真空聯合堆載預壓在沿海鐵路軟土地基處理中的應用

周麗華

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

沿海地區表層一般均為厚層淤泥質土，含水量高、孔隙比大，在上部荷載作用下，容易發生地基基礎變形大、地基穩定性差等問題，如何控制工程的沉降、確保地基穩定就成為建筑工程設計的關鍵所在，在滿足技術要求的同時地基處理的經濟性也是必須考慮的因素。

通常在地基處理方法選擇時，首先根據場地要求和天然地基條件確定地基是否需要處理，若天然地基滿足建筑物對地基的要求，盡量采用天然地基;若天然地基不能滿足要求時，應考慮上部結構、基礎和地基的共同作用，并結合天然地層條件、地基處理方法的原理、既有工程經驗、機具設備、材料條件等，進行地基處理方案的可行性研究，提出多種技術上可行的方案。其次，對已經提出的多種技術方案進行技術、經濟、施工進度等多方面的比較分析后，確定最終的地基處理方案。

1 工程概況

某鐵路地處濱海地區，區間線路所經地段多為鹽田、養參池及海邊灘涂區，以填方通過，路堤填高3～5 m。

地基表層為淤泥質黏土，深灰色，流塑，有腥味，含有腐植物，層厚2.0～11.0 m，淤泥質土層較厚;其下為粉質黏土，灰黃～褐灰色，軟塑，偶見螺殼，層厚0.7～2.0 m;再下為石灰巖，灰黑色，主要礦物成分為方解石，隱晶質結構，中厚層狀構造，弱風化。

淤泥質黏土層主要物理力學指標為γ=17.2 kN/m3，c=6.5 kPa，φ =1.9°，三軸剪指標為 Ccu=8.0 kPa，φcu=16.8°，Cu=9.0 kPa，φu=1.6°，無側限抗壓強度為qu=16.0 kPa。

地下水埋深為0.1～2.6 m。地下水對混凝土具硫酸鹽侵蝕，環境作用等級H3;具鎂鹽侵蝕，環境作用等級H2;氯巖環境作用等級L3。

2 方案選擇

根據地層及路堤填高的前提，結合本線路基工后沉降應控制在30 cm以內的具體情況，首先進行了軟土地基相關基礎計算。

(1)填筑臨界高度費蘭紐斯公式

式中 Hc——填土臨界高度，m;

Cu——不排水剪切的黏聚力，kPa;

γ——填料容重，kN/m3。

(2)穩定系數計算公式

式中 Si——地基土內第i個土條滑體的抗剪力，kN，不考慮固結作用;

Sj——路堤內第j個土條滑體的抗剪力，kN;

Pt——各土條在滑弧切線方向的下滑力總和，kN。

經計算填高4 m段落，Fs為0.69;填高5 m段落，Fs為0.57。

(3)總沉降計算公式

S=ms·Sc

式中 ms——沉降經驗修正系數，采用堆載預壓時，可取1.2～1.4;采用真空預壓時，可取1.0～1.2;

Sc——主固結沉降，m。

經計算填高4 m段落，S為1.2 m;填高5 m段落，S為1.5 m。

(4)用e～p曲線計算主固結沉降

式中 n——地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數;

Δhi——第 i層土的厚度;

e0i——第i層土中自重應力所對應的孔隙比;

e1i——第i層土中自重應力與附加應力之和所對應的孔隙比。

計算結果顯示臨界高度小于3 m，而路堤填高為3～5 m，均超過了軟土的臨界高度，應采取必要的地基處理措施。

該段路基基底淤泥質土具有天然含水量高、孔隙比大、滲透性低的特點，尤其是深厚層淤泥質土欠固結、具壓縮性高、具觸變性、流變性、不均勻性及抗剪強度低等特性，這些都增大了地基處理難度。考慮方案技術經濟合理要求，設計針對塑料排水板、真空聯合堆載(自載)預壓和攪拌樁加固地基進行了方案比選(表1)。設計選取填高5.0 m段落進行了方案比選，地基加固面積為37 565 m2，軟土層厚11.0 m。

表1 方案比較

方案優缺點分析如下。

方案1:塑料排水板方案，是淤泥質軟土地層非常適用的排水固結法，優點是采用單純排水固結法，施工工藝簡單，投資最低;缺點是需要堆載預壓材料，路堤填筑、地基固結時間最長，滿足不了工期要求。

方案2:真空聯合堆載(自載)預壓方案，直接采用真空壓強作為預壓荷載，真空荷載相當于3～4 m高的填土荷載，其優點是在真空預壓期間進行路堤填筑，施工時間相對于排水板較短;預壓在堆載過程中路基一次成型，既達到了軟基處理的目的，同時又完成了路基的填筑過程，減少了卸載再填筑的工序;聯合堆載預壓可以加速前期沉降，從而減少工后沉降;而且由于真空預壓是負壓固結，堆載預壓是正壓固結，在負壓狀態產生向內的收縮變形，該向內的收縮變形可以抵消由填土產生向外的擠出變形，從而提高了地基的穩定性。投資僅是攪拌樁方案的33%;缺點是施工工藝略微復雜，施工周期比攪拌樁方案長。

方案3:水泥攪拌樁方案，優點是以水泥土樁加固地基，能很好地解決場地的穩定和沉降問題，且施工后很短時間內路基就能填筑;缺點是投資高，較真空聯合堆載(自載)方案增加投資1 250萬元，其投資是塑料排水板方案的7.5倍。

綜合考慮本工程工期、經濟及技術要求，方案二在保證工期的前提下，具有較好的經濟效益，所以最終確定真空聯合堆載(自載)預壓方案做為推薦方案。

3 設計及施工

(1)真空聯合堆載(自載)預壓，排水板間距1.15 m，等邊三角形布置，排水板長10 m，排水板頂部設0.5 m厚砂墊層，其上部鋪設一層高強聚酯長絲經編土工格柵。真空預壓橫斷面布置及管路布置，詳見圖1、圖2。

圖1 地基加固橫斷面示意

圖2 真空泵及管路布置示意(單位:m)

(2)施工順序:鋪設砂墊層，施打塑料排水板。

(3)塑料排水板的施工工序:機具就位;將塑料帶通過導管從管靴穿出;將塑料帶與樁尖連接貼近管靴并對準樁位;插入塑料帶;拔管剪斷塑料帶;機具移位等。

(4)塑料排水板打設完成后，于各處理單元四周開挖密封溝;密封溝開挖完成后，鋪設砂墊層，并于砂墊層內布設真空管路，布設射流泵及真空度測頭;管路布設完成后，覆蓋3層聚乙烯或聚氯乙烯密封膜;溝內用黏土回填夯實，并形成高不小于20 cm的堵水圍堰，在真空試抽、膜內真空度達到80 kPa，確信密封系統不存在問題時，薄膜上覆10～20 cm水。

真空預壓設備和濾水管的選型及布置，施工時必須根據現場實際及施工經驗作相應調整，滿足設計要求的真空度。預壓階段要求膜內真空度不小于80 kPa。

(5)堆載(自載)預壓施工一定得等膜下真空度穩定，并達到設計要求并穩定15 d后，確定不漏氣時才可按要求逐層填筑路基。膜上、下應采取避免膜破損的可靠措施。

4 現場實際情況

真空聯合堆載(自載)預壓地基沉降-荷載-時間變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 DK2+900沉降曲線

圖4 DK1+700沉降曲線

現場于2008年6月25日開始真空預壓階段，真空度逐步達到設計要求的80 kPa后，最初3 d，沉降速率很快，最高可達20～43 mm/d。隨著時間的推移，沉降速率逐漸減小至2～4 mm/d，至2008年12月8日開始第一級填土堆載(自載)前，即真空預壓約5個月后，總沉降達到33.2～82.5 cm。

于2008年12月8日開始逐級填筑后，便進入真空聯合堆載(自載)階段。加載時沉降速率變大，然后趨于平緩，隨著每一級加載，沉降速率由徒增至平緩的走勢進行。直至自載填筑結束后40 d時，總沉降達到83.6～127.4 cm。

根據觀測數據采用雙曲線法進行沉降預測，預測總沉降為103.8～140.9 cm，剩余工后沉降為20.2～13.5 cm，滿足設計要求。經過近5年的運營，該區間線路地基穩定，沒有出現滑移、失穩、工后沉降過大等現象，達到了預期的處理效果。

5 結語

(1)真空預壓的成功與否，關鍵在于施工工藝的控制，首先要確保良好的氣密性，使預壓區與大氣層隔絕，若加固區存在透氣層和透水層時，應考慮真空預壓的可實施性或采取有效的密封措施隔斷透水層。所以排水板長度不應穿透軟土層，否則真空度達不到設計要求，達不到預期的加固效果。其次，在填土及降低真空度過程中應加強地基沉降與土的側向位移觀測，嚴格控制填土速率，嚴格控制真空聯合堆載(自載)預壓完成后逐級降低真空度速度，以確保路堤不失穩。

(2)真空聯合堆載(自載)加固方法，在充分利用路基填筑土作為預壓荷載的基礎上，路基也一次成型，既達到了軟基處理的目的，同時又完成了路基的填筑過程，減少了卸載再填筑的工序，既節省了投資，又縮短了工期，是一種在施工工期緊張前提下處理深厚軟土層既經濟又有效的方案。

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