劉保成　宋吉祥

(中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司)

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用置換法處理涵洞淺層軟弱地基

劉保成宋吉祥

(中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司)

涵洞基礎(chǔ)設(shè)置于富水性軟土層上時(shí)面臨水害和地基承載力不足的雙重威脅，為此，以某鐵路DK80+842涵洞為例，分析了砂石料換填的優(yōu)越性，推導(dǎo)了砂石料換填基本參數(shù)的計(jì)算公式，根據(jù)現(xiàn)場施工工藝和施工過程，對涵洞軟基處理的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，供相關(guān)研究參考。

置換法涵洞施工軟弱地基

黃河三角洲地區(qū)的淺層地表廣泛分布有黃河淤積形成的富水性軟土層，該類地層具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，是影響涵洞施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[1-2]，同時(shí)高地下水位的存在對涵洞基坑開挖形成了較大威脅。隨著學(xué)術(shù)界對軟基處理研究的不斷深入，大量成果不斷涌現(xiàn)，但由于軟土地層情況復(fù)雜，實(shí)踐研究尚有較大的發(fā)展空間[3]。本研究以某鐵路DK80+842涵洞地質(zhì)條件為例，對涵洞富水性軟弱地基砂石換填控制的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1　工程概述

某鐵路經(jīng)過段為濱海沖積平原區(qū)，地貌屬灘涂鹽堿洼地，為第四系沖積及海陸相交互地層。部分路段存在軟塑的粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土，承載力相對較低，地下水為第四系潛水，地下水位埋深1.2～1.8m，地下水環(huán)境類別為氯鹽環(huán)境和化學(xué)侵蝕環(huán)境(以硫酸鹽和鎂鹽侵蝕為主)。DK80+842涵洞為一孔(孔徑6m)箱型涵洞，立交兼灌溉使用，地面標(biāo)高4.1m，涵洞基礎(chǔ)底標(biāo)高2.8m，地下水位標(biāo)高2.3m，其工程地質(zhì)特征見表1。

表1　DK80+842涵洞工程地質(zhì)特征

由表1可知：DK80+842涵洞設(shè)計(jì)地基承載力為150kPa，涵洞基礎(chǔ)下方土層容許承載力為130kPa，故需對涵底進(jìn)行處理。

2　地基處理設(shè)計(jì)

目前常用的涵洞軟弱地基處理方式為淺層加固法、置換法和水泥攪拌樁加固法[4]?？紤]料源、施工成本等方面的因素，本研究采用置換法，即1∶2 砂石換填方案。

2.1砂石置換的優(yōu)越性

砂石換填方式的基本原理是將砂石料整體代替基底軟土作為涵洞基礎(chǔ)的持力層[5]，適合處理地基承載力和變形特性均無法滿足框架涵要求的淺層軟弱地基。當(dāng)涵洞基礎(chǔ)形成的附加應(yīng)力通過持力層向下傳遞時(shí)，附加應(yīng)力會以一定的角度向持力層四周擴(kuò)散，同時(shí)持力層會吸收部分附加應(yīng)力，因此穿過持力層的應(yīng)力會不斷減少[6]。

(1)提高地基承載力。地基承載力的大小與地基成分的抗剪強(qiáng)度密切相關(guān)，砂石墊層的抗剪強(qiáng)度明顯大于基底軟土的抗剪強(qiáng)度，將涵洞基礎(chǔ)下方一定范圍內(nèi)的軟土置換為砂石墊層，有助于提高涵洞基底的地基承載力。

(2)減少涵洞整體下沉量。涵洞基礎(chǔ)下方持力層的變形破壞是導(dǎo)致涵洞沉降變形的主要原因[7]，砂石墊層的抗變形能力明顯強(qiáng)于軟土，因此將砂石墊層作為持力層可明顯減少涵洞的沉降變形量，同時(shí)砂石墊層持力層對涵洞附加應(yīng)力的吸收和分散，有助于顯著降低持力層下方的軟土變形量。

(3)加速地基的排水固結(jié)。當(dāng)基礎(chǔ)下方地下水位埋藏較淺時(shí)，地下水易導(dǎo)致涵洞地基土發(fā)生塑性破壞。涵洞下方的砂石墊層可作為一個(gè)良好的排水通道，迫使地基下方的孔隙水壓迅速消失，加速涵洞基礎(chǔ)下方軟土層的固結(jié)。

2.2砂石換填的厚度設(shè)計(jì)

砂石墊層厚度主要考慮軟弱土層的厚度和下臥層的承載能力，其極限條件為[8]

(1)

式中，P1為載荷效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)墊層底面處的附加壓應(yīng)力，kPa；Pz為墊層底面土的自重壓應(yīng)力，kPa；k為地基承載力修正系數(shù)，本研究k=1；[σ]為墊層下方軟土的地基容許承載力，kPa。

P1的取值與涵洞的形狀密切相關(guān)，將涵洞基礎(chǔ)視為一矩形，不考慮相鄰涵洞基礎(chǔ)的影響，則有：

(2)

式中，b為涵洞矩形基礎(chǔ)底面寬度，m；Pk為基礎(chǔ)底面的平均壓力，kPa；Pc為墊層底面處土的自重壓力，kPa；a為墊層厚度，m；φ為壓力擴(kuò)散角，(°)。

Pk計(jì)算公式為[9]

(3)

式中，G1為涵洞框架、基底墊層混凝土及附加土柱的自重，kPa；G2為涵內(nèi)水壓力，kPa；G3為活載土壓力，kPa。

本研究涵洞采用整體式基礎(chǔ)，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊》規(guī)定，地基承載力檢算時(shí)，Pk=150kPa。

Pc計(jì)算公式為

(4)

式中，γ為土的容重，kN/m3；H為墊層混凝土的底埋深，m。

Pz計(jì)算公式為

(5)

式中，γD為砂石料的容重，kN/m3；h為砂石料墊層厚度，m[10]。

[σ]計(jì)算公式為

(6)

式中，σ0為砂石墊層下方土的承載力，kPa；γ2為基底以上土的容重加權(quán)平均值，kN/m3。

本研究涵洞的基本參數(shù)取值為：b=7.34m，a=0.2m，H=1.3m，φ=38°，γ=18kN/m3，γD=21kN/m3，γ2=16.5kN/m3，σ0=130kPa，將該類參數(shù)代入式(1)～式(6)得，h=1.76m。因此，本研究施工中選取砂石料的換填厚度為1.8m。

3　砂石換填施工工藝

(1)基坑處理。由于該涵洞基坑底標(biāo)高低于地下水位標(biāo)高，基坑按要求尺寸和標(biāo)高開挖完畢后，應(yīng)首先處理基坑內(nèi)部積水，防止積水影響基坑承載力。涵洞基坑底部用機(jī)械碾壓整平，并檢測壓實(shí)系數(shù)kh、地基系數(shù)k30。

(2)分層鋪筑砂石并夯實(shí)?；靥钌笆习丛O(shè)計(jì)配比拌合均勻后運(yùn)至施工現(xiàn)場，用重型機(jī)械分層碾壓鋪砌，分層鋪填的砂石應(yīng)級配均勻，單層厚度不超過30cm，碾壓均勻密實(shí)無松軟后鋪砌砂石料，待砂石料總分層厚度達(dá)到90cm時(shí)，檢測換填料的地基系數(shù)k30。

(3)整體碾壓找平。當(dāng)最頂層砂石料碾壓(夯)完畢后，表面應(yīng)拉線找平至設(shè)計(jì)標(biāo)高，整體碾壓后檢測換填砂石料整體的地基系數(shù)k30。換填過程中換填砂石料檢測標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2　換填砂石料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

4　基坑換填控制關(guān)鍵點(diǎn)

(1)基坑處理?；犹幚硎谴_保涵洞基礎(chǔ)穩(wěn)定的關(guān)鍵，現(xiàn)場情況表明，水害和基坑壁坍塌是基坑穩(wěn)定的主要威脅。對水害的處理應(yīng)堅(jiān)持“排堵結(jié)合”原則，基坑開挖和砂石料換填的整個(gè)過程中應(yīng)及時(shí)抽水，基坑坑底及四周濕噴5cm厚砂漿，砂漿外表面噴涂5mm厚瀝青封堵水源。基坑壁坍塌是涵洞基坑處于穩(wěn)定三向高應(yīng)力狀態(tài)土層向基坑內(nèi)部應(yīng)力釋放，導(dǎo)致裂隙不斷發(fā)育，多個(gè)小裂隙繼續(xù)發(fā)育形成貫通裂隙的結(jié)果[11-12]?，F(xiàn)場施工過程中應(yīng)盡量縮短基坑開挖和換填的時(shí)間，基坑壁坍塌較嚴(yán)重時(shí)用工字鋼加固或錨桿配合鐵絲網(wǎng)濕砂漿。

(2)換填料質(zhì)量控制。砂石料的質(zhì)量及拌合的均勻性直接決定了砂石料的承載能力，砂石料應(yīng)經(jīng)檢測合格后按配比拌合均勻，經(jīng)再次檢測合格后方可運(yùn)至施工現(xiàn)場?，F(xiàn)場料場須硬化處理，風(fēng)沙較大時(shí)砂石料須用薄膜覆蓋，實(shí)時(shí)監(jiān)測砂石料的含水量、含泥量。

(3)換填過程控制。換填過程包括換填料倒運(yùn)、回填和碾壓的全部過程，砂石料由料場倒運(yùn)至基坑內(nèi)的過程中易摻入砂土，須隨時(shí)監(jiān)測換填料的含泥量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格時(shí)應(yīng)及時(shí)清退?；靥钸^程中主要采用挖掘機(jī)作業(yè)，挖掘機(jī)作業(yè)前后須及時(shí)處理履帶上的附著物，有效控制單次換填厚度和碾壓速度。

(4)整平過程控制。整平過程應(yīng)采用機(jī)械配合人工的方式，當(dāng)實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高相差小于30mm時(shí)直接使用砂料找平，相差超過30mm時(shí)，須使用原換填料，找平前后須再次碾壓并檢測承載力。

5　結(jié)　論

(1)砂石料換填法處理富水性軟土地基具有提高地基承載力、減少涵洞整體下沉量和加速涵洞基礎(chǔ)排水固結(jié)等優(yōu)勢。

(2)砂石墊層的厚度主要考慮軟弱土層的厚度和下臥層的承載能力，換填施工基本工序包括基坑處理、分層鋪筑砂石并夯實(shí)、整體碾壓找平。

(3)涵洞基坑換填施工控制的關(guān)鍵點(diǎn)主要包括基坑處理、砂石料質(zhì)量控制、換填過程控制和整平過程控制等。

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2016-05-23)

劉保成(1990—)，男，助理工程師，碩士，301700 天津市武清區(qū)。