天津鐵路集裝箱中心站吹填土真空預壓處理設計與試驗

崔俊杰，韓志霞，余學鵬，劉 浩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

天津鐵路集裝箱中心站吹填土真空預壓處理設計與試驗

崔俊杰，韓志霞，余學鵬，劉 浩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

基于天津新港北鐵路集裝箱中心站工程，并結合場地狀況，對地基處理方案進行研究和比選，選擇真空-堆載聯合預壓法作為地基處理方案。探討增壓防堵真空預壓方法和常規真空預壓方法、直排式真空預壓方法的區別，介紹增壓防堵真空預壓設計與質量驗收要求，并明確設計中相關問題的處理方法。詳細論述增壓防堵真空預壓的監測和檢測內容，以及試驗段情況。通過試驗段的對比試驗，驗證了采用增壓防堵真空預壓作為吹填土地基處理方案的正確性。

地基處理；吹填土；增壓防堵真空預壓；十字板剪切強度；靜力觸探

1 工程概況

天津新港北鐵路集裝箱中心站位于天津港東疆港區內新港八號路與海鐵大道之間,根據地形特點,新建集裝箱到發場與裝卸場自北向南呈橫列式布置,集裝箱裝卸場裝卸線采用貫通式布置,空箱區、特種箱區等輔箱區位于裝卸區南側與其呈橫列式布置,箱區周圍設環行道路；綜合辦公區位于輔箱場東南側,待洗箱區與其他輔箱區位于門區兩側呈縱列式布置,社會停車場位于門區東側。

根據工程規劃,北側集裝箱到發場、最南側1股裝卸線及箱區等工程先期實施,位于場地中間的其余裝卸線及裝卸區預留至遠期實施(圖1)。

2 場地工程地質條件

2.1 工程地質概況

天津新港北鐵路集裝箱中心站先期實施工程總面積約70萬m2,其中北側到發場24.7萬m2,南側裝卸線及箱區約45萬m2。場區所在位置原為濱海灘涂區,勘察期間剛完成圍海吹填造陸。

場地內地層自上而下主要為第四系全新統人工堆積層(Q4ml)、沖積層(Q4al)、海相沉積層(Q4m)、沖海積層()；第四系上更新統沖海積層()。土樣基本特性統計見表1。

表1 土樣基本特性統計

地表水為填海區尚未排泄完海水；地下水為第四系孔隙潛水,埋深0.3～0.6 m,由大氣降水補給,水位變化幅度1～2 m。地下水在化學環境下對混凝土結構具硫酸鹽侵蝕性,環境作用等級H2；具鎂鹽侵蝕性,環境作用等級H1；在氯鹽環境下,氯離子環境作用等級L3。

2.2 吹填土物理力學性質

場地內廣泛分布的深厚層沖填土,是本工程地基處理的主要地層。沖填土又名吹填土,是圍海造陸時,用挖泥船和泥漿泵把海灣、港口底部的泥砂經水力吹填而形成的沉積土。

在吹填過程中,泥沙結構遭到破壞,不同顆粒受水力影響緩慢沉積。因而,吹填土的物質組成及工程性質不均一,時間因素對其工程地質特性影響較大。吹填土一般具有含水量高、孔隙比大、承載能力低、高靈敏度、高壓縮性等工程特性。

受當地吹填土來源的影響,天津港區的吹填土主要以淤泥質土為主,顆粒細,以黏粒為主,黏粒含量占50%以上［1 3]。

2.2.1 物理性質

(1)粒度特征:天津港區吹填土以粉、黏粒為主,粒徑0.3～0.1 mm,占總質量的1.5%；粒徑0.1～0.05 mm,占總質量的9.7%；粒徑0.05～0.01 mm,占總質量的28.2%；粒徑0.01～0.001 mm,占總質量的29.1%；粒徑小于0.001 mm,占總質量的22.6%。

(2)礦物成分:天津港區吹填土中黏土礦物主要為伊利石和伊蒙混層,其中伊利石占黏土礦物總量的35%～37%；伊蒙混層占黏土礦物總量的42%～45%。

(3)物理化學性質:天津港區吹填土的化學成分以SiO2為主,占50%左右；Al2O3次之,約占14%。

(4)其他物理性質統計如表1所示。

2.2.2 力學性質

天津東疆港區新吹填土的壓縮系數a1-2為0.54～1.46 MPa-1,壓縮模量Es1-2為1.87～3.93 MPa,屬于高壓縮性土；固結不排水快剪強度為c=6.0～9.0 kPa, φ=1.8°～2.2°；三軸快剪強度為c=11.0～26.0 kPa, φ=0.8°～2.2°；多橋靜探錐頭阻力0.30～0.44 MPa,側阻力4.2～15.6 kPa。

3 地基處理方案研究

3.1 工程功能分區與荷載特征

本場地按照工程的使用功能,可分為鐵路到發區、鐵路裝卸區、集裝箱區以及件雜貨堆場四大區域。其中集裝箱區可細分為:道路、重箱區、空箱區、輔助箱區、檢驗區、清洗區、停車區等；鐵路裝卸區、件雜貨堆場又可細分為道路、堆場等。

鐵路到發區的正線按I級重載鐵路設計,其余線路及裝卸區的裝卸線、機走線等按站線設計。鐵路正線、站線的荷載可按《鐵路路基設計規范》(TB10001―2005)的相關規定換算設計土柱高度及寬度。

鐵路裝卸區、集裝箱區以及件雜貨堆場等其他功能區由于其運輸車輛、裝卸機械以及各種集裝箱尺寸、質量的差異,其設計荷載差別很大,經分析研究,各功能區應考慮的荷載類型及控制荷載如表2所示。

表2 各功能區的荷載類型及控制荷載

3.2 鋪面類型選擇與沉降控制標準確定

除鐵路到發區的正線、到發線以及裝卸區的裝卸線、機走線等按其相應的鐵路等級選擇沉降控制標準外,本工程場區內的其他道路、箱區和堆場的鋪面種類的選取、沉降控制標準的確定,要綜合本工程裝卸作業的特點、各功能區對鋪面的要求、陸域形成方式與地基處理方法等進行研究與技術經濟比較后確定。

本工程的場地全部為吹填造陸形成,吹填土以深厚的淤泥層為主,地基處理難度極大,影響地基工后沉降和不均勻沉降的因素多而復雜；地基處理的投資巨大,沉降控制標準直接影響工程的總投資。而且,流動機械荷載作用頻率、碾壓范圍不均勻,對地基的長期穩定和沉降也有較大的影響。

根據對天津港區其他工程的調研結果,可以選擇的鋪面類型主要有水泥混凝土鋪面和聯鎖塊鋪面兩種類型。

水泥混凝土鋪面對地基要求較高,地基的不均勻沉降會引起水泥板的斷裂,而且維修困難。而采用聯鎖塊鋪面,雖然也存在坑洼、隆起等局部破壞現象,但是維護方便,造價低,基本不影響正常的生產運營。而且,也可在地基沉降穩定后,鋪筑水泥混凝土大板,從整個工程壽命周期看,更具有經濟合理性。所以根據本工程的實際情況,設計選擇聯鎖塊作為場地內道路、箱區、停車場等場地的鋪面結構。

聯鎖塊鋪面設計使用年限一般取20年,根據《港口道路、堆場鋪面設計與施工規范》的相關要求,其工后沉降控制標準確定為50 cm。

3.3 地基處理方案選擇

目前常用的吹填土地基處理方法主要有排水固結和復合地基法。排水固結法主要包括堆載預壓、真空預壓和真空-堆載聯合預壓；復合地基法主要包括碎石樁、攪拌樁、旋噴樁等。另外,根據吹填土的性質,兼有排水固結和置換作用的強夯、強夯置換以及高真空擊密等也是常用的處理方法。

吹填土地基處理方法的選擇,主要應考慮因素包括土的顆粒組成、沉降控制標準以及施工條件等。

吹填土的顆粒組成主要受料源以及吹填工藝影響。料源以海砂為主的吹填土,其顆粒較粗；料源以淤泥為主的吹填土,其顆粒較細。同時,吹填土顆粒粗細的分布,與其距吹填管口的距離遠近有關。一般位于吹填管口附近的吹填土,顆粒較粗,含砂量較多,透水性較好,工程性質相對稍好；位于回水區的吹填土,含黏土顆粒多,含水量大,水分難以排出,土體形成初期呈流動狀態,經自然排干、蒸發后,表面形成龜裂,但下部仍然處于流塑狀態,稍加擾動,即會出現觸變現象,工程性質很差。

本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、淤泥質黏土,不適用強夯、強夯置換以及高真空擊密等兼有排水固結和置換作用的處理方法；同時,吹填造陸工程剛完成,地基以高含水量的淤泥為主,碎石樁、攪拌樁、旋噴樁等復合地基法不具備施工條件、存在安全隱患且造價過高。因而,本工程地基處理方案研究以堆載預壓、真空預壓和真空-堆載聯合預壓法為主。經堆載預壓、真空預壓以及真空-堆載聯合預壓等多方案的技術經濟比選,設計選擇真空-堆載聯合預壓法作為本工程的地基處理方法。

4 增壓防淤堵真空預壓設計

4.1 增壓防淤堵真空預壓技術簡介

4.1.1 常規真空預壓

常規真空預壓加固吹填土地基,首先在需加固的吹填土地基表面鋪設一層砂墊層,作為水平排水通道；然后打設塑料排水板,作為豎向排水通道；再在砂墊層頂部鋪設密封膜,利用真空泵進行抽氣,形成真空度,從而使土體中的孔隙水通過豎向和水平排水通道被排出,進而使土體達到固結。

4.1.2 直排式真空預壓

直排式真空預壓法與常規真空預壓法的主要區別是:取消水平向排水砂墊層,把豎向塑料排水板與真空排水管網直接密閉相連,減少真空荷載傳遞過程中的沿程損失,提高真空荷載的利用能效,可提高加固質量、縮短工期、降低造價［4- 6]。

4.1.3 增壓防堵真空預壓

增壓防堵真空預壓法［7- 11]也是在常規真空預壓法基礎上發展而來,增壓防堵真空預壓加固斷面如圖2所示。增壓時,增壓管內為外部施加正壓,而塑料排水板內為真空形成的負壓,因此塑料排水板和增壓管之間會產生壓力差。導致自由水在壓差作用下產生向排水板的定向流動,進而使土體的有效應力增加,土體加速固結。常規真空預壓法、直排式真空預壓法和增壓防堵真空預壓法的區別如表3所示。

圖2 增壓防堵真空預壓加固斷面

表3 不同真空預壓方法的區別

從表3可知,與常規真空預壓法相比,直排式真空預壓法和增壓防堵真空預壓法都對常規真空預壓做了改進,取消了水平砂墊層能有效降低工程造價,更符合環保的要求,同時加固后的效果較常規真空預壓加固后效果更好。但增壓防堵真空預壓較直排式真空預壓更具優勢,主要表現如下。

(1)直排式真空預壓法采用普通的FDPS塑料排水板,而增壓防堵真空預壓法采用防淤堵無紡布濾膜PDPS整體式排水板,而防淤堵無紡布濾膜PDPS整體式排水板在材料和孔徑上板較普通的FDPS塑料排水板防淤堵效果更好,特別適用于有機質含量高的吹填土地基。

(2)增壓防堵真空預壓法用手型接頭和鋼絲軟管替代水平排水系統,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。

(3)增壓防堵真空預壓法還增加了加速表層吹填土固結的增壓系統。

綜上所述,天津新港北鐵路集裝箱中心站站場地基加固采用增壓防堵真空預壓法。

4.2 增壓防堵真空預壓設計與質量驗收要求

4.2.1 增壓防堵真空預壓設計

其一，地域文化廣泛存在。早在先秦時期，中國就已經形成了諸多具有鮮明特征的地域文化，如以今之陜西為中心的秦文化、以今之山西為中心的晉文化、以今之山東為中心的齊魯文化、以今之四川為中心的巴蜀文化、以今之湖南、湖北為中心的楚文化和以今之浙江、福建為中心的吳越文化等。這些地域文化一直承傳、發展到今天并還發生著重大影響。

在原地面鋪竹排、荊笆、土工格柵和編織土工布,上填0.5 m素土作為工作墊層,插塑料排水板13～ 22 m,插塑料板應打穿沖填土層和其下的淤泥質土層,并進入下層粉土或粉質黏土深度不小于0.5 m；塑料排水板采用等邊三角形布置,間距0.9 m,塑料排水板通過手型接頭及三通接入真空管網系統；增壓管深4 m,矩形布置,增壓管下部需布設排水板,增壓管通過三通接入增壓系統；于真空管網及增壓管網合適位置設置主管,分別與真空泵、增壓泵相連接,真空泵數量控制在900～1 100 m21臺；管網頂面依次鋪設1層編織土工布、1層無紡土工布、2層PVC真空膜、1層無紡土工布和1層編織土工布；預壓2個月后填筑素土進行聯合堆載預壓,聯合預壓時間1～2個月,膜下真空度不小于80 kPa。

4.2.2 質量驗收要求

(1)卸荷驗收:連續4晝夜實測地面沉降速率小于2 mm/d,同時地基固結度不小于90%時,經驗收合格后,可終止預壓。

(2)預壓后地基應進行原位測試和土工試驗以檢驗地基加固效果,試驗方法和要求執行相關鐵路行業規范和標準。

4.3 地基處理設計中相關問題的處理

4.3.1 場地設計與地基處理高程的確定

天津新港北鐵路集裝箱中心站的設計高程,不能僅按《鐵路路基設計規范》(TB10001―2005)的要求執行,必須符合天津港區的整體規劃,并與周邊道路、堆場的高程相協調。

根據現行《鐵路路基設計規范》(TB10001―2005)的有關規定,根據1963～1999年實測資料統計,歷年最高潮位為4.81 m,以此作為設計高潮水位。根據天津港區整體規劃,新港北站及其周邊區域,由南至北分別為碼頭堆場區、鐵路換裝場、保稅港物流加工區、島前服務區,高程設計方案為由南至北逐漸抬高。從規劃情況看新港北站鐵路路肩高程應設計為5.3～5.5 m。

另外,從相鄰新港八號路、海鐵大道以及太平洋國際堆場鋪面實測高程看,為確保鐵路路基正常運營,新港北站鐵路路肩高程應不低于周邊道路、堆場高程,不宜低于5.3～5.5 m。

綜合以上3方面考慮,新港北站站內按正線路基面高程5.58 m設計,考慮設置排水橫坡,相應到發場路基面高程5.43～5.58 m。集裝箱及道路的路面高程與鐵路線路的軌面高程相協調,并考慮縱橫向排水需要設計?？紤]鐵路路基基床結構、鋪面下墊層及路床結構以及真空預壓施工墊層設置等因素,天津新港北集裝箱中心站地基處理的交地高程確定為4.30 m。

4.3.2 鄰近道路與管線的預壓邊界處理

場地北側局部預壓邊界外存在液化氣管線、市政排水管路；局部段落地表雜填土中含有磚石等建筑垃圾存在漏氣可能,影響真空預壓效果。為解決上述問題,在真空預壓的部分邊界設置泥漿帷幕樁。泥漿帷幕樁布置和搭接示意如圖3所示。泥漿帷幕樁采用雙攪頭深層攪拌機,攪頭為2個直徑為70 cm的攪刀,彼此搭接18.8 cm,施攪時可形成寬120 cm長70 cm的“8”字形,每根樁彼此搭接20 cm。泥漿帷幕樁底要求深入吹填土下黏性土層內不小于1.0 m。

圖3 泥漿帷幕樁平面布置和搭接示意（單位：m)

5 增壓防堵真空預壓的監測和檢測

5.1 增壓防堵真空預壓監測和檢測內容

為全面反映增壓防堵真空預壓施工質量及加固效果,在加固區布置多項監測和檢測項目,主要內容如下［12]。

(1)增壓防堵真空預壓的監測

監測地表沉降、孔隙水壓力、水平位移、地下水位、膜下真空度等,并對真空預壓全過程進行跟蹤監測。

(2)增壓防堵真空預壓的檢測

加固前后鉆孔取樣,進行室內土工試驗,以獲取土樣的相關物理、力學性能指標。預壓前后地基進行原位測試,原位測試包括:載荷試驗、靜力觸探、十字板強度試驗。

5.2 監測頻率

(1)膜下真空壓力:2～4 h觀測1次；

(2)孔隙水壓力、地表沉降在加載前10 d每1 d觀測1次,10 d以后每2～4 d觀測1次；

(3)其余監控項目在加載前10 d每1～2 d觀測1次,10 d以后每3～5 d觀測1次；

(4)加固區周圍有建筑物和地下管線或采用真空聯合堆載預壓時對側向位移加密觀測；

(5)出現異樣情況時加密觀測。

6 現場試驗段設計及監測分析

6.1 試驗段設計

直排式真空預壓法和增壓防堵真空預壓法都是在常規真空預壓方法基礎上發展而來,直排式真空預壓方法和常規真空預壓方法的對比研究表明:直排式真空預壓較常規真空預壓優勢明顯。因此,現場試驗段特考慮直排式真空預壓和增壓防堵真空預壓進行對比試驗研究。試驗段的主要設計參數如表4所示。

表4 試驗區主要設計參數

6.2 試驗段監測分析

6.2.1 吹填土豎向變形分析

(1)地表沉降分析

經直排式真空預壓法和增壓防堵真空預壓法加固后的試驗區地表沉降匯總如表5所示。

表5 試驗區地表沉降實測匯總

從表5可以看出:采用增壓防堵真空預壓和直排式真空預壓加固后的吹填土都產生了很大的沉降,增壓防堵真空預壓加固后的沉降較采用直排式真空預壓加固的地表沉降大66 mm。

(2)分層沉降分析

試驗1區和2區的深層分層沉降變化如圖4所示。從圖4可以看出,增壓防堵真空預壓加固后表層的土層壓縮率大于直排式真空預壓；在中間位置,直排式加固后土層的壓縮率大于增壓防堵真空預壓加固后的土層；在深部位置二者相差不大。

6.2.2 加固效果分析

(1)加固前后土性變化

圖4 真空預壓加固后土層壓縮率對比

采用增壓防堵真空預壓加固后,土層含水量下降了19.1%～30.1%、孔隙比降低了14.0%～28.0%、液性指數降低了23.9%～40.2%；而直排式真空預壓加固后的土層分別下降了10.8%～24.3%、10.4%～ 23.3%和20.2%～40.4%；增壓防堵真空預壓加固后土層壓縮模量提高了13.0%～67.6%,黏聚力分別提高了2.3～3.1 kPa,而直排式真空預壓加固后土層的壓縮模量提高了15.0%～58.1%,黏聚力改善效果并不明顯。

(2)十字板剪切試驗

試驗區加固前后十字板剪切強度對比如表6所示。通過表6可得,采用增壓防堵真空預壓和直排式真空預壓加固后,土層的抗剪強度均有所提高。

表6 加固前后十字板剪切強度對比

(3)靜力觸探試驗

根據加固前后的靜力觸探試驗結果,得試驗區加固前后靜力觸探對比結果,如圖5、圖6所示。由圖5和圖6可知,預壓區各土層的側摩阻力和端阻力均有一定程度提高。

7 結語

結合場地工程地質條件,對吹填土地基處理方案進行研究和比選,并介紹了幾種真空預壓方法的區別和加固效果差異,明確了增壓防堵真空預壓的質量驗收要求,以及設計中相關問題的處理方法。詳細論述增壓防堵真空預壓的監測和檢測內容,以及試驗段的研究情況。

圖5 加固前后靜力觸探側摩阻力變化對比曲線

圖6 加固前后靜力觸探端阻力變化對比曲線

通過試驗段的對比試驗可知:增壓防堵真空預壓采用手型接頭將排水板和鋼絲軟管相連替代中粗砂墊層,提高了排水板內真空強度和真空作用能效,且更符合環保的要求；在預壓期內,增壓防堵真空預壓和直排式真空預壓都使吹填土產生了較大沉降,增壓防堵真空預壓在相同工期內固結速率更快；在土體物理力學指標的改善上,增壓防堵真空預壓和直排式都取得了顯著的效果,進一步驗證了采用增壓防堵真空預壓作為吹填土地基處理方案的正確性。

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Design and ExPeriment of Dredger-Fill Ground Treatment by Vacuum Preloading Technology for Tianjin Railway Container Center Station

CUI Jun-jie,HAN Zhi-xia,YU Xue-peng,LIU Hao
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

This study was based on the project of Tianjin Xingang north railway container center station. In combination with the geological conditions and after research and comparison on several ground treatment schemes,this study proposed that the vacuum-surcharge combined preloading technology should be selected and used as the ground treatment scheme.And then this study analyzed the differences among the anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading method,the traditional vacuum preloading method,and the direct-discharge vacuum preloading method.Furthermore,this study described the design standard and quality acceptance standard when using anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading technology；and illustrated how to deal with the relevant issues in design.In addition,this study expounded how to monitor and inspect when using anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading technology；and how to design and monitor the experimental section.Finally,by means of comparative experiment in the experimental section,the correctness of using the anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading technology as the dredger-fill ground treatment scheme was verified. Key words:ground treatment；dredger fill；anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading；vane shear strength；static sounding

TU433

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.003

1004-2954(2014)07-0009-06

2013-08-08；

2013-11-01

崔俊杰(1970―),男,教授級高級工程師,1993年畢業于北方交通大學,工程碩士。