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泡沫轻质土结构在受限铁路软土基坑工程中的应用

375 2020-06-22 10:54:02

1、概述

    近年来,随着我国铁路和城市建设的快速发展, 铁路同周边配套工程的衔接越来越紧密。在受限软土地区, 软土基坑的处理越来越常见。软土具有天然含水量大、 压缩性高、 承载力低和抗剪强度低的特点。对于常规基坑软基处理工程,国内学者王振忠等 对常规的搅拌桩、 旋喷桩、 碎石桩、 CFG 桩、 桩板结构等复合软土地基加固做了大量的分析研究。但在常规填料对进厂困难和周边环境要求较为严格的情况下,常规的地基加固形式具有工程造价高、 施工周期长,常规填料对进厂困难和对周边环境影响较大等缺点。由此泡沫轻质土结构应运而生。刘志岳等依托沪珠三角地区高速公路软基工点, 得出了泡沫轻质土结构具有可以快速高效、 稳定可靠地提高路基的稳定性并能有效降低工后沉降的优点。吴蔚等依托潜江至石首高速公路桥台填料填充泡沫轻质土结构, 通过有限元分析得出其工程措施可以有效的解决降低差异沉降的优点。
    综上所述泡沫轻质土结构具有机械化程度高, 施工速度快、 环保性能好、 综合造价合理等优点, 泡沫轻质土结构在铁路软土基坑处理中, 较其他一般复合地基加固形式有着无法比拟的技术优势。


2、泡沫轻质土应用概况

二十世纪七八十年代, 日本开始将泡沫轻质土应用于替代填土的工程领域。1987 年日本在横滨市内的公路桥维修中,首次将泡沫轻质土作为填充材料使用,次年作为道路工程的填土材料使用。我国于 2002 年引进并发展了泡
沫轻质土技术。目前,在国内北京、 广州、 河北、 天津和上海等地应用较多, 应用于道路改扩建工程、 桥头路基台背填筑、 陡峭路段填筑、 地下结构减荷、 基坑及地下管道回填、 采空区填充、 工程抢修与抢险等领域。2008 年 11 月, 广州大学联合其他单位共同编制完成了 CECS 249—2008 现浇泡沫轻质土技术规程; 2011 年天津市政院联合其他单位共同编制完成了 TJGF 1001—2011现浇泡沫轻质土路基设计与施工技术规程, 并于 2011 年
11 月 1 日颁布实施。

3、项目概况

3.1、断面布置形式

    本工程位于沿海地区的某铁路车站站场改造工程, 其改造区段新建路基面宽度为25m~70m, 路基面顶部设置站场铁路股道,顶面以下根据功能区需求设置固定结构物,固定结构物一般为出租车通道。结构物同路基面顶面高差为5.5m,如图1所示。

3.2、区域地质概述
项目区地基主要以粉土、 粉砂、 淤泥质粉质黏土、 淤泥质黏土为主、 土层层位较为稳定, 工点范围内软土发育, 地下水位高。基坑开挖底部以下为松软土, 各层土体的物理指标较低,需对基坑底部地基进行处理。根据土工试验,其软土区段地层主要为流塑状的淤泥质粉质黏土和软塑粉质黏土, 两层土体的压缩模量分别为2.7 MPa 和 3.1 MPa,天然含水量 ω0 平均值分别为 40.2%和 40.6% ,天然孔隙比分别为 1.14 和 1.15。属于孔隙率和含水率高的高压缩性软土。其土体具有抗剪能力差, 含水量高,压缩性高和透水性差等特点。


3.3、各岩土层岩土参数建议值
各层岩土厚度自上而下的岩土参数建议值如表1所示。地下水类型为第四系孔隙潜水, 埋深 1. 0 m ~ 3. 2 m,主要由大气降水和地下径流补给, 地下水的排泄主要通过潜流、 蒸发两种形式排泄。地下水对混凝土结构不具侵蚀性。

4、软土基坑处理方案

由于线路顶部为有砟轨道, 且为站内路基, 则按相关规定,其沉降不大于 3 cm。


4.1、钻孔桩深层处理方案
4.1.1、工程措施
    基坑底部采用桩板结构, 底部以上填筑常规填料。本工程实例采用埋入式桩板结构, 其中桩和板梁均采用 C35钢筋混凝土浇筑。桩身采用钻孔灌注桩, 桩长穿透粉质黏土( 硬塑) 至细圆砾土土层,桩径 1 m,正方形布置,纵、 横间距 5 m,桩间距横向小于 6 倍桩径,桩顶铺设板梁,板梁间设伸缩缝,缝宽 2 cm, 板梁厚 0. 8 m, 板梁长 24. 2 m ~ 25 m。板梁底部平铺 0. 2 m 厚的碎石垫层。基坑底部以上填筑正常路基填料。

4.1.2、沉降分析
    钻孔桩深层处理方案根据其加固机理, 桩身穿透了软弱土层,其桩底位于密实细圆砾土土层,该种处理方案完全消除了软土地基的不良因素。由于桩长较长其附加应力对地基的影响几乎可以忽略不计, 其工后沉降能够满足路基的要求。
4.2、泡沫轻质土换填方案
4.2.1、工程措施
    基坑底部以上采用泡沫轻质土换填。泡沫轻质土是指采用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫,与水泥浆( 必要时可添加外加剂) 按照一定的比例混合搅拌,并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。原地面至基坑底部 5.5 m范围内换填泡沫轻质土。
1) 排除积水,清除基坑底部浮土夯实整平,基底铺一层10cm 厚的C25素混凝土, 然后混凝土顶部铺一层复合土工膜。2) 检测轻质土的施工湿密度和抗压强度。3) 从基坑底开始分层填筑轻质土,当轻质土填至地面标高以下
0. 5m 时,铺设一层镀锌铁丝网, 整平后再填筑轻质土至基坑顶面。进行最后一层轻质土施工。4) 轻质土回填至原地面后,在轻质土顶层铺设一层 15 cm 厚级配碎石和 15 cm厚中粗砂,并在中粗砂间夹铺一层复合土工膜。
4.2.2、沉降分析
    泡沫轻质土沉降计算参数详见表 2。

根据本工程实例,P1=0.3×22 = 6.6 kPa, W=19×5.5 =104.5 kPa,P0 = 7×5.5 = 38.5 kPa,H1 =67.1 kPa 基底有效 附 加 压 力 δ= 6.6 - ( 104.5 - 38.5 ) + 67.81 =8.41 kPa。则h=8.41/20 =0.42 m。计 算 模 型 如 图 2所示。

    根据压缩模量法计算, 在附加应力与自重应力之比为 10% 的情况下, 路基的工后沉降为 7 mm, 考虑 1.2 倍的修正系数, 总 沉 降 量 为 8 mm 其 沉 降 按《铁 路 路 基 设计规范》 相关规定, 其沉降不大于 20 mm, 满足相关要求。其竖向主固结沉降量等值曲线分布图如图 3 所示。

4.3、设计方案分析比较
    钻孔桩深层处理方案的优点为能完全消除回填部分与固定结构物的沉降差。缺点为其桩长较长, 穿透了整个土质地层,其工程投资大, 且施工周期长、 基坑填土同固定结构部分填料不易压实和环境污染大等不利因素。泡沫轻质土换填方案优点为能有效控制沉降, 不需进行深层地基处理; 施工速度快; 环保性能好; 综合造价合理;施工期较短。缺点为技术含量高,工程控制要求严格, 需专业施工队伍; 轻质土属新材料,虽在国外和国内市政公路应
用较广,但在国内铁路项目上应用不多。通过以上对比分析比较, 本工程的工程措施推荐采用泡沫轻质土换填方案。

5、结语

泡沫轻质土结构, 能够确保受限区域中软土地区基坑填方路基的施工质量; 保证了路基填方填料施工的可靠性,路基的稳定和路基工后沉降的合格,保证路基不产生病害;减少填土荷载,减少附加应力, 进而降低工程造价的效果;本文概述了泡沫轻质土的应用概况, 通过工程实例定性的分析了在受限区域软土基坑地基处理中不同工程措施的优缺点,并通过具体简算数据进一步阐明了在泡沫轻质土结构换填达到一定深度的情况下, 泡沫轻质土结构措施的工后沉降仅为 8 mm,满足相应工点的设计要求。进一步论证了泡沫轻质土结构在受限铁路软土基坑工程中有着无法比拟的优越性。对其他类似工程有一定的借鉴意义及指导作用。