插板堆载预压法在烟大铁路轮渡南港陆域软基处理中的应用

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  【摘 要】 烟台至大连铁路轮渡港口工程南港区位于烟台市芝罘湾四突堤北侧,东西向长约730m,南北向宽约130m,西侧、南侧部分区域为海上吹填已形成的陆域,其余区域需在水域填筑造陆。吹填形成的陆域上层主要为淤泥质粉土~粉土,下层为原始海湾地质,依次为淤泥质粉土~粉土、淤泥质粉质粘土、粘土和粉质粘土;水域填筑地质依次亦为淤泥质粉土~粉土、淤泥质粉质粘土、粘土和粉质粘土。要达到设计荷载要求全部区域均需要进行软土地基础处理。
  【关键词】 软基处理;堆载预压;要点;施工技术
  一、堆载预压方法选择
  本工程软基处理总面积为95162m2,既有陆域淤泥厚度16m左右,新造陆区域淤泥厚度10m左右,对于处理大面积软土深厚的土层,采用排水固结法较为合适的方法。港区设计荷载标准铁路站场地面荷载为43.2KN/m2,一般陆场地面荷载为30KN/m2,护岸后方10m范围地面荷载为10KN/m2。根据设计条件、场地的使用功能及地质情况,本工程的采用插板堆载预压排水固结法,该方法成熟可靠,造价低,在类似地基加固工程中使用较为普遍,且设计、施工、监测都具有相当成熟的经验,该地基处理方法经专家审查后获得了通过。
  设计院根据场地情况及加固要求,软基处理加固区分主要为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,各区采用不同的地基加固方法。Ⅰ区原为海湾,经吹填后已形成陆域,该区采用陆上插塑料排水板堆载预压排水固结法进行地基处理。Ⅱ、Ⅲ区新造陆域为水域,采用水上插塑料排水板堆载预压排水固结法进行地基处理。南港软基处理平面布置图、断面图见图1。
  二、设计要求
  1、施工工序
  (1)陆上插塑料排水板堆载预压排水固结法:铺设土工织物→铺设荆芭→铺设中粗砂垫层→陆上打插排水板→分级堆载预压→卸载、平整场地。
  (2)水上插塑料排水板堆载预压排水固结法:抛填中粗砂垫层→水上打插排水板→分级堆载预压→卸载、平整场地。
  2、工序要点
  (1)土工织物采用350g/m2的短纤针刺非织造(无纺)布,提高吹填淤泥的地基承载力,并防止淤泥外泄。
  (2)中粗砂垫层含泥量≤5%,砂垫层厚度误差控制在+20cm以内,局部高差控制在30cm以内。
  (3)塑料排水板统一采用SPB-B型,尺寸为100mm×4mm,均按正方形布置,间距Ⅰ区为1m,Ⅱ、Ⅲ区为1.2m,排水板插入深度一般穿透淤泥质粉土层和淤泥质粉质粘土层。
  (4)堆载材料采用中粗砂和开山土石,使用要求:①铁路站场范围施工水位以下为中粗砂,施工水位以上为开山土石;②堆载预压施工完毕后,卸载材料必须为山皮土(倒运铁路路基使用)③中粗砂含泥量≤5%;④开上土石水下含泥量≤15%,开山土石水上含泥量≤30%。
  (5)堆载施工分期分级加载,分级堆载厚度1.5m-3.0m,其中施工水位以上、交工标高以下范围内按30cm-50cm一层回填,并进行碾压,密实度要求≥90%。堆载过程中,严格控制时间逐级加载(Ⅲ区分级加荷过程曲线图如图2),同时要加强施工监测,指导、控制加荷速率。
  (6)固结沉降计算结果
  按代表性地质分层断面计算,设计固结沉降计算结果如表1。
  (7)卸载要求,计算结果Ⅰ区满载预压90天,Ⅱ、Ⅲ区满载预压60天固结度可达到90%。实际卸载时间根据实测沉降推算的固结度达到设计要求为准。
  3、监测项目
  (1)表层沉降监测
  沉降观测是软基工程中最基本的观测项目之一,观测内容包括荷载作用范围内地基的总沉降、荷载作用范围外地面沉降或隆起以及沉降速率等。在插打塑料排水板施工前埋设沉降盘并记录原始标高。插打排水板和堆载期间每隔24小时观测一次,满载后每隔48小时观测一次,观测误差要求不大于2mm。利用实测资料可以推算最终沉降量S∞和由于侧向变形而引起的沉降Sd,从而可求得固结沉降Sc画出沉降时间曲线。临近卸载期时,应根据实测沉降值,计算固结度,确定具体卸载时间。
  (2)孔隙水压力监测
  孔隙水压力传感器在插打排水板施工完毕埋设,按深度方向每向下3m埋设一个孔隙水压力传感器,埋设深度根据实际软土厚度确定,各层深度传感器均需满足不同深度量程需要,各深度位置的傳感器应分孔埋设,注意应做好仪器的埋设与封孔。堆载期间每隔24小时观测一次,满载后每隔48小时观测一次。根据实测的孔隙水压力的增长和消散过程,画出孔隙水压力—时间变化曲线,采用指数函数配合法反算经向固结系数Cn,公式为U=1-αe-βt,通过孔隙水压力观测,确定下一级施工荷载的大小,控制加载速率并计算土体固结度和增长情况。
  (3)水平位移监测
  在堆载过程中,根据实际情况每天要观测若干次,满载后可每2-5天观测一次,测量误差不大于2mm。水平位移监测控制标准为:水平位移每昼夜应小于8mm,垂直位移每昼夜应小于20mm。当观测数字大于控制标准时,应控制施工加载速率。
  (4)十字板剪切试验
  在软基处理加固前、后各进行一次现场十字板剪切试验,试验深度按在淤泥中每间隔1m试验一次,采取原状土的Cu指标。
  (5)加固前后钻孔取样
  在软基处理加固前、后按原交通部《港口工程地质勘察规范》规定的方法、步骤进行钻孔取样室内土工试验。
  三、主要施工过程
  1、施工场地清理及整平
  Ⅰ区原为海湾,经吹填港池已形成陆域,大部分地区泥面标高在+5.6m左右,中心线处需整平至标高+5.6m,两侧需推淤至+5.0m,施工边缘开挖排水沟,以利排水。Ⅱ、Ⅲ区为水域,施工前应探摸及清除施工区域内的障碍物。
  2、砂垫层施工
  (1)陆域砂垫层施工   Ⅰ区大部分地区表层积水,顶部覆盖松散淤泥,按设计要求铺设一层土工布、两层荆芭后,仍无法使用一般轻型机械设备直接进行砂垫层推进施工,故考虑采用人工用手推车进行回填,人工及时进行整平,砂垫层施工总厚度为1.2m,为防止砂垫层挤压淤泥,造成局部淤泥隆起,砂垫层施工采取分层铺设,各层厚度在30~50cm。
  (2)水域砂垫层施工
  水域砂垫层厚度为1.5m。在抛填过程中,根据进场砂船的装载量定位、定范围进行铺填,按施工实际情况控制移船距离,用水砣测量,勤测水深、勤对标,确保在规定范围内均匀平铺,禁止成堆抛填、漏抛。砂垫层边坡外侧根据设计坡度放置30cm厚的砂包,潜水整平。
  3、塑料排水板施工
  塑料排水板嚴格按照设计和规范要求购买和检测。塑料排水板的施工分为陆域和水域两部分,陆域采用DJG30-20导轨式塑料插板机进行施工,水域采用组拼插板船进行施工,具体操作如下。
  (1)塑料排水板的质量要求
  软基处理施工中使用的SPB—B型塑料排水板,每一批材料进场后先经试验部门经过外观质量检验合格后,送指定的检验部门进行性能指标的检验。施工中允许使用的合格塑料排水板应附有出厂合格证及试验、检验报告,在使用时应经常检查塑料排水板的外套薄膜是否完好无损。塑料排水板质量标准按照《塑料排水板质量检验标准》(JTJ/T257-96)执行。
  (2)陆域塑料排水板施工
  Ⅰ区采用DJG30-20导轨式塑料插板机进行施工,施工程序如下:
  插板作业之前,应先在已填筑好的砂垫层上安装插板机,插板机导架上刻有明显的进尺标志,以控制排水板的打设深度,并作好原始数据的记录,在排水板插打到设计深度时必须同设计值相比对,确定是否满足要求。插板机定位时,管靴与板位标记的平面偏位不得超过70mm,插打过程中应随时注意控制套管的垂直度,其偏差应不大于1.5%。当塑料排水板需要接长时,应剥开滤膜,使芯板顺槽搭好,搭接长度不小于20cm,然后包好滤膜,再用钉板机钉牢,搭接板的使用应符合规范要求。
  在塑料排水板的插打过程中,排水板与桩靴的连接要可靠,桩靴对导管下端口密封要严,以免进泥,致使排水板带出,施工时若带出长度超过50cm时,应在距离废弃排水板45cm内重新插入补打一根,回带排水板根数不应超过打设排水板根数的5%。塑料排水板插设下沉时,应严禁出现扭结、断裂和撕破滤膜等现象。
  插设完成后的塑料排水板,其底标高必须符合设计要求,端部处理后伸出砂垫层顶部的外露长度不应小于20cm。插管形成的孔洞用砂填塞,在施工中形成的坑凹应填平,填坑时应将排水板扶正。塑料排水板的施工允许偏差应满足规范要求。陆上打插排水板施工如图3。
  (3)水域塑料排水板施工
  水域塑料排水板施工采用1艘400t方驳组拼两台插板机形成的插板船进行施工。根据插板机所能施工的范围(每台插板机定位一次插打8.0m范围内的塑料排水板),插板机间距按8.0m布置。水上插板由西向东施工,每定位一次,通过绞锚由南向北插打。水上定位装置采用GPS实时差分定位系统,由2台高精度GPS组成。该系统不仅接收信息快,而且不受天气、风浪的影响,可在24小时进行定位作业。水上排水板施工区段的划分,采用在测量基线的板位控制点上做出标记,同时在水中设置标杆或浮标方法测设。
  船体定位:首先在岸上选一坐标点,在其上放置1台岸台GPS接收机,然后在计算机上输入施工区域平面图及控制点的实地坐标和船舶施工空间尺寸,根据每条船的施工空间进行船位划分,并直接显示在计算机屏幕上。这样移动船位时只要用4台锚机绞动船舶,当其施工空间与划分的船位重合时,说明船舶已准确就位。该系统的定位精度达到10cm,能满足全天候施工的要求。插板机定位:其定位方法为机械定位,精度能控制在1cm以内。在施工时先按每支桩的间距及布置形式在222m×10m的空间范围内划分出总排数(纵向)和每排的支数(横向)。然后移动插设机大平台进行纵向定位,当定位指针与纵向定位刻度重合时说明定位准确,在大平台定位准确后开动小车平台进行横向单支定位。完成全船的插设支数以后,再进行下一船的定位。
  塑料排水板插设:当船体完成定位后,将穿好排水板的套管打入土中,至设计标高,将套管拔出,塑料排水板留在土中。完成插板任务后,再移动船位进行下一段插设。水上打插排水板施工如图4。
  4、堆载预压
  在堆载预压施工中,为减少回填土方(山皮土或建筑垃圾)的使用量,按三个加固区分期分级进行加载,根据现有用地实际情况,三个区施工的先后顺序为Ⅲ区→Ⅰ区→Ⅱ区,Ⅲ区卸载用于Ⅰ区堆载,Ⅰ区卸载及码头后方护岸施工开挖量用于Ⅱ区堆载。
  堆载施工时为使堆载料达到密实度要求,在施工水位以上,交工标高以下的回填范围内(需考虑沉降的影响),应按30cm~50cm一层回填,每层用推土机和12-18吨光轮压路机碾压,根据现场的碾压实验数据确定碾压的次数,使碾压后回填后土层的密实度达到设计要求(≥90%)。在堆载预压过程中的分级荷载的堆载高度偏差不应大于本级设计堆载高度的5%,最终堆载高度不应小于设计堆载高度。Ⅱ、Ⅲ区为水域,底层分级堆载厚度为2.5m,不可陆上一次堆载回填出水面,第一级荷载需要水上抛填,施工采用水域抛填垫层砂作业方式,其他级荷载采用陆上推填进行。堆载作业分级分段进行,每段长度控制在50m左右,堆载级差及过程严格按照设计分级加荷曲线图和施工监测数据指导施工。堆载过程中应及时进行推平作业,避免局部超载,其施工质量应符合《港口工程质量检验评定标准(JTJ221-98)》中的有关规定。
  5、施工监测
  软基处理堆载预压施工中应按设计及规范要求埋设监测点,加强施工监测,主要包括表层沉降监测、孔隙水压力监测、水平位移监测、十字板剪切试验及加固前后钻孔取样,以指导、控制加载速率。沉降、位移观测杆检测合格后才能埋设,观测杆必须埋设紧锢、稳定及垂直,同时为防止在回填压实土的过程中车辆的轮压、土体的侧压等因素致使观测杆倾斜或破坏,要求在观测杆上使用套管加以保护,以便得到准确的施工数据。
  软基处理设立现场观测组,按设计要求收集监测数据,形成监测分析报告,报监理审核,指导堆载、卸载施工。沉降、位移观测项目由施工单位测量队实施,严格按照设计标准控制,当水平位移每昼夜应大于8mm、垂直位移每昼夜应大于20mm时,应控制施工加载速率。孔隙水压力监测、十字板剪切试验及加固前后钻孔取样工作,委托有资质的检测单位实施。
  6、卸载
  堆载预压施工达到设计规定的满载预压时间且根据实测沉降推算的固结度达到设计要求的90%后卸载,卸载不宜过快,应分期分级进行,并应继续观测地基的沉降和回弹情况,卸载后将场地平整至相应的设计标高即形成陆域,其平整度允许误差为±100mm。
  堆载预压达到设计满载预压时间时,施工单位根据监测数据分析是否达到卸载条件。若监测数据达到设计要求,施工单位提出堆载预压卸载申请报告,监理和设计单位进行审查。卸载报告获得同意后,施工单位方可进行卸载。
  四、软基处理效果
  根据检测单位出具的软基处理施工检测报告,通过孔隙水压力、沉降、位移观测以及十字板强度试验、分析(节选Ⅱ、Ⅲ区部分项目分析成果,见表2、3),认为大部分区域沉降趋于稳定,固结度超过90%以上,软土层强度得到大幅提高,土工物理、力学性质指标得到不同程度的改善,堆载预压达到了设计预期效果。
  工程建成后,委托测量单位对南港码头、护岸、道路、堆场等主要建筑物沉降进行定期观测。截止2012年10月,测量单位对南港主要建筑物沉降进行了四次观测,其中软基处理区域观测点设有26个,工后累计平均沉降量为5.1mm,远小于设计300mm的工后沉降量。从目前主要建筑物沉降观测情况看,软基处理也达到了预定的处理效果。
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