軟土地基袋裝砂井施工技術研究

摘 要：新建邯黃鐵路滄州段穿過近海沖積平原，地質地層屬含水超飽和的典型的粉砂土層、粘土夾砂層土、粉質粘土和淤泥質黏土。袋裝砂井軟基處理技術，是砂井排水法的延續，即是將散體砂裝入用化纖紡織物做成的細長袋子內插入軟土中作為豎向排水體的一種方法。由于它可以做成很細的形狀（通常7～12 cm），根據“細而密”的原則，能將井間距大大減小，加快排水固結時間，是一種有效、簡便而又普遍的軟基處理方法。對沖積地質地層，即由粉細砂層或由粉細砂層和粘土層相間構成的軟土地基，尤其透水層與不透水層間隔形成的、存在地下超飽和承壓水的地層中，采用此工法效果明顯。其處理方式是：采用砂井排水與堆載加壓（路基填筑等）相匹配的排水固結原理，排出地下超飽和及飽和地層水，使基底逐步固結的一種工法。該工法的關鍵之一是盡可能使地下承壓水排出地表；之二是使排出地表的水能順利流向路基兩側邊溝。在采用沉降監測手段和確保路基填筑穩定性滿足設計要求的前提下，動態地變更調整原設計的一些參數，使經此工法處理的軟弱地基土能快速、有效地達到設計地基處理的承載力要求。

關鍵詞：軟土地基 袋裝砂井 沉降監測 排水固結

中圖分類號：TU473.1文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-0-02

1 國內外現狀及簡要說明

隨著科學技術的發展，越來越多的新技術及新方法都應用到處理軟土路基中。但是各種新技術及新方法都必須要有一個驗證過程，其間必然會存在各種各樣的難點暫時無法解決。

袋裝砂井加固軟土地基法屬于垂直排水加固地基方法，是在一般砂井法的基礎上發展起來的一種工藝、技術。它是在需要加固地段的地面上先填筑好排水坡（路拱或橫坡），并鋪設好排水墊層，再將加工好的砂袋垂直置入地基中已成孔內，形成袋裝砂井，然后對地基加載預壓，使地基中的水分迅速從袋裝砂井中排出，從而達成加速地基沉降固結的目的。在以往的關于袋裝砂井的設計及施工研究中，大多偏向于對井徑比及井間距等砂井本身排水性能的闡述，而對砂井、其上排水墊層以及排水橫坡等相關因素的參數在施工期間經沉降監測數據動態調整方面論述較少。

中鐵二十二局集團承建的邯黃鐵路Ⅳ標段全長130.05 km，位于華北平原河北省滄州市境內海河流域，海拔在1～7 m間。地質上屬于山前沖積層和海積層，地層為層狀粉砂層夾黏土層結構。地下水豐富，埋深在0.5～2 m間。設計上路基基底軟基處理多采用袋裝砂井，利用路基堆載使軟基能排水固結從而達到加固的原理。袋裝砂井施工主要集中在近海區域海興縣及黃驊港段，設計總里程約30 km，總工程量1596萬延米。科研項目總施工里程共2 km，其中包含7～20 m多種長度袋裝砂井，總施工長度84萬延米。

2 袋裝砂井工法應用分析

邯黃鐵路Ⅳ標段在近海段路基軟基處理中設計采用了大量袋裝砂井。由于該段軟基地質地層含有粉質黏土層、粉砂層、黏土層及粉土加夾砂層等透水層和不透水層間隔地層，根據袋裝砂井通過堆載而排水固結的作用原理：①通過對袋裝砂井軟基處理地段地質情況探測、軟基地層透水層的探測、砂井長度是否深入到透水層、路基清表后在表面先填筑高于兩側地表的路拱、路拱橫坡坡度的設置考慮基底沉降量、路基填寬及高也須考慮基底沉降量等數據的變更調整以確保路基基底處理的質量；②通過對施工機械的選擇、孔深、沙袋貫入的控制總結出袋裝沙井作為一種地基加固措施，在不同季節的施工工藝；③同時研究袋裝砂井軟基處理地段路基沉降觀測方法，形成一套系統的數據收集和分析方法。

3 袋裝砂井工法實施

3.1 試驗階段

通過施工前期先行對上述試驗段試鉆，每100 m路基鉆任意3個孔，其中有12%的孔在鉆至設計標深度后拔鉆桿的過程中出現涌水、涌沙現象；5%的孔在鉆進過程中出現難以鉆到設計深度的現象；77%的孔在鉆完后雖無涌水、涌沙現象，但孔周1～3 m范圍內出現0.15～0.89 m的早期沉降。分析試鉆結果，結合設計圖紙地層分類說明，本標段袋裝砂井處理地段存在不同程度的地下承壓水層，該承壓水層在鉆機打通上、下不透水層后通過鉆孔向上、下層的不飽和透水層涌、滲流，導致該承壓超飽和層體積減小，在重力作用下，此處地面出現不同程度的沉降。

3.2 實施階段

為了使袋裝砂井軟基處理達到設計目的，必須對原設計某些參數進行適當的變更調整。并根據現場兩種類型機械設備及人員配備情況總結，得出了最經濟合理且滿足工期需求的機械、人員配備方案。

①與甲方、設計、監理及咨詢單位一道共同論證并由我方組建了專門的袋裝砂井軟基處理地段沉降觀測小組，制定了專項沉降觀測方案，并依據沉降觀測數據及時動態地變更調整了袋裝砂井施工的機械設備、施工工藝參數（如孔深、豎直度、沙袋貫入的控制、砂墊層底路拱的填高和橫坡、路基超填寬、預留沉降量等）及設計圖紙數據。

②對設計圖紙提供的2%的砂墊層底路拱橫坡進行了變更調整，并增加了清表后回填的路拱高度，并分析了一旦路拱橫坡設置大于2%后路基整體穩定性變化是否滿足設計要求。根據已填土段路基基底沉降觀測數據分析，路基橫斷面中心沉降值遠高于設計所預留沉降值20cm，在填方3.6 m（設計填高7.5 m）時最大沉降量為93cm。據此推斷如按設計圖紙施工，路基基底砂墊層表面工后沉降后將形成一沿線路方向的凹槽，通過砂井排出的地下承壓水將積于槽內無法排到路基兩側邊溝，使整個路基工程處于不穩定的淤泥或積水層上。如圖1所示。

③對路基本體填寬及填高根據沉降觀測數據在設計圖紙的基礎上進行了適當變更調整，確保整體路基工后沉降后的寬度及填高滿足設計要求；

④對設計圖紙提供的地質地層厚度進行了變更調整，增加了孔深，使砂井深入到粉砂層等透水地層中，打穿了地表和地層中較厚的不透水層，使地下承壓水得到有效釋放。見圖2所示。

4 工法技術成果總結

袋裝砂井工法在具體實施階段，從試鉆、分析到聯合各建設參與方共同變更調整原設計部分參數，再到分階段實施后進行專業的沉降監測，再根據監測數據對后續施工參數進行動態的調整，使袋裝砂井施工工法不斷完善、能更好的達到使被處理地層盡快排水固結的設計目的，是該文的主旨。

1）由近1年的沉降監測數據可知，此類地質條件下，采用袋裝砂井工法處理軟基，經加載沉降后局部最大沉降量可達1.15 m，平均沉降量可達0.65 m；

2）為達到排水固結的設計目的，該工法的關鍵之一在于做好袋裝砂井頂砂墊層底的普通土回填路拱，即務必使路拱中心高出兩側地表一定的高度，使其在充分沉降后依然有一定的排水橫坡，可以使路基線路中心的水排往路基兩側邊溝，再由邊溝排走。根據前期試驗段沉降監測數據，路基中心線路拱標高應大于路基兩側70 cm以上。一旦橫坡設置大于2%后路基整體穩定性變化，對路基整體穩定性分析如下。由以下先行試驗段沉降監測數據可知，路基袋裝砂井頂砂墊層底的普通土回填路拱橫坡設置應在6%～8%之間。

路基整體穩定性分析：雖然路基基底路拱橫坡經調整后遠大于原設計2%的橫坡，理論上可能會給上層土方填筑造成向路基兩側沿砂墊層滑移的趨勢，增加路基填筑過程中不穩定因素，但實際通過沉降監測數據分析，路基基底在袋裝砂井施工完畢之后即開始呈不同程度沉降，上面再填筑土方加載后，沉降一直在進行，其沉降曲線如圖3。而此時的基底路拱橫坡已逐步變小，隨著上層土方填筑的高度增加直至全部完成路基填筑（為盡量減少工后沉降，此時路基填筑按原設計土方量的120%進行超載預壓，預壓期一般為3～6個月），經變更調整成6%～8%的砂墊層基底路拱橫坡會逐步變小至1.8%～2.5%，接近原設計橫坡2%，因而路基整體穩定性滿足設計要求。如圖3所示。

3）為達到排水固結的設計目的，該工法的關鍵之二是設計圖紙結合實際地質地層厚度情況，變更調整砂井深度，務必使設計加固處理地層內的承壓水排出，否則在地表加載后地下承壓水層可能出現因鐵路線路周邊地方開采地下水等其它原因導致水壓下降，使路基工后產生急劇差異沉降。

4）由沉降監測數據變更調整路基填筑的高度（由沉降曲線知，填筑至路基頂層時沉降大多已完成60%～90%，因而頂層標高實際只比設計多填高30 cm即足夠）和寬度（同理，比設計多填每側各30 cm），充分考慮經施工期沉降和工后長期沉降后路基滿足設計運營要求。

5）機械設備及人員配備方面，經過科研小組不斷試驗總結，袋裝砂井施工機械以ZTG20-20履帶振動式鉆孔機最經濟、有效。每臺鉆機配備2個鉆機熟練操作員、2個砂袋入孔工、3個砂袋制作工，一個工班可以完成袋裝砂井施工1000延米。

5 結語

通過前期試鉆和沉降數據分析軟基加固處理的效果，分析、總結出一套袋裝砂井地基加固方法的機械選型、施工工藝、質量控制措施和能夠滿足設計要求的施工技術參數，撰寫施工工法，并形成局級科技成果，在局集團內及各行業在軟弱地基采用袋裝砂井加固處理方面進行推廣或借鑒。

參考文獻

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