浅析铁路路基软基加固新技术的应用
2015-06-30
1、工程概况
新建邯郸（邢台）至黄骅港铁路工程第Ⅳ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入渗补给，附近西侧水位埋深一般1.0～2.0m，局部地段大于3m；以东水位埋深一般1.0m 左右。水位变化幅度1.0～2.0m。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6～10m 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，当超孔隙水压力达到饱和状态时（ΔUmax＝γh）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
针对铁路路基基底加固的技术要求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6～10m，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7.5～8MPa），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景广阔。
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。
