真空預(yù)壓法在天津市輕軌路基中的應(yīng)用

摘　要　結(jié)合天津輕軌工程實(shí)例,詳細(xì)介紹了真空預(yù)壓法處理軟土路基的施工技術(shù)。關(guān)鍵詞　真空預(yù)壓　塑料排水板
真空預(yù)壓排水固結(jié)法是以消除軟基有害變形, 改善軟基自身性能的加固處理方法。它通過(guò)插入軟土地基中的塑料排水板作為排水通道,與預(yù)先鋪設(shè)的砂墊層形成密封的排水體系,利用對(duì)被加固軟基抽真空形成的大氣壓差,作為預(yù)壓荷載,并通過(guò)塑料排水板傳至設(shè)計(jì)深度,使真空壓力沿深度基本呈矩形分布,不需要施加實(shí)體荷載,軟基在真空吸、擠壓共同作用下使軟土孔隙中微細(xì)水、氣泡排出,從而達(dá)到加速地基土固結(jié)沉降的目的。
1 　工程概況津?yàn)I快速軌道交通工程是天津市重點(diǎn)工程,西起天津市河西區(qū)中山門,延津塘公路經(jīng)過(guò)軍糧城、中心莊,東至塘沽區(qū)臨港橋,全長(zhǎng)45. 53 km 。其中DK47 + 981. 11～DK49 + 044. 40 段路基為典型海相沉積和早期吹填形成的軟土地基,軟土層厚達(dá)10 ～18 m , 軟土含水量大、密度小、壓縮性大、強(qiáng)度低, 且地下水對(duì)混凝土具有中等(硫酸鹽) 侵蝕性。設(shè)計(jì)要求路基工后沉降不大于30 cm 的要求。
2 　工程地質(zhì)條件該段路基位于濱海沖積平原上,地形平坦,表面為坑塘底部淤泥表層,下面為10～18 m 的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥及淤泥質(zhì)粘土軟土層。軟土由于形成時(shí)間較短,工程力學(xué)性質(zhì)極差,主要表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高等特性。土層由上到下依次為: ② 粘土層,為該工程線路段軟基自然脫水硬殼層,黃褐色或灰黃色,呈可塑～ 流塑狀態(tài),該層結(jié)構(gòu)不均勻,夾有粉砂薄層,土質(zhì)相對(duì)稍好,厚度約為5 m 。③ 淤泥質(zhì)粘土層,為粘土與粉砂交互沉積形成,亦稱帶狀粘土層,由于粉砂薄層及粉砂斑的存在,其滲透性相對(duì)較好,為灰褐色～ 灰色或灰黃色,呈流塑狀態(tài),含有機(jī)質(zhì)及碎貝殼,土質(zhì)軟而確變性比較敏感,厚度約為4. 5 m 。④ 淤泥層,灰褐色或灰色,呈流塑狀態(tài), 該土層粘粒含量高,土層以絮團(tuán)結(jié)構(gòu)為主,形成孔隙率高、孔隙小、土質(zhì)軟、強(qiáng)度低、滲透性小、壓縮性大, 該土層一般均處于自重壓力下未完全團(tuán)結(jié)狀態(tài),為軟基加固處理的控制層,厚度約為5. 5 m , 土質(zhì)較均勻,含有機(jī)質(zhì)。⑤ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層,灰褐色,呈流塑狀態(tài),局部夾粉砂薄層,夾碎貝殼,土質(zhì)相對(duì)較好, 滲透性能較好,厚度約為4 m 。⑥ 粉土,灰色、濕、密實(shí),含碎貝殼,土質(zhì)好,但觸變性比較敏感,厚度約為1 m 。各土層物理力學(xué)性質(zhì)參考指標(biāo)見(jiàn)表1 , 以此作為施工工藝設(shè)計(jì)及分析的參考值。
3 　設(shè)計(jì)及技術(shù)要求
根據(jù)該段軟土路基的工程特點(diǎn)及荷載大小、作用特點(diǎn),有以下技術(shù)要求:1)真空預(yù)壓荷載達(dá)90 kPa;

表1 　各土層力學(xué)性能指標(biāo)

2) 預(yù)壓加固固結(jié)度大于90 % , 連續(xù)5 天沉降速率小·
于1. 5 mmd-1,可停止抽真空卸載; 3) 預(yù)壓加固后消除軟基有害沉降,路基工后沉降不大于30 cm ; 4) 排水砂墊層采用級(jí)配良好的中～ 粗砂,其含泥量不大于5 % , 且不含有機(jī)質(zhì)、垃圾等; 5) 塑料排水板采用SPB -Ⅱ 型,執(zhí)行《塑料排水質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》。其施工平面位置偏差不大于10 cm , 豎直度不大于1 % , 回帶量應(yīng)小于0. 5 m , 當(dāng)回帶大于0. 5 時(shí),在旁及時(shí)補(bǔ)打。
4 　施工概況及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
4. 1 　施工操作要點(diǎn)
(1) 鋪設(shè)墊層:清理干凈地基表面的雜物,填筑70 cm 素土及30 cm 排水砂墊層,并碾壓密實(shí)。
(2) 塑料排水板的施工:根據(jù)飽和軟粘土特性, 設(shè)計(jì)排水板間距為1 m , 采取正三角形排列,平均打設(shè)深度為18 m 。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)塑料排水板布置范圍及間距,用木片準(zhǔn)確定出每個(gè)塑料排水板的打設(shè)位置, 排水板采用門架型插板機(jī)打設(shè),插板機(jī)基礎(chǔ)要設(shè)置穩(wěn)固,保證其平衡度滿足穩(wěn)定性要求。塑料排水板穿過(guò)空心套管,插打至設(shè)計(jì)位置,采用鐵質(zhì)靴頭。
(3) 板頭處理:當(dāng)套管打設(shè)至預(yù)定位置后,將塑料排水板剪斷,保證塑料排水板深入砂墊層至少25 cm , 并將其豎直地埋入砂墊層中。
(4) 真空預(yù)壓:塑料排水板全部打設(shè)完成并處理好板頭后,于加固范圍四周開(kāi)挖密封溝,密封溝開(kāi)挖完成后,人工整平場(chǎng)地,鋪設(shè)0. 2 cm 厚砂墊層,并于砂墊層內(nèi)布設(shè)真空管路。濾管采用<50 mm 波紋濾水管,外包一層無(wú)紡布濾膜,捆綁結(jié)實(shí),濾管交點(diǎn)處設(shè)三通或四通鋼管,鋼管與濾管間用膠管連接,并用鐵絲扎緊。將濾管埋入砂墊層,濾管通過(guò)管路出膜器與密封膜外的抽真空管路連接到真空泵上,真空泵用射流泵,于加固區(qū)各角點(diǎn)分別布設(shè)一臺(tái),加固區(qū)兩側(cè)邊緣位置每35 m 交錯(cuò)布置一臺(tái)。管路布設(shè)完成后,覆蓋三層聚乙烯閉氣薄膜,薄膜邊緣埋入密封溝內(nèi),溝內(nèi)用粘土回填夯實(shí),形成高出薄膜不小于20 cm 堵水圍堰,薄膜上覆蓋10～20 cm 水。膜上覆水應(yīng)在真空試抽,膜內(nèi)真空度達(dá)到90 kPa , 確信密封系統(tǒng)不存在問(wèn)題時(shí)方可進(jìn)行。停止預(yù)壓時(shí)地基的固結(jié)度應(yīng)大于90 % , 當(dāng)連續(xù)5 天不大于1. 5 mmd-1,即可停止抽氣。其施工方法見(jiàn)圖1 。
4. 2 　施工工藝流程清理原位地基→鋪設(shè)砂墊層(修筑預(yù)拱面)

圖1 　塑料排水板真空預(yù)壓施工斷面圖樁位放樣→機(jī)具定位(垂直度控制) →塑料板裝靴→ 打設(shè)套管→上拔套管→孔深檢查→剪斷塑料板→插板機(jī)移位→埋設(shè)塑料板頭→填寫施工記錄。
4. 3 　現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)為了更好的指導(dǎo)施工,驗(yàn)證軟基的加固效果,施工前在D K48 + 200 和D K48 + 8200 兩個(gè)斷面進(jìn)行觀測(cè),在這兩個(gè)觀測(cè)斷面的中心位置鉆探,進(jìn)行原狀土的各種物理力學(xué)指標(biāo)及真空試驗(yàn),并做十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn),真空預(yù)壓加固完成后在相近位置進(jìn)行相同試驗(yàn),并對(duì)加固前后物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。塑料排水板打完后,在上述兩個(gè)觀測(cè)斷面線路中心、坡腳位置埋設(shè)孔隙水壓力、分層沉降管,左側(cè)密封溝外埋設(shè)測(cè)斜管及水位管;于斷面線路中心、兩側(cè)路肩及坡腳位置膜面布設(shè)沉降板進(jìn)行沉降觀測(cè), 線路坡腳位置膜下設(shè)真空度儀(見(jiàn)圖2) 。

圖2 　測(cè)試儀器埋設(shè)位置圖

5 　加固效果分析
D K48 + 687. 40～D K49 + 044. 4 段軟土路基, 總加固面積為27896 m2 。7 月16 日開(kāi)始打設(shè)塑料排水板,8 月20 日開(kāi)始抽真空,膜下真空壓力一直穩(wěn)定在90 kPa 以上,預(yù)壓沉降穩(wěn)定而有規(guī)律的增長(zhǎng),到11 月20 日平均沉降速率均小于1. 5 mm。d-1,該段軟基表面平均沉降量最大為766 mm , 最小高,詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。為696 mm , 實(shí)際表面平均沉降量為724 mm 。
5. 1 　加固前后物理力學(xué)指標(biāo)變化從表2 中可以看出,加固后地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)均比加固前降低了許多,而土的容重和粘聚力則有很大的提高。
5. 2 　十字板強(qiáng)度變化從加固前后地基土的十字板強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果得

圖3 　加固前后地基土十字板強(qiáng)度變化曲線出,真空預(yù)壓后不同深度的土體強(qiáng)度均有很大的提1 -加固前土體十字板強(qiáng)度;加固后土體十字板強(qiáng)度

表2 　加固前后物力力學(xué)指標(biāo)變化表

5. 3 　表面沉降從圖4 可以看出,幾天真空度就上升到80 kPa 以上, 此后一直維持在80 kPa 以上, 最大達(dá)到90 kPa , 再加上膜面覆水,整個(gè)當(dāng)量加固荷載超過(guò)90 kPa 。距加固區(qū)邊緣的總沉降量相對(duì)較小,加固區(qū)中心的總沉降量相對(duì)較大。隨著真空預(yù)壓時(shí)間的增長(zhǎng),表面沉降量逐漸增大,在真空度上升階段,沉圖5 　分層沉降-時(shí)間關(guān)系曲線降速率變化較大,隨后沉降速率逐漸變緩。說(shuō)明真1 -0. 2～1 m 段沉降量; 2 -1～6 m 段沉降量;

空預(yù)壓階段,土體的固結(jié)變化速率是一個(gè)漸變收斂3 -6～10. 5 m 段沉降量; 4 -10. 5～15. 5 m 段沉降量; 過(guò)程。典型的沉降曲線如圖5 所示。5 -15. 5～19. 5 m 段沉降量; 6 -19. 5～20. 5 m 段沉降量 很快,說(shuō)明真空預(yù)壓的效果是明顯的,而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),其曲線的拐點(diǎn)在不斷下移,說(shuō)明土體加固的深度在不斷延伸,影響深度可以達(dá)到塑料排水板底部以下約2～3 m 處。
5. 5 　孔隙水壓力
從圖6 上看,各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力的消散度呈上圖4 　膜下真空壓力-地表沉降時(shí)程變化曲線升變化趨勢(shì),開(kāi)始孔隙水壓力消散較快,隨后消散速 1 -膜下真空度; 2 -線路中心處沉降量; 3 -左側(cè)坡腳處沉降量; 4 -右側(cè)坡腳處沉降量率逐漸較緩,預(yù)壓90 天時(shí),其各土層中的孔隙水壓
5. 4 　分層沉降力消散度均達(dá)到90 % 以上,說(shuō)明塑料排水板排水固
抽真空階段各土層的壓縮曲線的沉降速率變化結(jié)效果明顯。

圖6 　孔隙水壓力平均消散度-時(shí)間關(guān)系曲線1 -3. 5 m 深處傳感器; 2 -6 m 深處傳感器; 3 -8. 5 m 深處傳感器; 4 -11 m 深處傳感器; 5 -13. 5 m 深處傳感器; 6 -16 m 深處傳感器; 7 -18. 5 m 深處傳感器; 8 -21 m 深處傳感器
5. 6 　水平位移通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),由于測(cè)斜管埋設(shè)位置不同,其水平位移有所差異,埋在填土邊緣的測(cè)斜管其水平位移量要比埋在填土中間的大。從圖7 看水平位移最大位置在地面以下6～10. 5 m 的淤泥質(zhì)粘土層,典型的水平位移-深度過(guò)程曲線見(jiàn)圖7 。整個(gè)抽真空 過(guò)程中側(cè)向水平位移速率大多在 0. 5 ～ ·· 1. 8 mmd-1,最大水平位移速率為4. 5 mmd-1,停止抽真空后位移速率降為1 mm

圖7 　水平位移隨深度變化曲線

5. 7 　固結(jié)度真空預(yù)壓結(jié)束后該段路基實(shí)際表面平均總沉降量為724 mm , 根據(jù)實(shí)測(cè)沉降過(guò)程曲線推算最終沉降量為727 mm , 實(shí)際計(jì)算固結(jié)度為99. 6 % , 已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的固結(jié)度達(dá)90 % 以上。根據(jù)預(yù)壓前后相關(guān)試驗(yàn)計(jì)算出各土層的加固效果,具體數(shù)值如表3 所示。從表中可以看出,理論計(jì)算的沉降量和通過(guò)儀器實(shí)測(cè)沉降量基本接近。

表3 　軟基加固固結(jié)度分析表

6 　結(jié)　論
(1) 通過(guò)對(duì)檢測(cè)資料結(jié)果分析得出:加固范圍內(nèi)各土層固結(jié)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,加固前后各土層物理力學(xué)指標(biāo)有顯著提高,加固效果都很明顯,達(dá)到了預(yù)期目的。
(2) 利用真空預(yù)壓作為超載荷載,可以一次性在最早期加載,預(yù)壓時(shí)間長(zhǎng),而且荷載數(shù)值大大超過(guò)設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)荷載,使得路堤軟土地基壓縮層土層在預(yù)壓期內(nèi)(預(yù)壓期為3 個(gè)月) 完成95 % 以上的沉降,可以較好的解決軟土路基工后沉降過(guò)大的問(wèn)題。
(3) 側(cè)向位移量和位移速率與荷載大小有明顯的相關(guān)性,隨著預(yù)壓荷載的增加,位移量和位移速率逐漸增大,在達(dá)到預(yù)壓荷載后,位移量和位移速率顯著減小,與堆載預(yù)壓不同的是,隨著預(yù)壓荷載的增加,土體產(chǎn)生向內(nèi)的收縮變形,對(duì)路堤穩(wěn)定非常有利。 (4) 在工程造價(jià)方面,真空預(yù)壓法處理軟土路基比傳統(tǒng)的攪拌樁、碎石樁法等可節(jié)約45 %～50 % , 比較經(jīng)濟(jì)合理。

原作者：郭宏偉