高真空擊密法在鐵路站場軟土地基處理中的應用

(中鐵五局集團第二工程有限責任公司，湖南衡陽　421002)

軟土是指近代水下沉積的飽和松軟黏性土，一般把天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細粒土判定為軟土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等[1]。軟土承載力很低，并且在上部施加荷載后會產生較大的沉降和差異沉降。為保障工程建筑物的正常使用功能，必須對軟土地基進行加固處理。

軟土地基的處理質量直接影響到地基的承載力與變形，探索和改進軟土地基處理工藝，進而選擇最適用的軟土地基處理方法，具有重要的社會效益和經濟價值[2]。

1　高真空擊密法理論特點

1.1　技術特點

大面積軟地基地基處理常用方法有三類：樁基法、排水固結法、強夯法。樁基法如粉噴樁、攪拌樁、石灰樁、振沖樁等樁基，此類處理方法施工造價高、施工工期長。排水固結法如真空預壓法、堆載預壓法等，此類方法除施工造價高和工期較長外，處理后的地基承載能力較低。強夯法則需要大型設備調遣、粗骨料的填入等措施，對飽和細顆粒土進行強夯易產生橡皮土，達不到施工效果，而且造價較大[3]。高真空擊密法是將強夯技術和真空井點降水技術結合起來的一種新的復合式動力排水固結法，其技術特點如下[4]：

①根據地層巖性特征，采用特制的高真空系統強制調整土體的含水量，控制土體逐步接近加固密實的最優含水量。

②與控制所需處理土體逐步接近最優含水量相適應，同步用特制的大型擊密設備對所需處理土體實施分遍擊密，使之逐步接近最大密實度。

③施工中，根據土體的自振頻率，調整擊振頻率。

④根據不同土體的滲透系數、含水量，分層多遍強制調整各層土的真空度、真空氣量、平衡參數。

⑤按地基的處理深度要求，正確計算各種條件下土體擊密所需的擊振能量。

1.2　固結機理

高真空擊密工法是采取高真空形成壓力差降水措施，在強夯前布設降水系統，將地下水降到預定高程，以滿足擊實要求。然后在加固擊實區域撤除濾水管和排水管道，保留外圍管繼續運轉降水系統，截防擊實區域外地下水滲入，同時進行擊實作業。反復進行上述施工過程，使得地基最終達到設計要求。強排水工藝的機理可分為四個方面：壓力差排水機理、硬殼層理論、控制工后沉降、控制不均勻沉降。

2　高真空擊密法在新建武漢鐵路集裝箱中心站場地基處理中的應用

2.1　工程地質特點與處理要求

新建武漢鐵路集裝箱中心站場區地貌為長江、漢江Ⅰ級沖積階地，地面高程22～24 m左右，地形平坦開闊，為苗圃、菜地、奶牛養殖場及魚塘等。場地表層一般分布有厚度0.5 m左右的種植土，局部為第四系人工填土，厚度為1.0～3.9 m；中間為第四系沖積淤泥質黏土、黏土、粉質黏土，厚度為9.1～14.0 m；下層為粉砂、細砂，厚度大于20 m。

本工程真空擊密地基處理后設計要求：①加固深度為6～8 m；②加固后承載力特征值到達重箱區≥130 kPa，其他箱區≥120 kPa；③回彈模量≥25～30 MPa；④完成沉降20～40 cm，工后沉降<20 cm；⑤壓實系數不小于0.96(0.8 m新填土范圍)。

根據設計要求，本工程軟基處理包括淺層和深層處理兩個環節，淺層處理解決地基承載力問題，深層處理解決工后沉降問題。淺層處理傳統方法有排水固結法、夯實法、真空井點降水加振動碾壓等，根據施工條件，應用真空井點降水加振動碾壓法可達到理想的施工效果。而對于軟基深層處理可采用石灰樁或振沖碎石樁方法。若要同時滿足工程對于地基深淺層的設計要求，可對深層和淺層分別進行相應處理，但這對費用、工期控制提出了挑戰。采用高真空擊密法，結合傳統地基處理各方法的優勢，統一對深淺層進行處理，既可達到要求的施工效果，又滿足費用、工期的需求。本工程最終應用高真空擊密法處理的軟土地基共12.3萬m2。

2.2　高真空擊密法設計與施工

為分析高真空擊密法的適用性以及為大面積加固提供設計依據，本工程項目在大面積地基加固處理之前，先選取兩個區域進行地基處理試驗，根據試驗結果調整有關設計與施工的參數，確定與完善適于本工程的施工工藝。本工程中高真空擊密施工程序如下。

(1)施工區的劃分

根據試驗區的施工情況，施工小區以4 000～6 000 m2為宜，根據施工單位的施工能力可適當調整施工小區的大小。

(2)外圍截水

“高真空擊密法”施工首先要降低地下水位，切斷施工小區外部水的供給。主要采取措施：①在施工小區的外圍開挖截水溝，加固場地的側溝壁一定要平滑光滑。為了保證排水溝不滲透，在排水溝鋪設一層土工布，再分次逐層鋪設二層密封薄膜。同時在溝內插設一排封管，深管8 m，淺管5 m，間距1.75 m，截住外圍水的滲透，形成了截水的第一道屏障；②在施工小區外圍距離場地邊界3～5 m處插設兩排封管，管長和間距同水溝內布置，交錯布置，形成截水的第二道屏障。

(3)第一遍高真空排水

高真空管的間距、排距3.5 m，入土深度深管8 m，同時在深管間布置5 m深的淺管。濾水管采用鐵管，設排水濾孔，用雙層尼龍布包裹。第一遍高真空時間為7～10 d。以地下水為降至不影響強夯為宜，加強監測土體含水量的變化。

(4)第一遍強夯

夯點間距及布點形式：第一遍擊密夯點間距按5 m×5 m正方形布點，拆除場區內對強夯有影響的真空管。應根據夯點布置圖及各小區的控制樁，制作夯點明顯標志，各施工段的相接部位，嚴防漏點現象的發生。

第一遍單擊夯擊能采用2 500～3 000 kN·m，每點擊數6擊，最終通過試夯確定，同時滿足下列條件：①最后兩擊的平均夯沉量不大于5 cm；②夯坑周圍地面不發生過大的隆起；③不因夯坑過深而發生提錘困難。

(5)第二遍高真空排水

高真空管的布置同第一遍高真空排水。第二遍高真空時間為5 d。以地下水為降至不影響強夯為宜，加強監測土體含水量的變化。

(6)第二遍強夯

夯點間距及布點形式：第二遍擊密夯點間距按5 m×5 m正方形布置，布置在第一遍點的中間，單擊夯擊能采用2 500～3 000 kN·m，每點擊數6擊，最終通過試夯確定，收錘標準同時滿足第一遍強夯的要求。

(7)平整場地

第二遍強夯結束后，對場地進行整平。

(8)滿夯

單擊夯擊能量1 000 kN·m，每點擊數為2擊，滿夯2遍。

2.3　施工監測項目

施工過程監測須完成如下項目。

①靜力觸探試驗：加固前后檢測進行對比；

②沉降變形觀測：高真空擊密法施工過程中進行沉降觀測；

③夯后荷載試驗：確定地基承載力特征值fak。

3　高真空擊密法地基處理效果

3.1　施工監測結果

(1)加固后土體強度

在處理前和處理后均做12個靜力觸探點(前后對比)，經去表層粗礫土(層厚60～150 cm)，自地面向下采集6～8 m數據，分三段經算術平均計算，其中1號和2號點監測結果見表1，靜力觸探曲線見圖1和圖2。

表1　1號、2號靜力觸探點試驗數據

圖1　1號觀測點靜力觸探曲線

圖2　2號觀測點靜力觸探曲線

(2)地基承載力

根據淺層平板載荷試驗的監測結果，各試驗點承載力檢測值詳見表2。

表2　淺層平板地基載荷試驗結果匯總

(3)沉降變形觀測

圖3和圖4分別是K1點和K2點堆載預壓試驗的沉降量觀測曲線，觀測72 d，累計沉降分別為274 mm和259 mm。

圖3　K1點沉降觀測曲線

圖4　K2點沉降觀測曲線

3.2　監測結果分析

通過12個監測點的處理前、后靜力觸探曲線可以看出，加固深度均能達到8 m；對比處理前后的承載力試驗值綜合分析，承載力平均提高19.9%。處理后站場的停車場區、清洗、預留箱區、內部停車場區、空箱區復合地基承載力≥120 kPa；專用箱區、冷藏箱區各試點復合地基承載力≥130 kPa，均達到設計要求。經過對施工過程中的沉降觀測和驗證，滿足工后沉降不大于30 cm，施工過程中沉降量不大于30 cm的設計要求。

3.3　工程效益分析

高真空擊密法與樁中心間距1.2 m的水泥攪拌樁處理方法成本單價分析表分別如表3和表4所示。

表3　真空擊密成本單價分析

表4　水泥攪拌樁成本單價分析

通過對比可以看出，采用真空擊密法成本單價116.24元/m2，樁間距1.2 m水泥攪拌樁成本單價272.36元/m2，前者相比后者在成本上節約57.3%。

在工期方面，以兩萬平方地基處理為例，同樣成本，要達到同樣的使用效果，相比于水泥攪拌樁地基處理施工，高真空擊密法可節約工期二分之一，高真空擊密一個區域的循環時間基本為一個月時間，水泥攪拌樁需一個半月的施工期。且二期地基處理面積越大，高真空擊密法施工節省工期的效果越明顯。

[1]中華人民共和國建設部.GB 50021—2001巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002

[2]李鏡培，馬原，楊培芳，等.軟土地基高真空擊密法與低位高真空分層預壓擊密法加固效果分析[J].建筑科學與工程學報，2011，28(2)：79-83

[3]李永紅.低能強夯與真空降水聯合法機理探討及在深圳的應用研究[D].長沙：中南大學，2010

[4]徐士龍.快速“高真空擊密法”軟地基處理工法[P].中國：01127046.2，2002-01-09

[5]顏春，黃瑋.高真空南中密法在吹填土基處治中的應用[J].西部交通科技，2012(7)：7-10.

[6]韓選江.大型圍海造地吹填土地基處理技術原理及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2009

[7]王松臣.高真空擊密法地基處理方法的應用研究[D].西安：西安建筑科技大學，2009