真空動力固結法在加固海域吹填土路基中的應用

王俊偉

摘要： 結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法的特點、工藝流程、操作要點、質量安全控制措施、檢測要求、驗收評定等內容，并對真空動力固結法在施工中的具體實施技術進行了總結，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.

關鍵詞： 真空動力固結；軟基處理；降水強夯；質量控制

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

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

0 引言

隨著我國經濟的高速發展和全球化趨勢的日益突出，海鐵聯運的運輸方式正在快速擴大和發展，并產生了巨大的經濟效益和社會效益。近年來，為提高港口的吞吐能力、疏港運輸能力，通往港口區域的貨運鐵路也在相應進行擴能改造并加快建設。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區境內，唐山市區東南約80km處的渤海岸邊，瀕臨唐山港，是唐山市“四點一帶”產業發展戰略規劃中的重要功能區塊中的組成部分。東港站為接發2萬噸大列的環線煤炭卸車站，主要擔負山西、陜西、內蒙等地煤炭經京唐港口的卸車任務。隨著港口設施完善、吞吐能力增大，原有鐵路不能滿足疏港運輸的要求，為增加運輸及卸煤能力，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。東港站在原有基礎上配套建設重、空車場及卸車環線，重車場新設4條到發線，滿足2萬噸列車分解為萬噸列車進行卸車的要求；空車場新設3條到發線，滿足萬噸空列組合成2萬噸空列進行發車的要求；卸車環線新設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，原為海域屬于海積地貌，經人工吹填土形成。巖性以黏土、粉土、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土、粉細砂為主，經現場原位測試判定，飽和粉、細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，地下水穩定水位埋深在0.5～1.0m之間。本地區地震動峰值加速度為0.15g，地震烈度Ⅶ度，最大凍結深度0.74m。

由于重車場路基范圍經吹填土形成，地基承載力低，施工機械無法通行，必須進行軟土地基加固處理。本區段地基加固要求為：有效地基加固深度6～8m，復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（0.15g）抗震液化的要求。經建設單位多次組織設計單位及巖土專家到現場考察，經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法。

2 真空動力固結法施工工藝原理及技術特點

2.1 施工工藝原理

真空動力固結是將真空降排水技術與強夯技術有機結合起來，通過設置真空排水管抽真空，利用真空負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到最佳含水量，同時對土體進行有效預壓并重錘強夯的一種地基加固方法（也叫做“動力固結方式”或“動力擠密法”）。通俗來講，就是當地下水下降到一定位置（根據要求加固的深度而定）后，將加固區真空管拆除，利用起重機械起吊10～20t的重錘至到達一定高度（>4m，根據需要的能量確定）后脫鉤，利用重錘其自由下落產生的強大的沖擊能夯實地基淺層土體，反復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，經時效壓縮后逐漸固結，最終達到提高地基表層土體強度和增加地基處理深度，擴散應力，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 施工技術特點

①使用機械設備簡單，施工速度快，工效高，施工成本低，經濟效益顯著。

②操作簡便、安全，加固質量可靠，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施工過程中對環境無污染，有利于環保。

3 施工工藝流程及技術要點

東港站重車場軟土地基需進行加固的范圍：長度2.8km、寬度50～100m ，面積共計18.9萬m2。該路基區段既有為水塘、取土坑，坑塘底部為厚層粉細沙，經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

真空動力固結法的施工工藝流程見圖1所示。

3.2 工藝試驗

根據工程地質勘探資料、施工圖紙及地基加固要求，初步確定工藝參數，制定試驗方案，在施工現場選定有代表性的一處100×50m的場地進行試驗，通過試驗檢測數據對比，優化和確定了各項工藝參數。

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劃分加固區域，分段進行場地平整。場地平整的標高考慮強夯下沉量的影響，當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。

在地基加固區域外側開挖縱向排水溝，以便匯集降水管網中抽出的水并及時排出施工區域。

3.4 布置降水管網

采用插管機或者高壓水槍成孔插入降水井點管，管網布置見圖2、圖3。首先在加固區域外圍四周設封管，封管距施工區域邊線2～4m，管長為3m和6m，點距1.75m，間隔布置。在施工區域內布置真空降水管，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，各部位均應安裝嚴密、防止漏氣。降水系統安裝完畢后及時進行運行調試，全面檢查管路接頭質量，井點管出水狀況、真空泵抽水運轉情況，發現問題及時調整更換，確保降水系統運轉正常。

井點管施工工藝程序是：放線定位→鋪設總管→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。

降水設備及材料要求：

①真空泵：采用帶柴油機的真空動力設備（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，管底有濾網或專用堵頭，在管下端2m長區段內按梅花形每隔10cm鉆Φ8mm的進水孔。3m井點管為Φ32mm型塑料管，管下端1m長區段內每隔10cm鉆Φ8mm的進水孔。

③連接管：按照抗老化的設計要求，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的真空度之間進行初次真空降水。降水過程中，應保持連續不斷抽水，由專人分晝夜兩班進行現場巡檢，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），每天兩次定時監測降水水位。一般抽水5～7天后水位降落基本趨于穩定。當水位降至原地面以下3m且穩定48h后，轍掉單排降水管（3m淺層管），準備第一遍強夯。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夯擊能進行第一遍點夯，其目的是不破壞表層土體，使后續夯擊能量有效傳遞到下層土體。夯擊數不少于10擊，可以根據現場地基條件分2～3次進行，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

第一遍強夯結束后，繼續進行第二次真空降水，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%后準備第二遍強夯，兩遍的間隔時間根據現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行第二遍點夯，夯擊數不少于10擊，可以根據現場地基條件分2～3次進行，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

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

進行第三遍點夯時，點夯位置位于第一、第二遍夯擊區域的空缺位置（雙排管處），夯擊能2000 kN·m，夯點間距3.5m，夯擊數不少于10擊，可以根據現場地基條件分2～3次進行，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。最后進行場地平整，采用壓路機對表層松散部分進行碾壓收平。

4 施工質量控制措施

4.1 降水系統質量控制

①根據場地形狀及尺寸利用GPS儀器進行井點管定位。

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按作業要求埋好井點管后接通設在井點管外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，與抽水設備連通，開啟真空泵，進行試抽水，檢查有無漏氣、淤塞情況，出水是否正常，如有異常情況，經檢修后方可使用，如真空表讀數在0.08MPa以上，表明各連接系統無問題，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 降水過程質量控制

①降水過程中，始終保持連續不斷抽水。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定。

②地下水位達到預定要求且穩定48h后方可拆除井點管。所留孔洞用素土填實。

③降水期間，定時對埋設的水位觀測管進行觀測，每天定時觀測水位2次。

④降水過程中可根據現場情況，用壓路機碾壓以加快降水速度。

4.3 強夯質量控制

①強夯施工現場周圍的建筑物或臨近設施應該加設保護措施，如挖減振溝等，以規避強夯振動的影響。

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

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

④點夯停止標準：強夯作業中一旦發現相同能量后一擊夯沉量明顯大于前一擊時，立即停止強夯進行調整。

⑤根據試驗段施工總結的標準參數提前在在強夯機起重臂上標記出起錘高度，起錘到所標示的高度時脫鉤。

⑥基于測量錘頂面高度計算夯沉量。指派專業技術員采用水準儀逐擊測量和記錄夯擊數據，根據所得數據計算出單擊擊沉量，當該參數與停擊標準參數基本一致時立即轉入下一點。

⑦強夯作業中繼續保持降水，防止在強夯過程中，外圍水流入施工區域。

⑧每遍強夯結束待孔壓消散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，嚴格按設計要求用鋼尺精確控制脫鉤高度。根據試驗總結的最佳夯擊遍數控制各點夯擊遍數，最后兩擊平均貫入量不得大于設計要求。

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天以上進行效果檢測。根據施工要求，本工程通過通過標貫或靜置觸探、平板載荷試驗對處理后的地基進行檢測。檢測驗收標準如下：

①采用標貫試驗檢驗地基，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至少應該達到5MPa，如果是標貫夯擊，夯擊數目至少為10擊。

②各加固區按標貫分別檢測薄弱區域中的任意三處，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，一是必須確保復合地基承載力特征值至少達到150kPa。比如有軟弱夾層的場地，軟弱夾層厚度應該在2.5m以內，且其承載力特征值至少應該達到120kPa，達不到上述條件的必須采取措施進行補救。

根據現場施工情況，東港站重車場共分為10個地基加固處理區段。每處地基加固區段都按照以上檢測標準進行檢測，標貫試驗共檢測40個測點，檢測指標均滿足驗收標準要求；載荷試驗共檢測10組，復合地基承載力均大于設計要求150kPa的標準要求。

6 結語

根據檢測結果表明，采用真空動力固結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，使其滿足設計要求。此類加固方法成本小，環境污染小，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驗和可靠的技術參數。

參考文獻：

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