確控制脫鉤高度。根據(jù)試驗總結(jié)的最佳夯擊遍數(shù)控制各點夯擊遍數(shù)，最后兩擊平均貫入量不得大于設(shè)計要求。

⑩最后兩遍滿夯，點夯完畢后，由推土機將場地推平后再低能量滿夯，將場地表層松土壓實后對強夯后的場地高程施測。

5 檢測控制

最后一遍滿夯施工完成后間隔14天以上進(jìn)行效果檢測。根據(jù)施工要求，本工程通過通過標(biāo)貫或靜置觸探、平板載荷試驗對處理后的地基進(jìn)行檢測。檢測驗收標(biāo)準(zhǔn)如下：

①采用標(biāo)貫試驗檢驗地基，測點密度為每3000～5000m2 一個測點，檢測深度為8m，要求靜力觸探比貫入阻力PS至少應(yīng)該達(dá)到5MPa，如果是標(biāo)貫夯擊，夯擊數(shù)目至少為10擊。

②各加固區(qū)按標(biāo)貫分別檢測薄弱區(qū)域中的任意三處，每處（載荷板面積最小1.5m2）至少做一組地基荷載試驗。在試驗中，一是必須確保復(fù)合地基承載力特征值至少達(dá)到150kPa。比如有軟弱夾層的場地，軟弱夾層厚度應(yīng)該在2.5m以內(nèi)，且其承載力特征值至少應(yīng)該達(dá)到120kPa，達(dá)不到上述條件的必須采取措施進(jìn)行補救。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，東港站重車場共分為10個地基加固處理區(qū)段。每處地基加固區(qū)段都按照以上檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，標(biāo)貫試驗共檢測40個測點，檢測指標(biāo)均滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)要求；載荷試驗共檢測10組，復(fù)合地基承載力均大于設(shè)計要求150kPa的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)語

根據(jù)檢測結(jié)果表明，采用真空動力固結(jié)法處理吹填土軟弱地基，不僅能消除土體液化，而且可以有效提高地基承載力和壓縮模量，使其滿足設(shè)計要求。此類加固方法成本小，環(huán)境污染小，施工便捷。通過本次東港站重車場采用真空動力固結(jié)法加固由吹填土形成的軟土地基的實踐，較好的掌握了施工工藝流程，為此類施工提供了豐富的經(jīng)驗和可靠的技術(shù)參數(shù)。

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