就地固化技術(shù)在平谷門站及進(jìn)出線工程地基處理中的應(yīng)用研究

文 / 黃文堯 張博 董楠 陳鵬程 沈瑩 宏喆

北京地區(qū)燃?xì)鈭稣卷?xiàng)目通常選址于郊區(qū)縣地域空曠和未完全開發(fā)的區(qū)域，現(xiàn)狀地基常有淤泥質(zhì)土、人工雜填土和其他不利于直接做基礎(chǔ)持力層的土質(zhì)情況存在，導(dǎo)致燃?xì)鈭稣窘ㄔO(shè)過程中，首先需要對(duì)建筑物和構(gòu)筑物的地基基礎(chǔ)和管線的基底基礎(chǔ)進(jìn)行大規(guī)模處理，以使其滿足地基承載力和沉降控制等需求，保證燃?xì)鈴S站項(xiàng)目的安全性。

目前，灰土換填和樁基等復(fù)合地基處理方式是燃?xì)鈴S站項(xiàng)目的常規(guī)地基處理方式，工程投資較高，環(huán)境效益差，且施工工藝復(fù)雜、工期較長[1]。隨著北京地區(qū)安全環(huán)保的施工要求逐年提升，尤其是重大社會(huì)活動(dòng)期間管理要求往往提升幾個(gè)等級(jí)，并且重大社會(huì)活動(dòng)密集。由于建設(shè)需求，常需要在特殊時(shí)期施工，導(dǎo)致需要支付高昂的技術(shù)措施費(fèi)。因此，燃?xì)鈴S站項(xiàng)目地基處理中存在以下亟待解決的技術(shù)問題：適用于各類地質(zhì)水文條件、造價(jià)合理、質(zhì)量可靠、工期較短、綠色環(huán)保的材料和施工工藝。

近些年，基于土壤固化劑的就地固化技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，通過應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)：就地固化技術(shù)施工工藝簡單、工程造價(jià)低、環(huán)境效益高，且就地固化的土體整體強(qiáng)度高、均勻性好、沉降小。國外發(fā)達(dá)國家也將此技術(shù)稱為21世紀(jì)偉大的發(fā)明成果，它可以實(shí)現(xiàn)依靠天然砂石料到人工合成材料的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)工程建設(shè)的發(fā)展。但是，就地固化技術(shù)在燃?xì)鈭稣局械膽?yīng)用相對(duì)較少，應(yīng)用效果也有待驗(yàn)證[2]。

本文將基于土壤固化劑的就地固化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于平谷門站及進(jìn)出線工程，通過就地固化技術(shù)與常規(guī)地基處理方案對(duì)比分析、施工工藝研究和質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等，為實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)，墊定就地固化技術(shù)在燃?xì)鈭稣局羞M(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用的基礎(chǔ)。

1 工程概況

本工程位于北京市平谷區(qū)，崔杏路東側(cè)，順平南線北側(cè)廢棄魚塘區(qū)域，占地11845.82平米，東西寬約75米，南北長約159米。擬建場區(qū)地理位置及周邊環(huán)境見圖1。

圖1 擬建場區(qū)地理位置及周邊環(huán)境

表1 建（構(gòu)）筑物基本設(shè)計(jì)情況及地基承載力控制要求

擬建門站分為北側(cè)的生產(chǎn)區(qū)和南側(cè)的輔助區(qū)。生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的建構(gòu)筑物主要有工藝裝置區(qū)、集中放散區(qū)、加臭裝置區(qū)、進(jìn)站閥室及氣質(zhì)分析室、一期出站閥區(qū)、站內(nèi)自用氣區(qū)等，除進(jìn)站閥室及氣質(zhì)分析室為單層小型建筑物外，其它區(qū)域內(nèi)均為設(shè)備基礎(chǔ)、管道支架等，沒有自重太大的設(shè)備，工藝裝置區(qū)中的汽水換熱器是自重最大的單個(gè)設(shè)備，重量可按50噸考慮。同時(shí)還應(yīng)考慮嚴(yán)格控制沉降的不利影響。輔助區(qū)建構(gòu)筑物主要有綜合樓、生產(chǎn)輔助用房、門衛(wèi)室、消防水池、雨水收集池等。其中綜合樓體量相對(duì)較大，為地上四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)輔助用房、門衛(wèi)室均為單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，消防水池、雨水收集池為全地下鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)。詳細(xì)設(shè)計(jì)條件及沉降控制需求見表1。

2 工程地質(zhì)條件

擬建燃?xì)鈭稣痉秶闯梢蝾愋?、沉積年代可劃分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀(jì)沉積層三大類，并按其巖性及工程特性進(jìn)一步劃分為7個(gè)大層及亞層，現(xiàn)分述如下：

人工堆積層：

表層為人工堆積之一般厚度為0.50m～2.60m的淤泥質(zhì)土（含水率＞40%）、粉質(zhì)黏土填土、黏質(zhì)粉土填土①層。

新近沉積層：

標(biāo)高24.07m～28.05m以下為黏土、重粉質(zhì)黏土②層及粉質(zhì)黏土②1層；

標(biāo)高19.99m～22.50m以下為粉砂③層，砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土③1層及重粉質(zhì)黏土、黏土③2層。

第四紀(jì)沉積層：

標(biāo)高18.24m～20.28m以下為粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土④層及黏土、重粉質(zhì)黏土④1層；

標(biāo)高13.30m～16.29m以下為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土⑤層及重粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土⑤1層；

標(biāo)高9.72m～12.29m以下為黏土、重粉質(zhì)黏土⑥層，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土⑥1層，粉砂⑥2層及粉質(zhì)黏土⑥3層；

標(biāo)高5.32m～7.05m以下為粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土⑦層及細(xì)砂⑦1層（該大層未揭穿）。

3 地基處理方案設(shè)計(jì)

3.1 工程地質(zhì)條件分析

由上文可知，擬建建（構(gòu)）筑物、管線等的基礎(chǔ)大部分位于現(xiàn)狀魚塘內(nèi)，自然地面標(biāo)高位于設(shè)計(jì)基底標(biāo)高以下，且地表下約1.50m深度范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土（含水率＞40%）、粉質(zhì)黏土填土和黏質(zhì)粉土填土層地基承載力和沉降難以滿足設(shè)計(jì)要求，故需要進(jìn)行地基處理。

3.2 地基處理方案設(shè)計(jì)

由工程地質(zhì)條件分析可知，需對(duì)自然地面以下分布的淤泥質(zhì)土（含水率＞40%）、粉質(zhì)黏土填土和黏質(zhì)粉土填土層進(jìn)行處理，使其滿足地基承載力和沉降控制需求。具體設(shè)計(jì)方案如下：

1. 灰土換填方案

首先挖除自然地面以下分布的人工填土層，然后換填2:8灰土和素填土至設(shè)計(jì)標(biāo)高。按照本工程場區(qū)分布及設(shè)計(jì)要求的不同，共劃分為處理1區(qū)和處理2區(qū)兩個(gè)區(qū)，見圖2。

地基處理1區(qū)范圍內(nèi)，采用2:8灰土分層碾壓，壓實(shí)系數(shù)≥0.95，碾壓后承載力≥80kPa；灰土換填完成后，其上分層鋪設(shè)素填土并壓實(shí)（壓實(shí)系數(shù)≥0.94）至設(shè)計(jì)標(biāo)高，后再進(jìn)行相應(yīng)的建（構(gòu)）筑物、管線等基礎(chǔ)的開挖；地基處理2區(qū)范圍內(nèi)，相應(yīng)的建（構(gòu)）筑物、管線等分布比較密集，可在建筑物基礎(chǔ)完成后再按照上述要求回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，也可同1區(qū)同時(shí)處理至灰土換填設(shè)計(jì)標(biāo)高（26.20m）后再進(jìn)行相應(yīng)的基槽開挖和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工，然后再進(jìn)行素土回填。

2. 就地固化方案

圖2 擬處理范圍示意圖（處理1區(qū)、處理2區(qū)）

圖3 灰土換填壓實(shí)任務(wù)分解示意圖

圖4 就地固化技術(shù)任務(wù)分解示意圖

類比于灰土換填方案，同樣將地基處理區(qū)域劃分為處理1區(qū)和處理2區(qū)兩個(gè)區(qū)，首先對(duì)自然地面以下分布的淤泥質(zhì)土（含水率＞40%）、粉質(zhì)黏土填土和黏質(zhì)粉土填土層進(jìn)行就地固化處理，然后換填素填土至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

地基處理范圍內(nèi)，均采用固化土分層碾壓至建（構(gòu)）筑物基底設(shè)計(jì)標(biāo)高，壓實(shí)系數(shù)≥0.95，碾壓后承載力≥100kPa；固化土碾壓完成后，其上分層鋪設(shè)素填土并壓實(shí)（壓實(shí)系數(shù)≥0.94）至設(shè)計(jì)標(biāo)高，后再進(jìn)行相應(yīng)的建（構(gòu)）筑物、管線等基礎(chǔ)的開挖。

就地固化技術(shù)配合比設(shè)計(jì)：按照土的質(zhì)量添加5%的普通硅酸鹽水泥（po42.5）和0.02%的環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定土壤固化劑。

4 就地固化技術(shù)與常規(guī)地基處理方案對(duì)比分析

4.1 工程任務(wù)分解

1. 灰土換填方案

灰土換填工程任務(wù)分解如圖3所示。

2. 就地固化方案

就地固化技術(shù)任務(wù)分解如圖4所示。

3和圖4可知：灰土換填方案和就地固化技術(shù)所需要的任務(wù)步驟相當(dāng)，區(qū)別是灰土換填方案所挖除的雜填土層需廢棄，造成資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)成本增加，間接影響施工工期，就地固化技術(shù)具有相當(dāng)優(yōu)勢。

4.2 主要工程量及造價(jià)分析

1. 工程量

表2 主要工程量

2. 工程造價(jià)對(duì)比

表3 處理1區(qū)造價(jià)對(duì)比

表4 處理1區(qū)造價(jià)對(duì)比

由表2至表4可知：就地固化技術(shù)可較灰土回填節(jié)約造價(jià)約280746.45元，經(jīng)濟(jì)效益顯著；同時(shí)，減少傳統(tǒng)筑路材料使用，環(huán)境效益顯著。

4.3 地基處理性能分析

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB50007-2011），采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測所處理地基的承載力，并進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：就地固化技術(shù)與灰土換填的地基承載力和沉降值均滿足規(guī)范要求，但就地固化技術(shù)的地基承載力為灰土換填的7.4倍，沉降值降低約35%，這說明就地固化技術(shù)相比灰土換填具有更好的地基處理性能。

4.4 總結(jié)分析

通過就地固化技術(shù)與常規(guī)地基處理方案的對(duì)比分析，可知就地固化技術(shù)具有更好的整體穩(wěn)定性，可有效提高基礎(chǔ)的承載力，且具有更小的沉降值，延長使用性能隨時(shí)間的穩(wěn)定性。同時(shí)，就地固化技術(shù)的工程造價(jià)低、施工速度快、環(huán)保節(jié)能，具有更高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境效益。

表6 就地固化與灰土換填對(duì)比分析表

5 就地固化技術(shù)施工工藝研究

5.1 機(jī)械設(shè)備

一般需配備如下機(jī)具：路面拌和機(jī)（30公分以上拌合）、20t鋼輪壓路機(jī)、平地機(jī)、挖掘機(jī)、水車等（根據(jù)施工情況而定）其它輔助工具等。

5.2 施工場地的選擇及整理

首先將施工段范圍內(nèi)土方按照設(shè)計(jì)要求攤鋪到位，測量人員用白灰線放出施工場地，經(jīng)監(jiān)理工程師檢查驗(yàn)收后開始進(jìn)行施工段施工。

5.3 施工工藝

一般采用路拌法施工：分層壓實(shí)固化，控制15cm分層厚度。

1. 施工放樣

首先利用挖機(jī)清除表土，并攤鋪到前一個(gè)基坑中，攤鋪時(shí)利用挖機(jī)適當(dāng)碾壓+鋪水泥（使用po42.5普通硅酸鹽水泥）水泥撒布一定要按照設(shè)計(jì)要求（土壤的質(zhì)量比）撒布，不能漏撒和不撒布，可以人工噴灑或機(jī)械噴灑（如果經(jīng)濟(jì)條件或場地允許建議采用機(jī)械噴灑），人工噴灑水泥按照一次施工長度*寬度*厚度*最大干密度*水泥百分比算出水泥質(zhì)量后并均勻撒布。

2. 稀釋土壤固化劑

按照實(shí)驗(yàn)室配合比取一次施工土體質(zhì)量計(jì)算出土壤固化劑用量，再按照1：100或1：200將土壤固化劑加入水容器中進(jìn)行稀釋，控制穩(wěn)定劑的量和水量的總原則是，先確保固化劑的足量，再適當(dāng)補(bǔ)水。

3. 拌和

將稀釋后的土壤固化劑稀釋液噴灑在需拌和的土質(zhì)和水泥的混合料上，使用挖掘機(jī)、裝載機(jī)進(jìn)行拌合三遍以上。

4. 排壓、整形

混合料拌和均勻后用鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓整形。

5. 刮平機(jī)刮平

刮平機(jī)按照設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)高進(jìn)行多次刮平，刮平時(shí)應(yīng)注意路面坡度走向有助于路面排水，對(duì)局部低洼處，應(yīng)用齒耙將其表面耙松5cm-8cm深，并用新拌的環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定固化土基層混合料進(jìn)行填補(bǔ)找平排壓，最后用刮平機(jī)精細(xì)整形一次，應(yīng)將高處料直接刮出路外，不應(yīng)形成薄層貼補(bǔ)現(xiàn)象。采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行排壓兩遍穩(wěn)定混合料。

6. 碾壓（先靜壓2遍后震壓2遍）

根據(jù)路寬、壓路機(jī)的輪寬和輪距的不同，制定碾壓方案，應(yīng)使各部分碾壓到的次數(shù)相同。壓路機(jī)應(yīng)先輕后重、先快后慢，先兩邊后中間進(jìn)行碾壓；直到使每層整個(gè)厚度完全均勻的達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度為止。嚴(yán)禁壓路機(jī)在已完成的或正在碾壓的路段上調(diào)頭或急剎車，振動(dòng)壓路機(jī)碾壓結(jié)束后，視情況是否表面補(bǔ)水后使用膠輪壓路機(jī)收面。

碾壓過程中，如出現(xiàn)彈簧、松散、起皮等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)翻開重新拌和（加適量的環(huán)保型高強(qiáng)穩(wěn)定固化土基層材料）或用其他方法處理，使其達(dá)到質(zhì)量要求。軟基層自然固化可用挖掘排壓，壓路機(jī)壓實(shí)應(yīng)達(dá)到96%的壓實(shí)度。

7. 養(yǎng)生

碾壓完后，必須采用覆蓋保濕養(yǎng)生，養(yǎng)生期控制在7d為宜。

6 主要結(jié)論

（1）就地固化技術(shù)相比于常規(guī)地基處理方式，可有效提高地基基礎(chǔ)承載力，具有更好的整體穩(wěn)定性，且具有更小的沉降值，延長使用性能隨時(shí)間的穩(wěn)定性。同時(shí)，就地固化技術(shù)的工程造價(jià)低、施工速度快、環(huán)保節(jié)能，具有更高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境效益。

（2）燃?xì)鈴S站工程相對(duì)于交通基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)處理技術(shù)要求低，基于土壤固化的就地固化技術(shù)可較好的滿足地基處理要求，具有較好的規(guī)劃化應(yīng)用市場前景。