广州铁路（集团）公司江门工程建设指挥部
摘要：南沙港地区分布大量的软土，由于软土性质软弱，强度很低，压缩性甚高，渗透性很小极易出现塑性流变等问题，给工程施工带来了诸多困难，若对软土特性认识不足，地基处理不当，技术控制不严，就会在施工过程中出现地基因破坏失稳而滑动，并产生较大的沉降和不均匀沉降，影响行车的安全和正常使用，因此本篇文章将介绍南沙地区软土的固结过程中孔隙比、压缩系数以及固结过程中的应力应变关系，研究南沙地区软土的固结特性。通过真空预压法加固软土的现场试验，研究真空预压法加固软土地基的沉降和水平变形特性、真空预压加固地基的有效深度、真空预压对周围环境的影响。对软土地基的沉降计算方法进行分析，并结合实测沉降资料，分别采用双曲线法、指数法、泊松曲线法和灰色理论，预测地基最终沉降，分析了各方法的适用性，提出适合于南沙地区工程实践应用的沉降预测模型。
关键词：南沙港铁路；真空预压法；软基；固结；沉降变形；
1、工程概况
新建广州南沙港铁路位于广东省南部，珠江三角洲中部地区。线路自广珠铁路鹤山南站（新建）引出，向东南方向经鹤山市雅瑶镇，江门市蓬江区，佛山市顺德区均安镇，中山市小榄、东凤、南头、黄圃等镇，广州市南沙区万顷沙镇，止于南沙港区，新建正线长度87.837km，其中：鹤山南至南沙港新建双线长79.464km，南沙港南部分区车场新建单线长8.367 km。
南沙港铁路沿线地质勘查显示主要为淤泥及淤泥质土等,具有含水量高、孔隙比大、压缩性及灵敏度高、承载力低等特性。且其上大多已沉积有其他沉积性质土层或覆盖人工填筑土层。工程建设时,必须先对河海相软土层特性充分了解，并对其深厚软土地基进行加固处理，处理技术问题越来越突出，而目前对这类软土层加固处理技术的研究还有待全面深化研究。地层分布情况如下：平原区上部地层主要为第四系海陆交互相（Q4mc）淤泥、淤泥质粘土，灰黑土、灰褐色，流～软塑，一般含有20～30%粉砂，分布于沿线场地表层，厚30～60m。其下为第四系海陆交互相（Q4mc）粉质粘土、粘土，褐黄色，软～可塑，厚5～15m。中部地层为第四系陆交互相（Q4mc）细砂、中粗砂层，褐黄色、棕黄色，饱和，稍～中密，厚0～30m。其下为第四系冲洪积（Q4a1+p1）圆砾土，浅灰、灰黄色，密实，饱和，主要成分以石英、长石为主，呈浑圆状，零星分布。
2、真空预压加固
2.1真空预压加固机理
真空预压法加固软土地基时，在地基上施加的不是实际重物，而是把大气压力作为荷载。在抽真空前，由于密封膜内外都受到大气压力的作用，土体孔隙中气体与地下水面以上都是处于相同的大气状态下，大气压力Pa作用于孔隙水上，对土体不起压密作用。铺设密封膜后，Pa作用于密封膜上。抽真空后，首先在砂垫层中形成真空，砂垫层和竖向排水体内的压力降至Pv，密封膜内外存在压力差Pa－Pv，使密封膜紧贴于砂垫层上，同时真空度又通过竖向排水体逐渐向下传递，并向袋装砂井或塑料排水板四周土体扩散，从而使一定深度范围内的孔隙水压力降低，形成负的超孔隙水压力。
所谓负压即指形成的孔隙水压力小于原孔隙水压力，其增量为负值。由于边界孔隙水压力的降低，土体与砂垫层和竖向排水体间形成压力差和水力梯度，土体发生渗流，使土中的孔隙水压力不断降低，有效应力不断增加，从而促使土体固结；随着时间的增长，土体和竖向排水体之间的压力差由Pa－Pv逐渐变小，最终趋向于零，此时渗流停止，土体固结完成。
2.2真空预压微观加固机理
真空预压时，真空压力首先是作用在土体中的水、气流体上，而不是直接作用在土体骨架或颗粒上。在真空预压初始阶段，土体排水量很大，但沉降量比较小，这是由于土体中的自由水和气首先被抽出，然而由于土体颗粒之间的粘聚力、排斥力、接触点支撑力的存在，土体中的有效应力并未显著增加。随着水、气的抽出及时间的持续，土体颗粒间的无水孔隙逐渐增大，土体骨架开始承受真空压力，导致土体颗粒发生错位重新排列。这是一个由外因而导致土体内部“自发”调整的过程，结果使得土体密实而得以加固。
2.3真空预压加固对周围环境的影响
从大量的工程实践来看，真空预压对周围的环境影响比较大，真空抽水后，导致加固区外一定范围内的地基土产生向加固区内侧较大的侧向位移，特别是在建（构）筑物密集区和地下管线密集区，由于真空预压会引起较大的水平位移，因此对临近建（构）筑物的基础以及埋设在地下的管线的影响不容忽视，这些影响主要体现在加固区周围地面的沉降，水平向位移以及地下水位的变化，在施工现场经常可以看见地面出现较大的裂缝。在加固区周围，土体中的水位可能会降低，并对加固区和周围的土体产生一定的影响，应重视真空预压与边界的相互影响关系。在采用真空预压加固软土地基方案前，必须考虑真空预压可能的对周围环境的影响。
2.4密封对加固效果的影响
如果地基中存在透水夹砂层，则地下水可能通过边界源源不断地流向加固区，产生漏水现象，当加砂层埋深较浅时，由于边界水位的下降还可能导致漏气现象，从而影响加固效果，问题严重的将导致真空预压的失败，所以真空预压前应对地基情况了解清楚。当透水层位于浅部时，要先在加固区周围对该透水层进行处理，可以采用在加固区的周围打设搅拌桩(淤泥搅拌桩或水泥搅拌桩)或进行粘土帷幕注浆，以起到密封效果。当透水层位于加固区底部时，竖向排水体一般不要打到透水层的位置，最好留有1～2m的厚度，以免竖向排水体和透水层相互贯通。
3、真空预压加固室内试验研究
3.1试验研究的目的
针对南沙软土在荷载作用下表现出的变形与时间的关系进行试验研究。通过模拟现场荷载的施加过程，对南沙软土的变形特征以及各种土性参数的变化进行分析研究，从而对南沙软土地基的加固处理提供理论依据和实用参考，以便更好的指导实际工程的设计与施工。
3.2试验研究的内容
试验所用土样为广州南沙地区原状软土样，含水量大，压缩性大，强度低，孔隙比大。为使试验结果更加可准确，采用薄壁取土器，尽量减小对土样的扰动。取样筒长500mm，直径100mm，壁厚2mm，土样面积30cm2，土样高度20mm。试验所用环刀内径为61.8mm，高度20mm。压缩试验采用的主要设备为杠杆式固结压缩仪，试样尺寸Φ6.18×20mm。
变形分析如下：
从固结试验的Es～P曲线可以看出，南沙地区软土的压缩模量Es随固结压力的增大而增大，并且基本呈线性增长。从固结试验的Cv～P曲线可以看出，随着固结过程的进行，土体的固结系数逐渐减小，当固结压力从12.5～100kPa时，减小的幅度最大。
4、沉降变形观测
4.1变形监测的意义
南沙港铁路是国内货运铁路中，投资规模最大、标准化最高的一条铁路干线，设计速度为120km／h,采用双线设计的无砟轨道。确保路基的强度、刚度、平整度及结构稳定性的合格，是确保路线顺利运行的重要基础。所以对于真空预压后地基沉降值的观测就显得尤为重要。
4.2变形监测的内容
变形监测、应力监测和其它监测。其中主要的监测项目包括：表面沉降、分层沉降、孔隙水压力、侧向位移等。
4.3地表沉降观测
地表竖向位移观测一般采用沉降板。沉降板由钢底板或钢筋混凝土板、金属测杆和保护套管组成。底板尺寸不小于50cm×50cm×2cm，测杆直径以4cm为宜，保护套管尺寸以能套住测杆并留有适当空隙为宜。 沉降板宜埋设在路堤左右路肩和中心下原地面上。其埋设过程如下：整平地基，铺第一层填料，压实后在预埋位置挖去填料至原地面，将带有第一节沉降杆、护套、护盖的底板放入，使其紧贴原地面，回填夯实，当填料将与杆头平齐时，打开护盖，测定杆头标高，盖好护盖，填筑第一层填料。当填料符合要求后，在设置沉降板的地方挖去填料，至露出护盖，打开护盖，测定杆头标高，其标高与上次杆头标高之差，即为两次观测期间的沉降量。然后连接下一节沉降杆、护管，测定杆头标高，盖好护盖，回填夯实，接着填筑下一层填料，依此类推，直至施工结束。应特别注意使护盖高度始终低于压实的填筑面下3～5cm，使沉降杆不被压坏。边桩一般采用钢筋混凝土预制，混凝土的强度不低于C25，长度不小于1.5m；断面可采用正方形或圆形，其边长或直径以10～20cm为宜；并在桩顶预埋不易磨损的测头，边桩埋设在路堤坡脚处。边桩的埋设深度以地表以下不小于1.2m为宜，桩顶露出地面的高度不应大于10cm。埋设方法可采用打入或开挖埋设，要求桩周围回填密实，桩周上部50cm用混凝土浇注固定，确保边桩埋置稳固。
4.4分层沉降观测
土体内部竖向位移可通过在土体内埋设沉降磁环进行观测。仪器选用电磁式沉降仪，该仪器由脚架、钢卷尺、测头、沉降管和磁环组成。沉降管采用硬聚氯乙稀塑料制成。电磁式沉降仪的工作原理是在土体中埋设一竖管，隔一定距离设置一磁环，当土体发生沉降时和土体同步沉降，利用电磁测头测出发生沉降后磁环的位置，将其与磁环起初的位置比较，即可算出测点（磁环）的沉降量。分层沉降管一般埋设于路堤中心，首先确定观测孔位。钻孔并下套管，钻孔直径为Φ108mm，到所需深度后抽出钻杆，下放塑料管，接长至插入孔底20～30cm，上提30～40cm，用送环器将磁环送至预埋位置，并轻轻压入土中。上提套管至另一预埋位置30～40cm，并回填相应的土层至预埋位置，再按相同的方法埋设下一磁环。沉降环埋好后，应立即用沉降仪测量一次，对环的位置、数量进行校对，并对孔口高程进行测量。观测时先取下护盖，测定管口标高，然后将测头沿沉降管徐徐放至孔底，打开电源开关，当接近磁环时，指示器开始有信号发出，此时减小下放速度，当信号消失的瞬间，停止下放，读测头至管口的距离。再继续下放测头，指示器再次发出信号随后便立即消失。当过一定距离后，指示器又开始发出信号，表示进入下一个磁环，减小下放速度，至信号消失的瞬间，停止下放，读测头至管口的距离。以此方法测完所有的磁环。根据测得的距离与管口的标高，计算出各磁环的标高，各个磁环相邻两次标高之差即为测点的（磁环）沉降量。为了保证观测精度，每测点应平行测定两次，读数差不得大于2mm。
4.5深层侧向位移观测
深层测向位移观测又称为测斜，测斜仪观测地基水平变形的特点是可以测出不同深度的变形，便于对地基变形进行分层研究。根据绘制的观测曲线可以直观地了解地基的滑动趋势及滑动面的位置。土体分层水平位移观测一般采用测斜仪。选用CX-03E型测斜仪，它由测头、连接电缆、测读仪等构成。测头是一个近700mm的长管，由三部分通过螺钉连接在一起，测头上下装有两组导轮，每组导轮的中心连线并不垂直于测头轴线，而是有一个角度差。测斜导管预埋在土体中，与土体结合为一体，所以测斜导管的位移就是土体的位移。测斜导管的内径为Φ50～70mm。
4.6孔隙水压力观测
孔隙水压力的平面布点集中于路中心，一般每种土层均应有测点，土层较厚时，一般每隔3～5m设一个点。钻孔一般采用干钻法，钻孔直径一般采用Φ108～146mm。干钻时可向孔内加水润滑，但应禁止用压力冲钻成孔，钻进过程中应随时下套管护壁，钻孔深度应比测点的高度高30cm。测头未装上透水石前，在大气中测量初始频率，并记录现场温度和大气压力值。将透水石在水桶中装在测头上，将测头连同水桶送到钻孔边，将接管连接于钻杆上。将细铅丝系在连接管上，用铅丝来承受孔压计即电缆的重量，这样可以避免电缆受力，并可以测量埋设深度。当测头到达孔底时，将其向下压入30cm，至埋设高程。测头埋入土中进行观测，确认其正常工作后，将套管上提，便可以向孔内投入泥球封孔，孔中电缆应放松弛。观测点布置图如图所示：
5、结论
由室内实验结果得出，经过3个月的预压，软土地基的平均固结度达到了89.9%，说明真空预压法加固南沙地区的软土效果显著。
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论文作者:黄芝桃
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第7期
论文发表时间:2017/8/10
标签：预压论文; 南沙论文; 真空论文; 孔隙论文; 地基论文; 位移论文; 标高论文; 《建筑学研究前沿》2017年第7期论文;