真空预压法在天津市轻轨路基中的应用

　

真空预压法在天津市轻轨路基中的应用

摘　要　结合天津轻轨工程实例,详细介绍了真空预压法处理软土路基的施工技术。关键词　真空预压　塑料排水板
真空预压排水固结法是以消除软基有害变形, 改善软基自身性能的加固处理方法。它通过插入软土地基中的塑料排水板作为排水通道,与预先铺设的砂垫层形成密封的排水体系,利用对被加固软基抽真空形成的大气压差,作为预压荷载,并通过塑料排水板传至设计深度,使真空压力沿深度基本呈矩形分布,不需要施加实体荷载,软基在真空吸、挤压共同作用下使软土孔隙中微细水、气泡排出,从而达到加速地基土固结沉降的目的。
1 　工程概况津滨快速轨道交通工程是天津市重点工程,西起天津市河西区中山门,延津塘公路经过军粮城、中心庄,东至塘沽区临港桥,全长45. 53 km 。其中DK47 + 981. 11～DK49 + 044. 40 段路基为典型海相沉积和早期吹填形成的软土地基,软土层厚达10 ～18 m , 软土含水量大、密度小、压缩性大、强度低, 且地下水对混凝土具有中等(硫酸盐) 侵蚀性。设计要求路基工后沉降不大于30 cm 的要求。
2 　工程地质条件该段路基位于滨海冲积平原上,地形平坦,表面为坑塘底部淤泥表层,下面为10～18 m 的淤泥质粉质粘土、淤泥及淤泥质粘土软土层。软土由于形成时间较短,工程力学性质极差,主要表现为抗剪强度低、压缩性高等特性。土层由上到下依次为: ② 粘土层,为该工程线路段软基自然脱水硬壳层,黄褐色或灰黄色,呈可塑～ 流塑状态,该层结构不均匀,夹有粉砂薄层,土质相对稍好,厚度约为5 m 。③ 淤泥质粘土层,为粘土与粉砂交互沉积形成,亦称带状粘土层,由于粉砂薄层及粉砂斑的存在,其渗透性相对较好,为灰褐色～ 灰色或灰黄色,呈流塑状态,含有机质及碎贝壳,土质软而确变性比较敏感,厚度约为4. 5 m 。④ 淤泥层,灰褐色或灰色,呈流塑状态, 该土层粘粒含量高,土层以絮团结构为主,形成孔隙率高、孔隙小、土质软、强度低、渗透性小、压缩性大, 该土层一般均处于自重压力下未完全团结状态,为软基加固处理的控制层,厚度约为5. 5 m , 土质较均匀,含有机质。⑤ 淤泥质粉质粘土层,灰褐色,呈流塑状态,局部夹粉砂薄层,夹碎贝壳,土质相对较好, 渗透性能较好,厚度约为4 m 。⑥ 粉土,灰色、湿、密实,含碎贝壳,土质好,但触变性比较敏感,厚度约为1 m 。各土层物理力学性质参考指标见表1 , 以此作为施工工艺设计及分析的参考值。
3 　设计及技术要求
根据该段软土路基的工程特点及荷载大小、作用特点,有以下技术要求:1)真空预压荷载达90 kPa;

表1 　各土层力学性能指标

2) 预压加固固结度大于90 % , 连续5 天沉降速率小·
于1. 5 mmd-1,可停止抽真空卸载; 3) 预压加固后消除软基有害沉降,路基工后沉降不大于30 cm ; 4) 排水砂垫层采用级配良好的中～ 粗砂,其含泥量不大于5 % , 且不含有机质、垃圾等; 5) 塑料排水板采用SPB -Ⅱ 型,执行《塑料排水质量检验标准》。其施工平面位置偏差不大于10 cm , 竖直度不大于1 % , 回带量应小于0. 5 m , 当回带大于0. 5 时,在旁及时补打。
4 　施工概况及现场监测
4. 1 　施工操作要点
(1) 铺设垫层:清理干净地基表面的杂物,填筑70 cm 素土及30 cm 排水砂垫层,并碾压密实。
(2) 塑料排水板的施工:根据饱和软粘土特性, 设计排水板间距为1 m , 采取正三角形排列,平均打设深度为18 m 。现场根据塑料排水板布置范围及间距,用木片准确定出每个塑料排水板的打设位置, 排水板采用门架型插板机打设,插板机基础要设置稳固,保证其平衡度满足稳定性要求。塑料排水板穿过空心套管,插打至设计位置,采用铁质靴头。
(3) 板头处理:当套管打设至预定位置后,将塑料排水板剪断,保证塑料排水板深入砂垫层至少25 cm , 并将其竖直地埋入砂垫层中。
(4) 真空预压:塑料排水板全部打设完成并处理好板头后,于加固范围四周开挖密封沟,密封沟开挖完成后,人工整平场地,铺设0. 2 cm 厚砂垫层,并于砂垫层内布设真空管路。滤管采用<50 mm 波纹滤水管,外包一层无纺布滤膜,捆绑结实,滤管交点处设三通或四通钢管,钢管与滤管间用胶管连接,并用铁丝扎紧。将滤管埋入砂垫层,滤管通过管路出膜器与密封膜外的抽真空管路连接到真空泵上,真空泵用射流泵,于加固区各角点分别布设一台,加固区两侧边缘位置每35 m 交错布置一台。管路布设完成后,覆盖三层聚乙烯闭气薄膜,薄膜边缘埋入密封沟内,沟内用粘土回填夯实,形成高出薄膜不小于20 cm 堵水围堰,薄膜上覆盖10～20 cm 水。膜上覆水应在真空试抽,膜内真空度达到90 kPa , 确信密封系统不存在问题时方可进行。停止预压时地基的固结度应大于90 % , 当连续5 天不大于1. 5 mmd-1,即可停止抽气。其施工方法见图1 。
4. 2 　施工工艺流程清理原位地基→铺设砂垫层(修筑预拱面)

图1 　塑料排水板真空预压施工断面图桩位放样→机具定位(垂直度控制) →塑料板装靴→ 打设套管→上拔套管→孔深检查→剪断塑料板→插板机移位→埋设塑料板头→填写施工记录。
4. 3 　现场施工监测为了更好的指导施工,验证软基的加固效果,施工前在D K48 + 200 和D K48 + 8200 两个断面进行观测,在这两个观测断面的中心位置钻探,进行原状土的各种物理力学指标及真空试验,并做十字板剪切强度试验,真空预压加固完成后在相近位置进行相同试验,并对加固前后物理力学指标进行对比分析。塑料排水板打完后,在上述两个观测断面线路中心、坡脚位置埋设孔隙水压力、分层沉降管,左侧密封沟外埋设测斜管及水位管;于断面线路中心、两侧路肩及坡脚位置膜面布设沉降板进行沉降观测, 线路坡脚位置膜下设真空度仪(见图2) 。

图2 　测试仪器埋设位置图

5 　加固效果分析
D K48 + 687. 40～D K49 + 044. 4 段软土路基, 总加固面积为27896 m2 。7 月16 日开始打设塑料排水板,8 月20 日开始抽真空,膜下真空压力一直稳定在90 kPa 以上,预压沉降稳定而有规律的增长,到11 月20 日平均沉降速率均小于1. 5 mm。d-1,该段软基表面平均沉降量最大为766 mm , 最小高,详细数据见图3。为696 mm , 实际表面平均沉降量为724 mm 。
5. 1 　加固前后物理力学指标变化从表2 中可以看出,加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均比加固前降低了许多,而土的容重和粘聚力则有很大的提高。
5. 2 　十字板强度变化从加固前后地基土的十字板强度试验结果得

图3 　加固前后地基土十字板强度变化曲线出,真空预压后不同深度的土体强度均有很大的提1 -加固前土体十字板强度;加固后土体十字板强度

表2 　加固前后物力力学指标变化表

5. 3 　表面沉降从图4 可以看出,几天真空度就上升到80 kPa 以上, 此后一直维持在80 kPa 以上, 最大达到90 kPa , 再加上膜面覆水,整个当量加固荷载超过90 kPa 。距加固区边缘的总沉降量相对较小,加固区中心的总沉降量相对较大。随着真空预压时间的增长,表面沉降量逐渐增大,在真空度上升阶段,沉图5 　分层沉降-时间关系曲线降速率变化较大,随后沉降速率逐渐变缓。说明真1 -0. 2～1 m 段沉降量; 2 -1～6 m 段沉降量;

空预压阶段,土体的固结变化速率是一个渐变收敛3 -6～10. 5 m 段沉降量; 4 -10. 5～15. 5 m 段沉降量; 过程。典型的沉降曲线如图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,说明真空预压的效果是明显的,而且随着时间的延长,其曲线的拐点在不断下移,说明土体加固的深度在不断延伸,影响深度可以达到塑料排水板底部以下约2～3 m 处。
5. 5 　孔隙水压力
从图6 上看,各测点孔隙水压力的消散度呈上图4 　膜下真空压力-地表沉降时程变化曲线升变化趋势,开始孔隙水压力消散较快,随后消散速 1 -膜下真空度; 2 -线路中心处沉降量; 3 -左侧坡脚处沉降量; 4 -右侧坡脚处沉降量率逐渐较缓,预压90 天时,其各土层中的孔隙水压
5. 4 　分层沉降力消散度均达到90 % 以上,说明塑料排水板排水固
抽真空阶段各土层的压缩曲线的沉降速率变化结效果明显。

图6 　孔隙水压力平均消散度-时间关系曲线1 -3. 5 m 深处传感器; 2 -6 m 深处传感器; 3 -8. 5 m 深处传感器; 4 -11 m 深处传感器; 5 -13. 5 m 深处传感器; 6 -16 m 深处传感器; 7 -18. 5 m 深处传感器; 8 -21 m 深处传感器
5. 6 　水平位移通过观测发现,由于测斜管埋设位置不同,其水平位移有所差异,埋在填土边缘的测斜管其水平位移量要比埋在填土中间的大。从图7 看水平位移最大位置在地面以下6～10. 5 m 的淤泥质粘土层,典型的水平位移-深度过程曲线见图7 。整个抽真空 过程中侧向水平位移速率大多在 0. 5 ～ ·· 1. 8 mmd-1,最大水平位移速率为4. 5 mmd-1,停止抽真空后位移速率降为1 mm

图7 　水平位移随深度变化曲线

5. 7 　固结度真空预压结束后该段路基实际表面平均总沉降量为724 mm , 根据实测沉降过程曲线推算最终沉降量为727 mm , 实际计算固结度为99. 6 % , 已经达到设计要求的固结度达90 % 以上。根据预压前后相关试验计算出各土层的加固效果,具体数值如表3 所示。从表中可以看出,理论计算的沉降量和通过仪器实测沉降量基本接近。

表3 　软基加固固结度分析表

6 　结　论
(1) 通过对检测资料结果分析得出:加固范围内各土层固结度均达到设计要求,加固前后各土层物理力学指标有显著提高,加固效果都很明显,达到了预期目的。
(2) 利用真空预压作为超载荷载,可以一次性在最早期加载,预压时间长,而且荷载数值大大超过设计运营荷载,使得路堤软土地基压缩层土层在预压期内(预压期为3 个月) 完成95 % 以上的沉降,可以较好的解决软土路基工后沉降过大的问题。
(3) 侧向位移量和位移速率与荷载大小有明显的相关性,随着预压荷载的增加,位移量和位移速率逐渐增大,在达到预压荷载后,位移量和位移速率显著减小,与堆载预压不同的是,随着预压荷载的增加,土体产生向内的收缩变形,对路堤稳定非常有利。 (4) 在工程造价方面,真空预压法处理软土路基比传统的搅拌桩、碎石桩法等可节约45 %～50 % , 比较经济合理。

原作者：郭宏伟