铁路海相软土路基处理方法的研究

黄应州

(广州铁路(集团)公司， 广州 510080)

1 概述

我国沿海地区存在大量近代海相沉积的软弱黏土层,在这种含水量高、压缩性大、渗透性差、强度低,且土层厚、分布极不均匀的软土层上修筑铁路路基是铁路建设中的重大技术难题。广珠铁路珠海西站工程位于珠三角海相沉积层位置,地质复杂,淤泥层厚达24 m,需采用有效的方法进行加固处理。对广珠铁路珠海西站软土路基处理先导工程采用的2种软土路基处理方法进行对比,为今后铁路软土路基处理的设计施工提供参考。

2 工程地质及工程概况

2.1 工程地质概况

广珠铁路珠海西站场地地貌为珠三角海相堆积平原区,大部分为水塘,地形平坦。表层为第四系人工杂填土、海相沉积的淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土等,为典型的软土地基,场地基岩为燕山期花岗岩。场地分布厚层松软土层,淤泥层厚达24 m,地下水埋深浅,仅为0.20～0.30 m,地层结构较均匀。

2.2 工程概况

珠海西站采用真空-堆载联合预压的加固方式进行地基处理,加固面积达30万m2,需选定合理的施工方法、参数进行加固。珠海西站先导工程的目的是验证设计参数,确定施工工艺、方法,选定合理的设备配置。珠海西站先导工程场地达77 000 m2,具体试验区场地布置及施工工艺、方法如图1所示。

图1 珠海西站场地及沉降监测点布置(单位：m)

3 施工工艺

3.1 常规真空-堆载联合预压法施工步骤

常规真空-堆载联合预压法施工步骤如下：采用吹砂的方法进行场地回填,以便场地条件能够满足机械进场→利用湿地推土机连续往返进行推砂平整,排出砂中大量水分,提高场地的承载力→进行第1层砂垫层施工,砂垫层厚度为20 cm→进行插板施工,插打塑料排水板长度一般为20～23 m,先导工程段1区塑料排水板间距为1.0 m,先导工程段2区塑料排水板间距为0.8 m,按照正三角形布置→第2层砂垫层施工,砂垫层厚度为20 cm,将插打好的塑料排水板覆盖在砂垫层内→真空预压系统主、滤管施工,在铺设好的砂垫层上面按照设计好的主滤管(PVC管)施工布置图,进行主滤管安装施工,滤管现场布置如图2所示→密封墙施工,把真空预压每个区的四周均做成密封墙,形成一个整体的密封系统→待主、滤管安装、砂垫层铺设和密封墙施工全部完成后,首先进行第1层土工布铺设,然后在铺设好的土工布上铺设2层密封膜,密封膜四周埋入密封墙内,然后在密封膜上再铺设1层土工布→待真空泵和各项监测设备安装完成后,开始正式进行抽真空→当表面沉降量满足设计给定要求同时进行上部荷载堆载。

图2 常规真空预压的滤管布置

3.2 增压式真空-堆载联合预压法施工步骤

增压式真空-堆载联合预压法施工步骤如下：采用吹砂的方法进行场地回填,以便场地条件能够满足机械进场→利用湿地推土机连续往返进行推砂平整,排出砂中大量水分,提高场地的承载力→先导工程段插打塑料排水板长度一般为20～23 m,先导工程段3区塑料排水板间距为1.0 m,先导工程段4区塑料排水板间距为1.2 m,按照正六边形布置,六边形的中心放置1个增压管→增压管施工可在插打完塑料排水板后进行,在正六边形的中心布置1个增压管,增压管总长度为8 m→管网系统连接施工,在插打完塑料排水板和增压管后,即可进行抽真空系统管网连接(钢丝波纹管)和增压系统管网连接施工及主管网连接施工,滤管现场布置如图3所示→密封墙施工,把真空预压每个区的四周均做成密封墙,形成一个整体的密封系统→待主、滤管安装、砂垫层铺设和密封墙施工全部完成后,首先进行第1层土工布铺设,然后在铺设好的土工布上铺设两层密封膜,密封膜四周埋入密封墙内,然后在密封膜上再铺设1层土工布→待真空泵和各项监测设备安装完成后,开始正式进行抽真空→待土体固结度达到40%以上后开始进行增压施工→当表面沉降量满足设计给定要求同时进行上部荷载堆载。

图3 增压真空预压的滤管布置

4 监测点布置及数据分析

4.1 监测点布置

路基的沉降是判断软土路基处理效果的最重要方法。为了监测场地表层沉降,在每个区布置2个沉降观测断面,每个观测断面上均匀布置5个沉降板。为了研究不同土层的固结情况,在先导工程每个区布置分层沉降观测孔一个。观测孔每2 m布置一个观测磁环,共设置12个观测断面。地面沉降观测测点具体布置如图1所示,场地沉降及分层沉降观测竖向剖面布置如图4所示。

图4 场地沉降及分层沉降观测竖向剖面布置

4.2 地面沉降观测

沉降观测数据表明,先导工程1区路基平均最大沉降量为1 602 mm；其中1区各沉降板中,最大沉降量为1 666 mm；最小沉降量为1 563 mm。先导工程2区路基平均最大沉降量为1 345 mm；其中2区各沉降板中,最大沉降量为1 495 mm；最小沉降量为1 135 mm。先导工程3区路基平均最大沉降量为1 844 mm；其中3区各沉降板中,最大沉降量为1 994 mm；最小沉降量为1 782 mm。先导工程4区路基平均最大沉降量为1 389 mm；其中4区各沉降板中,最大沉降量为1 542 mm；最小沉降量为1 262 mm。4个区的沉降-真空度-堆载高度曲线如图5所示。

整个先导工程在停止抽真空前连续2周沉降速率均小于1 mm/d,满足由设计方面给定的停止抽真空要求值,且沉降曲线趋于平缓,表明这段路基沉降已达基本收敛,趋于稳定。

图5 珠海西站先导工程沉降-真空度-堆载高度

4.3 分层沉降观测

先导工程1区最大累计分层沉降值发生在地表下第1个磁环处(-2 m),沉降量为1 412.0 mm；最小累计分层沉降值发生在地表下第12个磁环处(-24 m),沉降量为482.3 mm。

先导工程2区最大累计分层沉降值发生在地表下第1个磁环处(-2 m),沉降量为1 360.5 mm；最小累计分层沉降值发生在地表下第12个磁环处(-24 m),沉降量为592.0 mm。

先导工程3区最大累计分层沉降值发生在地表下第1个磁环处(-2 m),沉降量为1 723.5 mm；最小累计分层沉降值发生在地表下第12个磁环处(-24 m),沉降量为161.5 mm。

珠海西站先导工程4区：最大累计分层沉降值发生在地表下第1个磁环处(-2 m),沉降量为1 235.5 mm；最小累计分层沉降值发生在地表下第12个磁环处(-24 m),沉降为376.0 mm。具体分层沉降曲线如图6所示。从地基土分层沉降图看出,先导工程固结沉降主要发生在地表面以下10 m以上淤泥层深度范围内。

5 加固效果对比

5.1 固结度推算

根据太沙基固结理论,固结度Ut的理论解普遍表达式为

Ut=1-αe-βt

(1)

根据相关规范,三点法最终沉降量S∞计算公式为

(2)

(3)

式中,S1、S2、S3为加荷停止后,时间t1、t2、t3相应的沉降量,并取t2-t1=t3-t2,根据系数α、β可求出任意时间t土层的固结度Ut,其中α一般可取理论值8/π2。

通过沉降数据计算得到先导工程4个区各个测点的固结度及最终沉降量,如表1所示。

5.2 加固前后土层物理性质变化

在加固前对场地土(主要为软土层)进行取样,进行室内试验,得到土的力学性质。在真空预压后,对场地相同位置再进行取样,对土的力学性质进行室内试验并对加固效果进行评价。具体物理指标如表2所示。对10 m以上浅部软土层,该土层主要的物理性质指标——含水率、液性指数、孔隙比、压缩系数有较明显的降低,天然密度、压缩模量有了一定的增大。以上对比可能由于受取样数量、土质变化等因素影响,但总的说明浅部软土经加固排水后孔隙比小了,压缩性低了,重度增加了。对10 m以下深部软土层,该土层主要的物理性质指标——含水率、液性指数、孔隙比、压缩系数、天然密度、压缩模量基本不变,说明加固主要为10 m以上的上部软土。

图6 珠海西站先导工程分层沉降

测点号固结度/%相关系数(R)三点法最终沉降量/mmN1C195.200.997-1706.6N1C294.900.995-1656.5N1C394.800.996-1656.4N1C494.400.995-1706.3N1C594.400.998-1662.5N1C695.100.998-1732.9N1C795.000.998-1649.3N1C894.700.995-1691.4N1C993.800.994-1650.9N1C1094.200.998-1669.6测点号固结度/%相关系数(R)三点法最终沉降量/mmN2C190.800.993-1227.5N2C295.700.997-1306.1N2C397.400.996-1347.5N2C498.300.997-1504.0N2C595.300.993-1466.2N2C691.300.996-1442.4N2C794.400.995-1359.8N2C897.500.997-1395.1N2C998.500.995-1457.2N2C1096.000.994-1391.8测点号固结度/%相关系数(R)三点法最终沉降量/mmN3C190.300.992-1991.1N3C290.500.995-1977.9N3C390.700.995-1978.8N3C491.000.998-2043.8N3C592.000.998-2063.6N3C690.300.994-2007.0N3C790.200.996-1966.5N3C890.600.996-1965.2N3C990.300.999-2080.6N3C1090.900.998-2185.2测点号固结度/%相关系数(R)三点法最终沉降量/mmN4C190.500.995-1478.5N4C290.600.995-1505.8N4C390.300.995-1509.8N4C491.800.989-1518.9N4C590.400.988-1709.9N4C691.400.994-1621.9N4C790.300.995-1481.2N4C890.700.995-1399.2N4C991.600.990-1493.0N4C1090.800.989-1647.3

表2 软土层加固前后主要物理指标对照

6 结 论

(1)根据监测试验数据,珠海西站先导工程抽真空期间,表层真空度维持符合相关规范和设计要求,土体固结速度较快；真空堆载联合预压后,土体固结明显加快。结束真空堆载联合预压后,先导工程土体固结基本满足相关规范文件的要求,设计参数合理,施工工艺、方法可行。

(2)增压真空堆载联合预压与相比常规真空堆载联合预压相比,增压式真空堆载联合前期固结速度较快。土体固结需要相对较短的施工时间即可达到相关规范文件的要求。建议在施工工期较为紧张情况下,采用增压式真空堆载联合预压法。但常规式真空堆载联合预压施工相对经济简单,建议在施工工期相对宽松情况下,采用常规真空堆载联合预压法。在采用同种施工工艺的时候,土体固结速度相似。从经济上考虑,建议采用板间距较大的施工方案。

(3)在真空预压阶段,随着土层中水气的抽出及时间的持续,土体颗粒间的孔隙逐渐增大,但土骨架并没有随之完全被压缩。施加堆载以后,土颗粒之间的有效应力增加,从而使土体颗粒密实,产生较大的沉降,说明真空堆载联合预压法加固软土地基是一种行之有效的方法。在开始填筑路基后,累计沉降曲线存在一个明显的拐点,曲线斜率变陡说明真空预压与堆载预压的联合加速了固结沉降的速度。真空堆载联合预压能使地基产生较大沉降速率,能有效缩短加固时间,降低施工成本。

(4)分层沉降监测成果表明,在相同的时间内,总体上浅部的沉降量大于深部的沉降量。0～10 m的淤泥层压缩量最大,主要沉降量来自10 m以上,但真空预压的影响深度可以达到塑料排水板底下一定深度,这部分沉降主要是由于地下水位下降所增加的附加应力引起的。

(5)在加固前后场地同一地点附近进行取样,试样表面对10 m以上浅部软土层土的力学性质得到改善,加固效果明显。10 m以下土层,并无明显变化,加固影响深度与分层沉降得到的基本一致。

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