1、1高真空强排水复合型动力固结法在铁路路基软基加固中的应用摘要:新建邯黄铁路沧州段穿过近海冲积平原，地质属含水超饱和的典型的粉质粘土和淤泥质黏土。强排水复合型动力固结法，是近年来在我国吹填海域正在小面积使用的一种新软基加固工法，一般用于加固冲积地质地层，即由粉细砂层或由粉细砂层和粘土层相间构成的软土地基。其处理方式是：采用网络状轻型井点强排水法和低能量动力固结法两种加固方法有机匹配和揉合的复合型工法，该法要对被加固土体骨架有效施加予力技术，按照予力作用原理给其软基土体骨架施加予力作用，即反复施加动应力和静应力于土体骨架上，加速土体的排水固结，从而促成饱和软粘土产生预变形预沉降，将使用荷载全部加上
2、去后可能产生的大部分总沉降量消除在加固处理过程中，使软弱地基土经处理后能更好地满足工程使用阶段的承载变形要求。 关键词软土地基；高真空强排水；复合型动力固结；铁路路基软基 Abstract: The new Han Huang railway Cangzhou paragraph cross inshore alluvial plain, geology is typical of water saturated silty clay and silty clay. Forced drainage complex dynamic consolidation method, is in our
3、country in recent years a reclamation area is small area using a new soft foundation strengthening method, generally used for reinforcement of 2alluvial geological formation, namely the silty sand fine sand layer and clay layer or by the alternate form of soft soil foundation. The processing method
4、is : the network light well point drainage method in high and low energy dynamic consolidation method in two kinds of strengthening methods of organic matching and a hybrid method, the method of reinforcing soil skeleton to be applied effectively Given-Force technology according to the principle, to
5、 force to the soft foundation soil framework applied to the force, i.e. repeated application of dynamic stress and static stress on the soil skeleton, accelerated soil drainage consolidation of saturated soft clay, thus contributing to the generation of pre deformation pre settlement, it will use al
6、l the load added may be produced after the majority of the total settlement of elimination in the reinforcement process, so that the weak foundation soil after treatment can meet better project using the phase of the bearing capacity and deformation requirements. Key words: soft soil; high vacuum dr
7、ainage dynamic consolidation strength; composite; soft roadbed of Railway 中图分类号：U416 1、工程概况 3新建邯郸（邢台）至黄骅港铁路工程第标段，线路位于河北省沧州市境内，线路起自赵庄跨京沪高速公路特大桥桥尾 DK254+973，止于港区矿石码头装车站 DK386+650，标段全长 130.05km，设 11 座车站，路基总长 105km，而需要加固处理的软弱地基共长 87km。沿线处于平原地带，地下水类型主要为空隙潜水，赋存于第四系松散堆积物中，含水层为砂类土、粉土和粉质黏土层。地下水主要接受大气降水及附近地表水
8、入渗补给，盐山以西水位埋深一般 1.02.0m，局部地段大于 3m；盐山以东水位埋深一般 1.0m 左右。水位变化幅度 1.02.0m。受地势控制，地下水径流方向自西南向东北，其排泄途径主要为人工开采灌溉、蒸发及经地表径流入海。自沧州往东地下水含盐量逐渐加大，并逐渐过渡成为咸水。 2 高真空强排水复合型动力固结法 2.1 工法原理 高真空强排水复合型动力固结法又称作高真空击密法，指的是采用高真空强降水联合低能量强夯方案，经过排水系统与动力加压系统共同组合完成的地基加固方法。在使用此法的时候，高真空强降水主要起着优化土体含水率与降低土体水位的作用，此外还能在土体中形成一种负压力，对土体的密实状态
9、有着很大的帮助；而动力固结加压系统则可以利用强夯的冲击能量产生应力波，从而将土体的原有结构破坏，造成局部的液化并发生裂隙，增加排水通道，使其孔隙水能够顺利流出，经反复强排水和施加予力、土体中所含裂隙水和孔隙水压消散之后，土体含水率逐步降低至土体压实所需最佳含水率后，微观上土体颗粒结构更加4紧密，宏观上土层便会逐步固结，以此实现地基承载力的提高，同时也降低了土体的压缩性。根据设计对地基承载力的要求，高真空强排水复合型动力固结法采用不同重量的冲击锤和不同功率的真空泵，有效加固深度在 610m 间，影响深度最大可达 20m 左右。高真空强排水复合型动力固结法的特点是：加固效果明显，施工的工艺简单，施
10、工周期比其它地基加固工艺较短，能让地基获取较高的承载力，并且有效降低地基的压缩性，较好的控制了地基的工后沉降。 2.2 主要固结设备及排水强夯原理 高真空强排水复合型动力固结法中的主要固结设备有以下几种：真空泵，主要起着制造真空的作用；离心泵，主要起着吸出土层中排出的水的作用；井点管、卧管，主要起着排水通道的作用；气水分离器，主要起着平衡的作用。随着科学技术的不断发展，目前我国的真空泵在不断改进之后，其真空度与抽气速率以及功率都有了很大的提高，使得改进之后的整体固结设备在降水功效上大大提高。 高真空强排水复合型动力固结法的排水原理主要为：真空泵通过自身叶轮不断高速旋转，从而产生一种十分高的真空
11、度，这就使得井点成为了一个真空环境，而井点周围逐步形成分级真空区；真空区通过向上向下扩展范围，加之真空泵的吸力作用，能强制性地将井点周围的地下水吸入井点系统中，再通过气水分离器的作用后，最后由离心泵排出，从而使得井点周围的水位下降。 高真空强排水复合型动力固结法的强夯原理主要为：在重级落锤的夯击下，相当大的势能瞬间转变成巨大动能使土体产生压缩变形，同5时由于土体的压密，引起相当高的超孔隙水压力和剪切裂缝变形，使夯点和未夯区域形成相当巨大的超孔隙水压力梯度，在土体变形影响下，孔隙水压力的穿击作用会形成很多密集的排水网系，增加了饱和土的渗透性，随着夯击能量的加大，孔隙水压力不断提高，当超孔隙水压力
12、达到饱和状态时（Umaxh）土体开始液化，孔隙水就沿着裂缝（或夹砂层）排出。反复夯击土体，反复进行上述变化，使土颗粒间距变小，密度加大，土体的强度参数粘聚力和内摩擦角增加，则土体抗剪强度得到提高。 2.3 工法具体作用机理 高真空强排水复合型动力固结法在地基中强行降低水位，从而消除强夯时的孔隙水压力，其主要有以下步骤： 2.3.1 当进行真空抽压时，众多井点管中逐渐形成负压，使得排水通道与土体内形成分级压力差，土体中孔隙水与裂隙水在这种作用下自由排出，土体颗粒周围孔隙与裂隙受到了压缩； 2.3.2 当排水量减小到一定程度后马上进行强夯，可根据不同的设计要求选用不同重量的夯锤。在强夯作用下，土体
13、中剩余水与部分空气在应力作用下重新分布，间接地打通了土体中部分孔隙水的排水通道，土体中水、气及土颗粒受力趋于均匀，也使得更快地压缩变形实现压密作用； 2.3.3 当该区域内地下水位降低，土体便从一种浮重度状态变为了湿重度状态，使得土颗粒间隙变小，土体在自重作用下加速固结； 2.3.4 通过真空吸力作用，便会产生一种负压，吸出土体中的封闭6气泡后，既改善了土体的渗透性，也排出了土体中多余的水、气，加速了土体的固结作用； 2.3.5 通过反复多次的降水与强夯共同作用，促进孔隙水的压力快速消散，从而提高了工作的效率。 3 铁路路基软基加固中的应用探析 3.1 应用前景 针对铁路路基基底加固的技术要求
14、及其在长期运营期间的受力特点，采用高真空强排水复合型动力固结法加固路基基底，使地基加固深度在610m，地基承载力大于 150KPa，满足填土高度在 6m 以下的本标段铁路路基基底加固技术要求。而该法在加固期即使的路基基底整体承载力提升，整体压缩模量增至最大（该段土体含水率达到压实最佳含水率时压缩模量为 7.58MPa） ，有利于降低铁路路基工后沉降。在路基填筑完成,路基基底处于恒载作用下和运营期间列车动载的不断冲击作用下，使基底土体一直处于外加荷载作用下，土体中的自由粒子在长期脱水压固作用下逐步固结硬化，形成较稳固的路基基底，为铁路路基长期平稳运营奠定了基础。因此，该工法在铁路路基软基应用中前
15、景广阔。 3.2 加固段工程地质条件 地基土物理力学性质：经工程地质勘察，该段铁路路基地基土物理力学性质见表 1 所示： 表 1 地基土主要物理力学性质一览表 71.3.4.土层渗透系数： 经2、3-1、3-2 层土试样的室内渗透试验，测得其渗透系数见表 3 所示： 表 2 土层渗透系数试验成果表 通过对以上表中采用高真空强排水复合型动力固结法加固处理的地段土层物理力学等性能指标的分析，该段土层承载力低、渗透性较差，采用高真空强排水复合型动力固结法进行加固处理，通过反复在土层中制造分级真空、利用强夯冲击波及产生的水头差重新改善土层中的贯通排水孔道，尽可能多地排出土层中的孔隙水和裂隙水，使土层在
16、强夯作用和后期静载和动载作用下排水固结、达到设计要求的地基承载力和稳定性。 3.3 具体施工方法与过程 本文主要介绍了高真空强排水施工、低能量强夯施工以及施工质量的审查三个方面。 3.3.1 高真空强排水施工 3.3.1.1 在排水明沟的内侧部分进行小区外围的封闭管的布置，在具体的操作中，应保证两者相互贯通，而且外围封闭管间的井点管间距最好为 2m，井点管与小区边线之间的距离一般为 45m 为宜。 3.3.1.2 首次降水：一般而言，降水所用的是 3m 左右的浅管，其滤头的长度大约为 1.5m，而井点卧管之间的间距为 3m 左右，井点管之间的8间距为 2m 左右。当降水的水位到了 2.5m 及
17、以下，应该采取三天内不间断的降水措施加以处理。完成了首次降水后，设备应及时拆除（除了外围封管） ，然后进行第一次强夯。 3.3.1.3 再次降水：当完成第一次强夯之后，应采用长短相间的井点管进行布置，短井点管长约 5m，长井点管长约 8m，井点之间的距离以及卧管间的距离皆为 4m。此次降水应该降至地面以下 5m 左右，并且要连续降水七天才行，这样以后才能进行第二次强夯处理。 3.3.1.4 第三次降水：此次降水的处理方式与再次降水相仿，采用的布置方式也为长短相间，并且井点管的长度，井点间距与卧管间距等都与再次降水中的一样。此外，第三次降水也是要求将水降至地面以下5m，并且要连续降水七天。只是，
18、在进行完了第二次强夯之后要及时降水，并确保地表水及时排出。 3.3.1.5 外围封管处理：井点的间距设为 2m，管长设置为 8m，然后在井点管的滤头处 1m 左右的地方进行灌粗砂处理。 3.3.2 低能量强夯施工 如前文中提到的，对于强夯而言，一般要进行三次，现简要阐述以下： 3.3.2.1 对夯锤的要求：夯锤的重量应达到 1010.5t 为最佳，锤底的直径约为 2.5m 左右，并且要有一定的出气孔。 3.3.2.2 第一次强夯：具体的施工中，相关的施工人员应该考虑垫路基箱的强夯处理，务必做好相关的安全措施处理，其夯击的能量应达到 500kN.m700kN.m，但一般应根据实际的情况来确定具体
19、的夯击能量，9夯击的次数一击即可。 3.3.2.3 第二次强夯：此次夯击的能量应该适当加大，其夯击的能量范围在 1200 kN.m1500 kN.m，但是也要根据实际的情况来确定具体的夯击能量，在操作的时候还应该采取搭接满夯的方式，搭接的尺寸不能低于夯锤直径的四分之一，第二次夯击的击数以 12 次为宜。 3.3.2.4 第三次强夯：此次夯击的能量一般在 1000 kN.m1200 kN.m 之间，但同样需要根据现场实际情况进行最终的夯击能量确定，也需要搭接满夯，搭接尺寸同样不能低于夯锤直径的四分之一，并且夯击的击数以 12 次为宜。 3.3.2.5 当每次夯击完毕之后，都需要用推土机将地表推平
20、，而且相关测量人员还需要计算夯厚度标高以及沉降量。 3.3.3 施工质量的检测 当地基处理完成后，相关的质检工作部门或人员应该及时做好质量审查工作。一般而言，可以通过标准贯入试验、静力触探试验以及荷载板试验等方式进行审查。本文主要介绍一下荷载板试验审查： 在本次地基处理完工后的审查上，如果采用的是荷载板试验方式进行审查，那么应该从以下步骤入手：1）布置两组平板载荷试验；2）对处理后的地基承载力进行测量；3）将测量结果与相关的质量审查标准进行对比分析，看是否符合标准要求。 一般而言，应该满足以下几个要求，才算达到合格与标准：1）地基加固有效深度一般应大于 812m；2）地基的承载力值应不小于15
21、0kPa；3）对于地基表层的 2m 内的回弹量而言，其模量不能低于1025MPa。 3.4 工后沉降监测 目前该段地基处理完成已 8 个月，后经检测完全满足设计及相关规范要求。现在其上部路基土方填筑也已填筑到 5m 高。对该段路基基底通过五种深度（分别为：1、基底顶面、顶面以下 1m、3m、5m、9m）处预埋沉降监测元件等设备，对该段路基基底沉降速率和总的沉降量的监测，到目前为止，平均沉降速率小于 0.5cm/月，总沉降量小于 2.5cm，完全满足铁路路基施工质量要求和后期运营质量要求。 4 结语 在铁路路基软弱地基处理中，以往有普通的强夯工法、堆载预压兼砂井排水法、复合地基加固法，都因为或者加固深度有限、或者工期太长且工后沉降无法预测、或者工程造价高等在技术、经济比较上不如高真空强排水复合型动力固结法。而高真空强排水复合型动力固结法能够克服上述各工法的不足，在较短的工期内，能有效加固足够深的软弱地基，且工程造价不太高，不仅可以提高工程项目的建设速度，同时也能保障工程的质量，最重要的是在短时间内将软弱地基的沉降预先降到最小，在很大程度上降低了一工程的工后沉降，为铁路后期运营期间的整体质量及运营安全奠定了坚实的基础。 参考文献： 1 王学刚.吹填土路基处理方案智能化决策及工程应用研究D.中国地质大学(武汉),2010.
