鐵路海相軟土路基處理方法的研究

黃應州

(廣州鐵路(集團)公司， 廣州 510080)

1 概述

我國沿海地區存在大量近代海相沉積的軟弱黏土層,在這種含水量高、壓縮性大、滲透性差、強度低,且土層厚、分布極不均勻的軟土層上修筑鐵路路基是鐵路建設中的重大技術難題。廣珠鐵路珠海西站工程位于珠三角海相沉積層位置,地質復雜,淤泥層厚達24 m,需采用有效的方法進行加固處理。對廣珠鐵路珠海西站軟土路基處理先導工程采用的2種軟土路基處理方法進行對比,為今后鐵路軟土路基處理的設計施工提供參考。

2 工程地質及工程概況

2.1 工程地質概況

廣珠鐵路珠海西站場地地貌為珠三角海相堆積平原區,大部分為水塘,地形平坦。表層為第四系人工雜填土、海相沉積的淤泥、淤泥質粉質黏土、粉質黏土等,為典型的軟土地基,場地基巖為燕山期花崗巖。場地分布厚層松軟土層,淤泥層厚達24 m,地下水埋深淺,僅為0.20～0.30 m,地層結構較均勻。

2.2 工程概況

珠海西站采用真空-堆載聯合預壓的加固方式進行地基處理,加固面積達30萬m2,需選定合理的施工方法、參數進行加固。珠海西站先導工程的目的是驗證設計參數,確定施工工藝、方法,選定合理的設備配置。珠海西站先導工程場地達77 000 m2,具體試驗區場地布置及施工工藝、方法如圖1所示。

圖1 珠海西站場地及沉降監測點布置(單位：m)

3 施工工藝

3.1 常規真空-堆載聯合預壓法施工步驟

常規真空-堆載聯合預壓法施工步驟如下：采用吹砂的方法進行場地回填,以便場地條件能夠滿足機械進場→利用濕地推土機連續往返進行推砂平整,排出砂中大量水分,提高場地的承載力→進行第1層砂墊層施工,砂墊層厚度為20 cm→進行插板施工,插打塑料排水板長度一般為20～23 m,先導工程段1區塑料排水板間距為1.0 m,先導工程段2區塑料排水板間距為0.8 m,按照正三角形布置→第2層砂墊層施工,砂墊層厚度為20 cm,將插打好的塑料排水板覆蓋在砂墊層內→真空預壓系統主、濾管施工,在鋪設好的砂墊層上面按照設計好的主濾管(PVC管)施工布置圖,進行主濾管安裝施工,濾管現場布置如圖2所示→密封墻施工,把真空預壓每個區的四周均做成密封墻,形成一個整體的密封系統→待主、濾管安裝、砂墊層鋪設和密封墻施工全部完成后,首先進行第1層土工布鋪設,然后在鋪設好的土工布上鋪設2層密封膜,密封膜四周埋入密封墻內,然后在密封膜上再鋪設1層土工布→待真空泵和各項監測設備安裝完成后,開始正式進行抽真空→當表面沉降量滿足設計給定要求同時進行上部荷載堆載。

圖2 常規真空預壓的濾管布置

3.2 增壓式真空-堆載聯合預壓法施工步驟

增壓式真空-堆載聯合預壓法施工步驟如下：采用吹砂的方法進行場地回填,以便場地條件能夠滿足機械進場→利用濕地推土機連續往返進行推砂平整,排出砂中大量水分,提高場地的承載力→先導工程段插打塑料排水板長度一般為20～23 m,先導工程段3區塑料排水板間距為1.0 m,先導工程段4區塑料排水板間距為1.2 m,按照正六邊形布置,六邊形的中心放置1個增壓管→增壓管施工可在插打完塑料排水板后進行,在正六邊形的中心布置1個增壓管,增壓管總長度為8 m→管網系統連接施工,在插打完塑料排水板和增壓管后,即可進行抽真空系統管網連接(鋼絲波紋管)和增壓系統管網連接施工及主管網連接施工,濾管現場布置如圖3所示→密封墻施工,把真空預壓每個區的四周均做成密封墻,形成一個整體的密封系統→待主、濾管安裝、砂墊層鋪設和密封墻施工全部完成后,首先進行第1層土工布鋪設,然后在鋪設好的土工布上鋪設兩層密封膜,密封膜四周埋入密封墻內,然后在密封膜上再鋪設1層土工布→待真空泵和各項監測設備安裝完成后,開始正式進行抽真空→待土體固結度達到40%以上后開始進行增壓施工→當表面沉降量滿足設計給定要求同時進行上部荷載堆載。

圖3 增壓真空預壓的濾管布置

4 監測點布置及數據分析

4.1 監測點布置

路基的沉降是判斷軟土路基處理效果的最重要方法。為了監測場地表層沉降,在每個區布置2個沉降觀測斷面,每個觀測斷面上均勻布置5個沉降板。為了研究不同土層的固結情況,在先導工程每個區布置分層沉降觀測孔一個。觀測孔每2 m布置一個觀測磁環,共設置12個觀測斷面。地面沉降觀測測點具體布置如圖1所示,場地沉降及分層沉降觀測豎向剖面布置如圖4所示。

圖4 場地沉降及分層沉降觀測豎向剖面布置

4.2 地面沉降觀測

沉降觀測數據表明,先導工程1區路基平均最大沉降量為1 602 mm；其中1區各沉降板中,最大沉降量為1 666 mm；最小沉降量為1 563 mm。先導工程2區路基平均最大沉降量為1 345 mm；其中2區各沉降板中,最大沉降量為1 495 mm；最小沉降量為1 135 mm。先導工程3區路基平均最大沉降量為1 844 mm；其中3區各沉降板中,最大沉降量為1 994 mm；最小沉降量為1 782 mm。先導工程4區路基平均最大沉降量為1 389 mm；其中4區各沉降板中,最大沉降量為1 542 mm；最小沉降量為1 262 mm。4個區的沉降-真空度-堆載高度曲線如圖5所示。

整個先導工程在停止抽真空前連續2周沉降速率均小于1 mm/d,滿足由設計方面給定的停止抽真空要求值,且沉降曲線趨于平緩,表明這段路基沉降已達基本收斂,趨于穩定。

圖5 珠海西站先導工程沉降-真空度-堆載高度

4.3 分層沉降觀測

先導工程1區最大累計分層沉降值發生在地表下第1個磁環處(-2 m),沉降量為1 412.0 mm；最小累計分層沉降值發生在地表下第12個磁環處(-24 m),沉降量為482.3 mm。

先導工程2區最大累計分層沉降值發生在地表下第1個磁環處(-2 m),沉降量為1 360.5 mm；最小累計分層沉降值發生在地表下第12個磁環處(-24 m),沉降量為592.0 mm。

先導工程3區最大累計分層沉降值發生在地表下第1個磁環處(-2 m),沉降量為1 723.5 mm；最小累計分層沉降值發生在地表下第12個磁環處(-24 m),沉降量為161.5 mm。

珠海西站先導工程4區：最大累計分層沉降值發生在地表下第1個磁環處(-2 m),沉降量為1 235.5 mm；最小累計分層沉降值發生在地表下第12個磁環處(-24 m),沉降為376.0 mm。具體分層沉降曲線如圖6所示。從地基土分層沉降圖看出,先導工程固結沉降主要發生在地表面以下10 m以上淤泥層深度范圍內。

5 加固效果對比

5.1 固結度推算

根據太沙基固結理論,固結度Ut的理論解普遍表達式為

Ut=1-αe-βt

(1)

根據相關規范,三點法最終沉降量S∞計算公式為

(2)

(3)

式中,S1、S2、S3為加荷停止后,時間t1、t2、t3相應的沉降量,并取t2-t1=t3-t2,根據系數α、β可求出任意時間t土層的固結度Ut,其中α一般可取理論值8/π2。

通過沉降數據計算得到先導工程4個區各個測點的固結度及最終沉降量,如表1所示。

5.2 加固前后土層物理性質變化

在加固前對場地土(主要為軟土層)進行取樣,進行室內試驗,得到土的力學性質。在真空預壓后,對場地相同位置再進行取樣,對土的力學性質進行室內試驗并對加固效果進行評價。具體物理指標如表2所示。對10 m以上淺部軟土層,該土層主要的物理性質指標——含水率、液性指數、孔隙比、壓縮系數有較明顯的降低,天然密度、壓縮模量有了一定的增大。以上對比可能由于受取樣數量、土質變化等因素影響,但總的說明淺部軟土經加固排水后孔隙比小了,壓縮性低了,重度增加了。對10 m以下深部軟土層,該土層主要的物理性質指標——含水率、液性指數、孔隙比、壓縮系數、天然密度、壓縮模量基本不變,說明加固主要為10 m以上的上部軟土。

圖6 珠海西站先導工程分層沉降

測點號固結度/%相關系數(R)三點法最終沉降量/mmN1C195.200.997-1706.6N1C294.900.995-1656.5N1C394.800.996-1656.4N1C494.400.995-1706.3N1C594.400.998-1662.5N1C695.100.998-1732.9N1C795.000.998-1649.3N1C894.700.995-1691.4N1C993.800.994-1650.9N1C1094.200.998-1669.6測點號固結度/%相關系數(R)三點法最終沉降量/mmN2C190.800.993-1227.5N2C295.700.997-1306.1N2C397.400.996-1347.5N2C498.300.997-1504.0N2C595.300.993-1466.2N2C691.300.996-1442.4N2C794.400.995-1359.8N2C897.500.997-1395.1N2C998.500.995-1457.2N2C1096.000.994-1391.8測點號固結度/%相關系數(R)三點法最終沉降量/mmN3C190.300.992-1991.1N3C290.500.995-1977.9N3C390.700.995-1978.8N3C491.000.998-2043.8N3C592.000.998-2063.6N3C690.300.994-2007.0N3C790.200.996-1966.5N3C890.600.996-1965.2N3C990.300.999-2080.6N3C1090.900.998-2185.2測點號固結度/%相關系數(R)三點法最終沉降量/mmN4C190.500.995-1478.5N4C290.600.995-1505.8N4C390.300.995-1509.8N4C491.800.989-1518.9N4C590.400.988-1709.9N4C691.400.994-1621.9N4C790.300.995-1481.2N4C890.700.995-1399.2N4C991.600.990-1493.0N4C1090.800.989-1647.3

表2 軟土層加固前后主要物理指標對照

6 結 論

(1)根據監測試驗數據,珠海西站先導工程抽真空期間,表層真空度維持符合相關規范和設計要求,土體固結速度較快；真空堆載聯合預壓后,土體固結明顯加快。結束真空堆載聯合預壓后,先導工程土體固結基本滿足相關規范文件的要求,設計參數合理,施工工藝、方法可行。

(2)增壓真空堆載聯合預壓與相比常規真空堆載聯合預壓相比,增壓式真空堆載聯合前期固結速度較快。土體固結需要相對較短的施工時間即可達到相關規范文件的要求。建議在施工工期較為緊張情況下,采用增壓式真空堆載聯合預壓法。但常規式真空堆載聯合預壓施工相對經濟簡單,建議在施工工期相對寬松情況下,采用常規真空堆載聯合預壓法。在采用同種施工工藝的時候,土體固結速度相似。從經濟上考慮,建議采用板間距較大的施工方案。

(3)在真空預壓階段,隨著土層中水氣的抽出及時間的持續,土體顆粒間的孔隙逐漸增大,但土骨架并沒有隨之完全被壓縮。施加堆載以后,土顆粒之間的有效應力增加,從而使土體顆粒密實,產生較大的沉降,說明真空堆載聯合預壓法加固軟土地基是一種行之有效的方法。在開始填筑路基后,累計沉降曲線存在一個明顯的拐點,曲線斜率變陡說明真空預壓與堆載預壓的聯合加速了固結沉降的速度。真空堆載聯合預壓能使地基產生較大沉降速率,能有效縮短加固時間,降低施工成本。

(4)分層沉降監測成果表明,在相同的時間內,總體上淺部的沉降量大于深部的沉降量。0～10 m的淤泥層壓縮量最大,主要沉降量來自10 m以上,但真空預壓的影響深度可以達到塑料排水板底下一定深度,這部分沉降主要是由于地下水位下降所增加的附加應力引起的。

(5)在加固前后場地同一地點附近進行取樣,試樣表面對10 m以上淺部軟土層土的力學性質得到改善,加固效果明顯。10 m以下土層,并無明顯變化,加固影響深度與分層沉降得到的基本一致。

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