淺析鐵路路基軟基加固新技術(shù)的應(yīng)用
2015-06-30
1、工程概況
新建邯鄲（邢臺）至黃驊港鐵路工程第Ⅳ標(biāo)段，線路位于河北省滄州市境內(nèi)，線路起自趙莊跨京滬高速公路特大橋橋尾DK254+973，，止于港區(qū)礦石碼頭裝車站DK386+650，標(biāo)段全長130.05km，設(shè)11 座車站，路基總長105km，而需要加固處理的軟弱地基共長87km。沿線處于平原地帶，地下水類型主要為空隙潛水，賦存于第四系松散堆積物中，含水層為砂類土、粉土和粉質(zhì)黏土層。
地下水主要接受大氣降水及附近地表水入滲補(bǔ)給，附近西側(cè)水位埋深一般1.0～2.0m，局部地段大于3m；以東水位埋深一般1.0m 左右。水位變化幅度1.0～2.0m。受地勢控制，地下水徑流方向自西南向東北，其排泄途徑主要為人工開采灌溉、蒸發(fā)及經(jīng)地表徑流入海。自滄州往東地下水含鹽量逐漸加大，并逐漸過渡成為咸水。
2 高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法
2.1 工法原理
高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法又稱作高真空擊密法，指的是采用高真空強(qiáng)降水聯(lián)合低能量強(qiáng)夯方案，經(jīng)過排水系統(tǒng)與動力加壓系統(tǒng)共同組合完成的地基加固方法。在使用此法的時候，高真空強(qiáng)降水主要起著優(yōu)化土體含水率與降低土體水位的作用，此外還能在土體中形成一種負(fù)壓力，對土體的密實(shí)狀態(tài)有著很大的幫助；而動力固結(jié)加壓系統(tǒng)則可以利用強(qiáng)夯的沖擊能量產(chǎn)生應(yīng)力波，從而將土體的原有結(jié)構(gòu)破壞，造成局部的液化并發(fā)生裂隙，增加排水通道，使其孔隙水能夠順利流出，經(jīng)反復(fù)強(qiáng)排水和施加予力、土體中所含裂隙水和孔隙水壓消散之后，土體含水率逐步降低至土體壓實(shí)所需最佳含水率后，微觀上土體顆粒結(jié)構(gòu)更加緊密，宏觀上土層便會逐步固結(jié)，以此實(shí)現(xiàn)地基承載力的提高，同時也降低了土體的壓縮性。根據(jù)設(shè)計(jì)對地基承載力的要求，高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法采用不同重量的沖擊錘和不同功率的真空泵，有效加固深度在6～10m 間，影響深度最大可達(dá)20m 左右。
高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法的特點(diǎn)是：加固效果明顯，施工的工藝簡單，施工周期比其它地基加固工藝較短，能讓地基獲取較高的承載力，并且有效降低地基的壓縮性，較好的控制了地基的工后沉降。
2.2 主要固結(jié)設(shè)備及排水強(qiáng)夯原理高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法中的主要固結(jié)設(shè)備有以下幾種：真空泵，主要起著制造真空的作用；離心泵，主要起著吸出土層中排出的水的作用；井點(diǎn)管、臥管，主要起著排水通道的作用；氣水分離器，主要起著平衡的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前我國的真空泵在不斷改進(jìn)之后，其真空度與抽氣速率以及功率都有了很大的提高，使得改進(jìn)之后的整體固結(jié)設(shè)備在降水功效上大大提高。
高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法的排水原理主要為：真空泵通過自身葉輪不斷高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一種十分高的真空度，這就使得井點(diǎn)成為了一個真空環(huán)境，而井點(diǎn)周圍逐步形成分級真空區(qū)；真空區(qū)通過向上向下擴(kuò)展范圍，加之真空泵的吸力作用，能強(qiáng)制性地將井點(diǎn)周圍的地下水吸入井點(diǎn)系統(tǒng)中，再通過氣水分離器的作用后，最后由離心泵排出，從而使得井點(diǎn)周圍的水位下降。
高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法的強(qiáng)夯原理主要為：在重級落錘的夯擊下，相當(dāng)大的勢能瞬間轉(zhuǎn)變成巨大動能使土體產(chǎn)生壓縮變形，同時由于土體的壓密，引起相當(dāng)高的超孔隙水壓力和剪切裂縫變形，使夯點(diǎn)和未夯區(qū)域形成相當(dāng)巨大的超孔隙水壓力梯度，在土體變形影響下，孔隙水壓力的穿擊作用會形成很多密集的排水網(wǎng)系，增加了飽和土的滲透性，隨著夯擊能量的加大，孔隙水壓力不斷提高，當(dāng)超孔隙水壓力達(dá)到飽和狀態(tài)時（ΔUmax＝γh）土體開始液化，孔隙水就沿著裂縫（或夾砂層）排出。反復(fù)夯擊土體，反復(fù)進(jìn)行上述變化，使土顆粒間距變小，密度加大，土體的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角增加，則土體抗剪強(qiáng)度得到提高。
2.3 工法具體作用機(jī)理,高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法在地基中強(qiáng)行降低水位，從而消除強(qiáng)夯時的孔隙水壓力，其主要有以下步驟：
2.3.1 當(dāng)進(jìn)行真空抽壓時，眾多井點(diǎn)管中逐漸形成負(fù)壓，使得排水通道與土體內(nèi)形成分級壓力差，土體中孔隙水與裂隙水在這種作用下自由排出，土體顆粒周圍孔隙與裂隙受到了壓縮；
2.3.2 當(dāng)排水量減小到一定程度后馬上進(jìn)行強(qiáng)夯，可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求選用不同重量的夯錘。在強(qiáng)夯作用下，土體中剩余水與部分空氣在應(yīng)力作用下重新分布，間接地打通了土體中部分孔隙水的排水通道，土體中水、氣及土顆粒受力趨于均勻，也使得更快地壓縮變形實(shí)現(xiàn)壓密作用；
2.3.3 當(dāng)該區(qū)域內(nèi)地下水位降低，土體便從一種浮重度狀態(tài)變?yōu)榱藵裰囟葼顟B(tài)，使得土顆粒間隙變小，土體在自重作用下加速固結(jié)；
2.3.4 通過真空吸力作用，便會產(chǎn)生一種負(fù)壓，吸出土體中的封閉氣泡后，既改善了土體的滲透性，也排出了土體中多余的水、氣，加速了土體的固結(jié)作用；
2.3.5 通過反復(fù)多次的降水與強(qiáng)夯共同作用促進(jìn)孔隙水的壓力快速消散，從而提高了工作的效率。
3鐵路路基軟基加固中的應(yīng)用探析
針對鐵路路基基底加固的技術(shù)要求及其在長期運(yùn)營期間的受力特點(diǎn)，采用高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法加固路基基底，使地基加固深度在6～10m，地基承載力大于150KPa，滿足填土高度在6m 以下的本標(biāo)段鐵路路基基底加固技術(shù)要求。而該法在加固期即使的路基基底整體承載力提升，整體壓縮模量增至最大（該段土體含水率達(dá)到壓實(shí)最佳含水率時壓縮模量為7.5～8MPa），有利于降低鐵路路基工后沉降。在路基填筑完成,路基基底處于恒載作用下和運(yùn)營期間列車動載的不斷沖擊作用下，使基底土體一直處于外加荷載作用下，土體中的自由粒子在長期脫水壓固作用下逐步固結(jié)硬化，形成較穩(wěn)固的路基基底，為鐵路路基長期平穩(wěn)運(yùn)營奠定了基礎(chǔ)。因此，該工法在鐵路路基軟基應(yīng)用中前景廣闊。
4 結(jié)語
在鐵路路基軟弱地基處理中，以往有普通的強(qiáng)夯工法、堆載預(yù)壓兼砂井排水法、復(fù)合地基加固法，都因?yàn)榛蛘呒庸躺疃扔邢?、或者工期太長且工后沉降無法預(yù)測、或者工程造價高等在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較上不如高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法。而高真空強(qiáng)排水復(fù)合型動力固結(jié)法能夠克服上述各工法的不足，在較短的工期內(nèi)，能有效加固足夠深的軟弱地基，且工程造價不太高，不僅可以提高工程項(xiàng)目的建設(shè)速度，同時也能保障工程的質(zhì)量，最重要的是在短時間內(nèi)將軟弱地基的沉降預(yù)先降到最小，在很大程度上降低了一工程的工后沉降，為鐵路后期運(yùn)營期間的整體質(zhì)量及運(yùn)營安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
