泡沫輕質(zhì)土在杭州東站軟土路基地基處理中的應(yīng)用

鄧 飛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

杭州東站總建筑面積達32萬m2，站內(nèi)匯聚高鐵、普鐵、地鐵、磁浮等多種交通方式及東西廣場地下聯(lián)系通道、出租車通道等配套服務(wù)設(shè)施，是長三角重要的綜合交通樞紐中心。杭州東站位于深厚軟土區(qū)，軟土含水量高、強度低、易觸變、在附加應(yīng)力作用下變形量大且持續(xù)時間長，必須對軟土路基進行處理，才能滿足工程對穩(wěn)定和沉降的要求。

泡沫輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料[1-3]，具有輕質(zhì)性，流動性，強度可調(diào)節(jié)，固化后可自立[4]等優(yōu)點，目前，在市政、公路等工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但在鐵路項目中應(yīng)用較少。

通過收集分析國內(nèi)外系列研究成果，發(fā)現(xiàn)將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于鐵路工程中的理論研究已經(jīng)完備，但到目前為止，還沒有大量開展泡沫輕質(zhì)土在鐵路工程中的實際應(yīng)用與監(jiān)測。杭州東站首次將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于鐵路路基過渡段，較好地解決了軟土路基工后沉降大以及狹小空間填筑壓實困難的難題，補充完善了軟土路基處理方法，為處理類似復(fù)雜工況的鐵路路基問題提供了參考和借鑒。

1 工程概況

杭州東站由寧杭甬高速場(13線)、滬杭長高速場(12線)和浙贛普速場(5線)組成，共15臺30線。

本軟土路基工點共2處，分別位于站房兩側(cè)的地下聯(lián)系通道與出租車通道之間，縱向長22～70 m，橫向?qū)捈s285 m，基坑深7 m左右；路基填高約3 m。見圖1。

1.1 工程地質(zhì)條件

工點位于沖海積平原，地勢平坦、開闊，水塘零星分布，道路眾多，交通便利。

經(jīng)過勘察揭示，場區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖海積粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏性土；下伏安山巖，地層的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

圖1 泡沫輕質(zhì)土的加固范圍(陰影部分)

表1 地層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標

根據(jù)場地巖土層的組合特征、覆蓋層厚度及基本物理力學(xué)指標，場地土為軟弱土～中軟土類型。基坑底面位于粉土、粉砂層中，易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象；底面以下為海相沉積的厚約23 m的飽和淤泥質(zhì)軟土層，具高壓縮性，工程性能差。地下水為第四系孔隙潛水，埋深1～2 m。

1.2 工程環(huán)境條件

站房地下聯(lián)系通道與出租車通道之間基坑內(nèi)零星分布著各類工程樁等共計130多處，坑內(nèi)工況復(fù)雜，施工場地空間狹小，不具備進行常規(guī)地基處理的技術(shù)條件和施工空間，坑內(nèi)采用普通填料不能滿足填筑壓實標準。基坑內(nèi)的環(huán)境條件見圖2。

圖2 站房基坑內(nèi)環(huán)境條件

2 處理方案比選

鑒于本次研究主要解決不同構(gòu)筑物間的差異沉降和基坑回填土填筑壓實質(zhì)量兩個方面的問題，在調(diào)研已有基坑工程回填處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，對深層地基處理并回填優(yōu)質(zhì)填料和采用泡沫輕質(zhì)土置換兩大方案進行了研究分析。

2.1 深層處理方案

常用的軟土地基加固處理[5]措施主要有以下幾種：復(fù)合地基、素混凝土樁、微型樁及應(yīng)用于高速鐵路的鋼筋混凝土樁網(wǎng)、樁筏(板)結(jié)構(gòu)等。受兩側(cè)地下通道、站房等周邊施工，基坑過渡段路基內(nèi)工程樁等場地環(huán)境及地質(zhì)條件因素的影響或制約，攪拌樁、碎石樁、微型樁、素混凝土樁等不具備實施條件。高壓旋噴樁雖具有施工設(shè)備小巧等優(yōu)勢，但旋噴樁施工時的高壓對既有構(gòu)筑物影響具有不確定性，同時，由于加固深度達40 m，質(zhì)量控制有一定的難度。

根據(jù)現(xiàn)場施工場地條件和可采用處理方案的優(yōu)缺點，深層處理方案采用鉆孔灌注樁聯(lián)合承臺方案[6]。

2.2 泡沫輕質(zhì)土置換方案

利用泡沫輕質(zhì)土容重小的工程特性，換填原地面以下一定厚度土層，以補償上部路堤填土及列車荷載施加的附加應(yīng)力，可使軟土層的附加應(yīng)力小于有效自重應(yīng)力，軟土層處于超固結(jié)狀態(tài)，從而達到減小地基工后沉降的目的[7-8]。

2.3 方案比選

根據(jù)現(xiàn)場施工場地條件和可采用處理方案的優(yōu)缺點，從技術(shù)可靠性、經(jīng)濟性、工期和環(huán)保等方面對兩大方案進行綜合比較分析，見表2。

表2 處理方案經(jīng)濟技術(shù)綜合分析對比

經(jīng)綜合比較分析及論證，本工點推薦采用“泡沫輕質(zhì)土置換方案”。

3 泡沫輕質(zhì)土置換設(shè)計

3.1 設(shè)計原理

泡沫輕質(zhì)土加固處理松軟土地基的原理(應(yīng)力補償原理)：利用泡沫輕質(zhì)土容重小、流動性好的工程特性[9-10]，以其置換地基軟弱層，使基底以下的土體承受的土壓力顯著降低，以補償上部路堤填土及列車荷載施加的附加應(yīng)力，從而達到減小地基工后沉降[11]的目的。如圖3所示。

圖3 泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力補償示意

根據(jù)應(yīng)力補償原理，從圖3可以得到使地基土附加應(yīng)力為零時，泡沫輕質(zhì)土的置換臨界厚度公式

γ1×h1+γ2×(D-h1)+γ×h=

γ0×h1+γ0a×(D-h1)

(1)

式中γ——泡沫輕質(zhì)土上部常規(guī)路堤填土的容重，kN/m3；

γ1——泡沫輕質(zhì)土的表觀容重，kN/m3；

γ2——泡沫輕質(zhì)土吸水后的表觀容重，kN/m3；

γ0——地基土天然容重，kN/m3；

γ0a——地基土飽和容重，kN/m3；

h——泡沫輕質(zhì)土上部常規(guī)路堤填土的高度(包括列車及軌道荷載的等效土柱高度)，m；

h1——原地基面到地下水位之間的泡沫輕質(zhì)土高度，m；

D——地表面以下的泡沫輕質(zhì)土厚度，m。

式中，h與h1可以根據(jù)列車荷載、填土高度、地面高程、地下水位高程確定，只需算出D即可得到泡沫輕質(zhì)土的置換厚度。當輕質(zhì)土實際換填厚度小于D值時，附加應(yīng)力就會引起沉降變形，沉降計算可采用分層總和法。

3.2 設(shè)計方法

杭州東站站房軟土路基采用泡沫輕質(zhì)土置換基坑內(nèi)原狀土(容重19.6 kN/m3)處理深厚層軟土路基。設(shè)計采用泡沫輕質(zhì)土的表觀容重7 kN/m3(已考慮浸水增重影響)，7 d齡期無側(cè)向抗壓強度0.4～0.5 MPa，28 d齡期無側(cè)向抗壓強度0.8～1.0 MPa[12-14]，置換加固范圍為：地下通道與南北出租車通道之間長22～70 m，從西側(cè)寧杭甬高速場的基本站臺到東側(cè)滬杭長高速場的第25股道之間寬285 m，置換厚度約7 m。

沉降計算模型如圖4所示。

路基沉降驗算采用分層總和法，工后沉降計算結(jié)果小于2 cm，滿足鐵路路基過渡段工后沉降控制標準。

4 處理效果分析

為了研究泡沫輕質(zhì)土處理鐵路狹窄空間深厚層軟土地基的施工過程中和施工后的應(yīng)力和變形特性，分別從位于地下聯(lián)系通道與出租車通道間的杭甬場、寧杭場及杭長場等股道中，選取其中的正線路基(共3處)，在基坑內(nèi)埋設(shè)沉降計和土壓力盒等測試元器件，進行監(jiān)測研究。

4.1 沉降測試結(jié)果分析

沉降測試主要依靠單點沉降計完成，分層沉降計作為補充。為了研究地基土層在澆筑泡沫輕質(zhì)土及上部路基荷載作用下，其地層的整體變形，在不同深度埋設(shè)了單點沉降計來監(jiān)測整體變形[15]，觀測期為2012年10月8日到2014年4月15日。不同深度的整體沉降隨時間的變化關(guān)系[16]如圖5所示。

圖4 杭州東站泡沫輕質(zhì)土置換沉降計算概化模型

圖5 沉降測點布置及典型斷面地層整體沉降曲線

從圖5可見，路基沉降收斂速度很快。泡沫輕質(zhì)土層產(chǎn)生的工后沉降量為1.69～3.47 mm，為澆筑厚度的0.025%～0.05%。而曲線形式表現(xiàn)為先壓密變形，隨著時間的延長，呈現(xiàn)緩慢回彈現(xiàn)象。基坑底下土層的工后沉降量為4.01～6.71 mm。基坑底以下土層的曲線形式與輕質(zhì)土沉降曲線類似，也是先壓密變形然后逐漸緩慢回彈，只是變形的臨界點要早于泡沫輕質(zhì)土，這與后期地下水位的恢復(fù)對各土層產(chǎn)生少量的回彈影響有關(guān)。整個路基工后沉降量為4.01～10.18 mm，滿足工后沉降控制標準。

4.2 土壓力測試結(jié)果分析

為研究路基荷載在泡沫輕質(zhì)土中的傳遞規(guī)律，在泡沫輕質(zhì)土底部、往上依次每隔2 m布置土壓力盒，在每處輕質(zhì)土層中共埋設(shè)4層8個土壓力盒，用來測試輕質(zhì)土中的壓力變化[17]。典型斷面不同深度的土壓力隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。

從圖6可以得出如下結(jié)論。

(1)在泡沫輕質(zhì)土澆筑期間，基底土壓力隨著澆筑厚度的增加而增加，其中增加后突然變小并逐漸趨于負值，可能與泡沫輕質(zhì)土早期內(nèi)部的溫度持續(xù)過高(60～80 ℃)有關(guān)，從而導(dǎo)致土壓力盒的溫度系數(shù)不準，數(shù)據(jù)出現(xiàn)負值。待泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后，測得的基坑底的土壓力值為24～69 kPa，平均值為43.5 kPa。

(2)隨著路基的填筑，基底土壓力逐漸增加；待鋪軌完成后，基底土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，達到最大值50～90 kPa，平均值為69.6 kPa，比泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后增加約26.1 kPa荷載。土壓力的穩(wěn)定值小于路基填筑荷載值。

圖6 典型斷面垂直土壓力變化

(3)因周邊基坑一直在降水，地下水的穩(wěn)定埋深為基坑底高程-1.45 m左右，從2013年3月底開始降水停止，基坑內(nèi)地下水開始慢慢恢復(fù)，由于基坑底部鋪了一層素混凝土防水層，基底受到水的浮力作用，因此基底的土壓力將減少，最終趨于穩(wěn)定。這與土壓力變化曲線相對應(yīng)。

5 結(jié)論

通過方案比選、現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)分析，取得了采用泡沫輕質(zhì)土置換處理狹小空間深厚層軟土地基的良好效果。主要成果及結(jié)論如下。

(1)泡沫輕質(zhì)土具有流動性好的特點，適用于處理狹窄受限空間內(nèi)的軟土地基，能解決狹小空間(如采空區(qū)、巖溶路基等)填筑壓實困難，并大幅縮短施工工期。

(2)泡沫輕質(zhì)土的容重只有原狀土的1/3左右，且強度高，路基填土及列車荷載經(jīng)泡沫輕質(zhì)土傳遞后作用在軟土路基上的附加應(yīng)力大大減小，能有效控制工后沉降，測試結(jié)果與沉降估算基本相符，滿足鐵路路基設(shè)計要求。

(3)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力補償原理可補充完善常規(guī)軟土路基加固方法，通過本工點試驗研究，為泡沫輕質(zhì)土的推廣應(yīng)用提供了參考和借鑒。

(4)泡沫輕質(zhì)土采用管道輸送，在特定環(huán)境條件下較之常規(guī)處理措施更實用、快捷、經(jīng)濟和環(huán)保，是一種新型的鐵路軟土路基處理材料，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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