天津铁路集装箱中心站吹填土真空预压处理设计与试验

崔俊杰，韩志霞，余学鹏，刘 浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

天津铁路集装箱中心站吹填土真空预压处理设计与试验

崔俊杰，韩志霞，余学鹏，刘 浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

基于天津新港北铁路集装箱中心站工程，并结合场地状况，对地基处理方案进行研究和比选，选择真空-堆载联合预压法作为地基处理方案。探讨增压防堵真空预压方法和常规真空预压方法、直排式真空预压方法的区别，介绍增压防堵真空预压设计与质量验收要求，并明确设计中相关问题的处理方法。详细论述增压防堵真空预压的监测和检测内容，以及试验段情况。通过试验段的对比试验，验证了采用增压防堵真空预压作为吹填土地基处理方案的正确性。

地基处理；吹填土；增压防堵真空预压；十字板剪切强度；静力触探

1 工程概况

天津新港北铁路集装箱中心站位于天津港东疆港区内新港八号路与海铁大道之间,根据地形特点,新建集装箱到发场与装卸场自北向南呈横列式布置,集装箱装卸场装卸线采用贯通式布置,空箱区、特种箱区等辅箱区位于装卸区南侧与其呈横列式布置,箱区周围设环行道路；综合办公区位于辅箱场东南侧,待洗箱区与其他辅箱区位于门区两侧呈纵列式布置,社会停车场位于门区东侧。

根据工程规划,北侧集装箱到发场、最南侧1股装卸线及箱区等工程先期实施,位于场地中间的其余装卸线及装卸区预留至远期实施(图1)。

2 场地工程地质条件

2.1 工程地质概况

天津新港北铁路集装箱中心站先期实施工程总面积约70万m2,其中北侧到发场24.7万m2,南侧装卸线及箱区约45万m2。场区所在位置原为滨海滩涂区,勘察期间刚完成围海吹填造陆。

场地内地层自上而下主要为第四系全新统人工堆积层(Q4ml)、冲积层(Q4al)、海相沉积层(Q4m)、冲海积层()；第四系上更新统冲海积层()。土样基本特性统计见表1。

表1 土样基本特性统计

地表水为填海区尚未排泄完海水；地下水为第四系孔隙潜水,埋深0.3～0.6 m,由大气降水补给,水位变化幅度1～2 m。地下水在化学环境下对混凝土结构具硫酸盐侵蚀性,环境作用等级H2；具镁盐侵蚀性,环境作用等级H1；在氯盐环境下,氯离子环境作用等级L3。

2.2 吹填土物理力学性质

场地内广泛分布的深厚层冲填土,是本工程地基处理的主要地层。冲填土又名吹填土,是围海造陆时,用挖泥船和泥浆泵把海湾、港口底部的泥砂经水力吹填而形成的沉积土。

在吹填过程中,泥沙结构遭到破坏,不同颗粒受水力影响缓慢沉积。因而,吹填土的物质组成及工程性质不均一,时间因素对其工程地质特性影响较大。吹填土一般具有含水量高、孔隙比大、承载能力低、高灵敏度、高压缩性等工程特性。

受当地吹填土来源的影响,天津港区的吹填土主要以淤泥质土为主,颗粒细,以黏粒为主,黏粒含量占50%以上［1 3]。

2.2.1 物理性质

(1)粒度特征:天津港区吹填土以粉、黏粒为主,粒径0.3～0.1 mm,占总质量的1.5%；粒径0.1～0.05 mm,占总质量的9.7%；粒径0.05～0.01 mm,占总质量的28.2%；粒径0.01～0.001 mm,占总质量的29.1%；粒径小于0.001 mm,占总质量的22.6%。

(2)矿物成分:天津港区吹填土中黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层,其中伊利石占黏土矿物总量的35%～37%；伊蒙混层占黏土矿物总量的42%～45%。

(3)物理化学性质:天津港区吹填土的化学成分以SiO2为主,占50%左右；Al2O3次之,约占14%。

(4)其他物理性质统计如表1所示。

2.2.2 力学性质

天津东疆港区新吹填土的压缩系数a1-2为0.54～1.46 MPa-1,压缩模量Es1-2为1.87～3.93 MPa,属于高压缩性土；固结不排水快剪强度为c=6.0～9.0 kPa, φ=1.8°～2.2°；三轴快剪强度为c=11.0～26.0 kPa, φ=0.8°～2.2°；多桥静探锥头阻力0.30～0.44 MPa,侧阻力4.2～15.6 kPa。

3 地基处理方案研究

3.1 工程功能分区与荷载特征

本场地按照工程的使用功能,可分为铁路到发区、铁路装卸区、集装箱区以及件杂货堆场四大区域。其中集装箱区可细分为:道路、重箱区、空箱区、辅助箱区、检验区、清洗区、停车区等；铁路装卸区、件杂货堆场又可细分为道路、堆场等。

铁路到发区的正线按I级重载铁路设计,其余线路及装卸区的装卸线、机走线等按站线设计。铁路正线、站线的荷载可按《铁路路基设计规范》(TB10001―2005)的相关规定换算设计土柱高度及宽度。

铁路装卸区、集装箱区以及件杂货堆场等其他功能区由于其运输车辆、装卸机械以及各种集装箱尺寸、质量的差异,其设计荷载差别很大,经分析研究,各功能区应考虑的荷载类型及控制荷载如表2所示。

表2 各功能区的荷载类型及控制荷载

3.2 铺面类型选择与沉降控制标准确定

除铁路到发区的正线、到发线以及装卸区的装卸线、机走线等按其相应的铁路等级选择沉降控制标准外,本工程场区内的其他道路、箱区和堆场的铺面种类的选取、沉降控制标准的确定,要综合本工程装卸作业的特点、各功能区对铺面的要求、陆域形成方式与地基处理方法等进行研究与技术经济比较后确定。

本工程的场地全部为吹填造陆形成,吹填土以深厚的淤泥层为主,地基处理难度极大,影响地基工后沉降和不均匀沉降的因素多而复杂；地基处理的投资巨大,沉降控制标准直接影响工程的总投资。而且,流动机械荷载作用频率、碾压范围不均匀,对地基的长期稳定和沉降也有较大的影响。

根据对天津港区其他工程的调研结果,可以选择的铺面类型主要有水泥混凝土铺面和联锁块铺面两种类型。

水泥混凝土铺面对地基要求较高,地基的不均匀沉降会引起水泥板的断裂,而且维修困难。而采用联锁块铺面,虽然也存在坑洼、隆起等局部破坏现象,但是维护方便,造价低,基本不影响正常的生产运营。而且,也可在地基沉降稳定后,铺筑水泥混凝土大板,从整个工程寿命周期看,更具有经济合理性。所以根据本工程的实际情况,设计选择联锁块作为场地内道路、箱区、停车场等场地的铺面结构。

联锁块铺面设计使用年限一般取20年,根据《港口道路、堆场铺面设计与施工规范》的相关要求,其工后沉降控制标准确定为50 cm。

3.3 地基处理方案选择

目前常用的吹填土地基处理方法主要有排水固结和复合地基法。排水固结法主要包括堆载预压、真空预压和真空-堆载联合预压；复合地基法主要包括碎石桩、搅拌桩、旋喷桩等。另外,根据吹填土的性质,兼有排水固结和置换作用的强夯、强夯置换以及高真空击密等也是常用的处理方法。

吹填土地基处理方法的选择,主要应考虑因素包括土的颗粒组成、沉降控制标准以及施工条件等。

吹填土的颗粒组成主要受料源以及吹填工艺影响。料源以海砂为主的吹填土,其颗粒较粗；料源以淤泥为主的吹填土,其颗粒较细。同时,吹填土颗粒粗细的分布,与其距吹填管口的距离远近有关。一般位于吹填管口附近的吹填土,颗粒较粗,含砂量较多,透水性较好,工程性质相对稍好；位于回水区的吹填土,含黏土颗粒多,含水量大,水分难以排出,土体形成初期呈流动状态,经自然排干、蒸发后,表面形成龟裂,但下部仍然处于流塑状态,稍加扰动,即会出现触变现象,工程性质很差。

本工程场地的吹填土料源主要为天津近海的第四系陆海相沉积的淤泥、淤泥质黏土,不适用强夯、强夯置换以及高真空击密等兼有排水固结和置换作用的处理方法；同时,吹填造陆工程刚完成,地基以高含水量的淤泥为主,碎石桩、搅拌桩、旋喷桩等复合地基法不具备施工条件、存在安全隐患且造价过高。因而,本工程地基处理方案研究以堆载预压、真空预压和真空-堆载联合预压法为主。经堆载预压、真空预压以及真空-堆载联合预压等多方案的技术经济比选,设计选择真空-堆载联合预压法作为本工程的地基处理方法。

4 增压防淤堵真空预压设计

4.1 增压防淤堵真空预压技术简介

4.1.1 常规真空预压

常规真空预压加固吹填土地基,首先在需加固的吹填土地基表面铺设一层砂垫层,作为水平排水通道；然后打设塑料排水板,作为竖向排水通道；再在砂垫层顶部铺设密封膜,利用真空泵进行抽气,形成真空度,从而使土体中的孔隙水通过竖向和水平排水通道被排出,进而使土体达到固结。

4.1.2 直排式真空预压

直排式真空预压法与常规真空预压法的主要区别是:取消水平向排水砂垫层,把竖向塑料排水板与真空排水管网直接密闭相连,减少真空荷载传递过程中的沿程损失,提高真空荷载的利用能效,可提高加固质量、缩短工期、降低造价［4- 6]。

4.1.3 增压防堵真空预压

增压防堵真空预压法［7- 11]也是在常规真空预压法基础上发展而来,增压防堵真空预压加固断面如图2所示。增压时,增压管内为外部施加正压,而塑料排水板内为真空形成的负压,因此塑料排水板和增压管之间会产生压力差。导致自由水在压差作用下产生向排水板的定向流动,进而使土体的有效应力增加,土体加速固结。常规真空预压法、直排式真空预压法和增压防堵真空预压法的区别如表3所示。

图2 增压防堵真空预压加固断面

表3 不同真空预压方法的区别

从表3可知,与常规真空预压法相比,直排式真空预压法和增压防堵真空预压法都对常规真空预压做了改进,取消了水平砂垫层能有效降低工程造价,更符合环保的要求,同时加固后的效果较常规真空预压加固后效果更好。但增压防堵真空预压较直排式真空预压更具优势,主要表现如下。

(1)直排式真空预压法采用普通的FDPS塑料排水板,而增压防堵真空预压法采用防淤堵无纺布滤膜PDPS整体式排水板,而防淤堵无纺布滤膜PDPS整体式排水板在材料和孔径上板较普通的FDPS塑料排水板防淤堵效果更好,特别适用于有机质含量高的吹填土地基。

(2)增压防堵真空预压法用手型接头和钢丝软管替代水平排水系统,可使真空压力基本无衰减地传递到软土地基的排水板中,加速土体固结。

(3)增压防堵真空预压法还增加了加速表层吹填土固结的增压系统。

综上所述,天津新港北铁路集装箱中心站站场地基加固采用增压防堵真空预压法。

4.2 增压防堵真空预压设计与质量验收要求

4.2.1 增压防堵真空预压设计

其一，地域文化广泛存在。早在先秦时期，中国就已经形成了诸多具有鲜明特征的地域文化，如以今之陕西为中心的秦文化、以今之山西为中心的晋文化、以今之山东为中心的齐鲁文化、以今之四川为中心的巴蜀文化、以今之湖南、湖北为中心的楚文化和以今之浙江、福建为中心的吴越文化等。这些地域文化一直承传、发展到今天并还发生着重大影响。

在原地面铺竹排、荆笆、土工格栅和编织土工布,上填0.5 m素土作为工作垫层,插塑料排水板13～ 22 m,插塑料板应打穿冲填土层和其下的淤泥质土层,并进入下层粉土或粉质黏土深度不小于0.5 m；塑料排水板采用等边三角形布置,间距0.9 m,塑料排水板通过手型接头及三通接入真空管网系统；增压管深4 m,矩形布置,增压管下部需布设排水板,增压管通过三通接入增压系统；于真空管网及增压管网合适位置设置主管,分别与真空泵、增压泵相连接,真空泵数量控制在900～1 100 m21台；管网顶面依次铺设1层编织土工布、1层无纺土工布、2层PVC真空膜、1层无纺土工布和1层编织土工布；预压2个月后填筑素土进行联合堆载预压,联合预压时间1～2个月,膜下真空度不小于80 kPa。

4.2.2 质量验收要求

(1)卸荷验收:连续4昼夜实测地面沉降速率小于2 mm/d,同时地基固结度不小于90%时,经验收合格后,可终止预压。

(2)预压后地基应进行原位测试和土工试验以检验地基加固效果,试验方法和要求执行相关铁路行业规范和标准。

4.3 地基处理设计中相关问题的处理

4.3.1 场地设计与地基处理高程的确定

天津新港北铁路集装箱中心站的设计高程,不能仅按《铁路路基设计规范》(TB10001―2005)的要求执行,必须符合天津港区的整体规划,并与周边道路、堆场的高程相协调。

根据现行《铁路路基设计规范》(TB10001―2005)的有关规定,根据1963～1999年实测资料统计,历年最高潮位为4.81 m,以此作为设计高潮水位。根据天津港区整体规划,新港北站及其周边区域,由南至北分别为码头堆场区、铁路换装场、保税港物流加工区、岛前服务区,高程设计方案为由南至北逐渐抬高。从规划情况看新港北站铁路路肩高程应设计为5.3～5.5 m。

另外,从相邻新港八号路、海铁大道以及太平洋国际堆场铺面实测高程看,为确保铁路路基正常运营,新港北站铁路路肩高程应不低于周边道路、堆场高程,不宜低于5.3～5.5 m。

综合以上3方面考虑,新港北站站内按正线路基面高程5.58 m设计,考虑设置排水横坡,相应到发场路基面高程5.43～5.58 m。集装箱及道路的路面高程与铁路线路的轨面高程相协调,并考虑纵横向排水需要设计。考虑铁路路基基床结构、铺面下垫层及路床结构以及真空预压施工垫层设置等因素,天津新港北集装箱中心站地基处理的交地高程确定为4.30 m。

4.3.2 邻近道路与管线的预压边界处理

场地北侧局部预压边界外存在液化气管线、市政排水管路；局部段落地表杂填土中含有砖石等建筑垃圾存在漏气可能,影响真空预压效果。为解决上述问题,在真空预压的部分边界设置泥浆帷幕桩。泥浆帷幕桩布置和搭接示意如图3所示。泥浆帷幕桩采用双搅头深层搅拌机,搅头为2个直径为70 cm的搅刀,彼此搭接18.8 cm,施搅时可形成宽120 cm长70 cm的“8”字形,每根桩彼此搭接20 cm。泥浆帷幕桩底要求深入吹填土下黏性土层内不小于1.0 m。

图3 泥浆帷幕桩平面布置和搭接示意（单位：m)

5 增压防堵真空预压的监测和检测

5.1 增压防堵真空预压监测和检测内容

为全面反映增压防堵真空预压施工质量及加固效果,在加固区布置多项监测和检测项目,主要内容如下［12]。

(1)增压防堵真空预压的监测

监测地表沉降、孔隙水压力、水平位移、地下水位、膜下真空度等,并对真空预压全过程进行跟踪监测。

(2)增压防堵真空预压的检测

加固前后钻孔取样,进行室内土工试验,以获取土样的相关物理、力学性能指标。预压前后地基进行原位测试,原位测试包括:载荷试验、静力触探、十字板强度试验。

5.2 监测频率

(1)膜下真空压力:2～4 h观测1次；

(2)孔隙水压力、地表沉降在加载前10 d每1 d观测1次,10 d以后每2～4 d观测1次；

(3)其余监控项目在加载前10 d每1～2 d观测1次,10 d以后每3～5 d观测1次；

(4)加固区周围有建筑物和地下管线或采用真空联合堆载预压时对侧向位移加密观测；

(5)出现异样情况时加密观测。

6 现场试验段设计及监测分析

6.1 试验段设计

直排式真空预压法和增压防堵真空预压法都是在常规真空预压方法基础上发展而来,直排式真空预压方法和常规真空预压方法的对比研究表明:直排式真空预压较常规真空预压优势明显。因此,现场试验段特考虑直排式真空预压和增压防堵真空预压进行对比试验研究。试验段的主要设计参数如表4所示。

表4 试验区主要设计参数

6.2 试验段监测分析

6.2.1 吹填土竖向变形分析

(1)地表沉降分析

经直排式真空预压法和增压防堵真空预压法加固后的试验区地表沉降汇总如表5所示。

表5 试验区地表沉降实测汇总

从表5可以看出:采用增压防堵真空预压和直排式真空预压加固后的吹填土都产生了很大的沉降,增压防堵真空预压加固后的沉降较采用直排式真空预压加固的地表沉降大66 mm。

(2)分层沉降分析

试验1区和2区的深层分层沉降变化如图4所示。从图4可以看出,增压防堵真空预压加固后表层的土层压缩率大于直排式真空预压；在中间位置,直排式加固后土层的压缩率大于增压防堵真空预压加固后的土层；在深部位置二者相差不大。

6.2.2 加固效果分析

(1)加固前后土性变化

图4 真空预压加固后土层压缩率对比

采用增压防堵真空预压加固后,土层含水量下降了19.1%～30.1%、孔隙比降低了14.0%～28.0%、液性指数降低了23.9%～40.2%；而直排式真空预压加固后的土层分别下降了10.8%～24.3%、10.4%～ 23.3%和20.2%～40.4%；增压防堵真空预压加固后土层压缩模量提高了13.0%～67.6%,黏聚力分别提高了2.3～3.1 kPa,而直排式真空预压加固后土层的压缩模量提高了15.0%～58.1%,黏聚力改善效果并不明显。

(2)十字板剪切试验

试验区加固前后十字板剪切强度对比如表6所示。通过表6可得,采用增压防堵真空预压和直排式真空预压加固后,土层的抗剪强度均有所提高。

表6 加固前后十字板剪切强度对比

(3)静力触探试验

根据加固前后的静力触探试验结果,得试验区加固前后静力触探对比结果,如图5、图6所示。由图5和图6可知,预压区各土层的侧摩阻力和端阻力均有一定程度提高。

7 结语

结合场地工程地质条件,对吹填土地基处理方案进行研究和比选,并介绍了几种真空预压方法的区别和加固效果差异,明确了增压防堵真空预压的质量验收要求,以及设计中相关问题的处理方法。详细论述增压防堵真空预压的监测和检测内容,以及试验段的研究情况。

图5 加固前后静力触探侧摩阻力变化对比曲线

图6 加固前后静力触探端阻力变化对比曲线

通过试验段的对比试验可知:增压防堵真空预压采用手型接头将排水板和钢丝软管相连替代中粗砂垫层,提高了排水板内真空强度和真空作用能效,且更符合环保的要求；在预压期内,增压防堵真空预压和直排式真空预压都使吹填土产生了较大沉降,增压防堵真空预压在相同工期内固结速率更快；在土体物理力学指标的改善上,增压防堵真空预压和直排式都取得了显著的效果,进一步验证了采用增压防堵真空预压作为吹填土地基处理方案的正确性。

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Design and ExPeriment of Dredger-Fill Ground Treatment by Vacuum Preloading Technology for Tianjin Railway Container Center Station

CUI Jun-jie,HAN Zhi-xia,YU Xue-peng,LIU Hao
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

This study was based on the project of Tianjin Xingang north railway container center station. In combination with the geological conditions and after research and comparison on several ground treatment schemes,this study proposed that the vacuum-surcharge combined preloading technology should be selected and used as the ground treatment scheme.And then this study analyzed the differences among the anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading method,the traditional vacuum preloading method,and the direct-discharge vacuum preloading method.Furthermore,this study described the design standard and quality acceptance standard when using anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading technology；and illustrated how to deal with the relevant issues in design.In addition,this study expounded how to monitor and inspect when using anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading technology；and how to design and monitor the experimental section.Finally,by means of comparative experiment in the experimental section,the correctness of using the anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading technology as the dredger-fill ground treatment scheme was verified. Key words:ground treatment；dredger fill；anti-clogging and pressure-boosted vacuum preloading；vane shear strength；static sounding

TU433

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.003

1004-2954(2014)07-0009-06

2013-08-08；

2013-11-01

崔俊杰(1970―),男,教授级高级工程师,1993年毕业于北方交通大学,工程硕士。