雙向水泥土攪拌樁在鐵路專用線工程中的應(yīng)用

楊文平

(神華包神鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

0 引言

水泥土攪拌法是處理軟弱地基的一種成熟方法，它利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基中就地將原狀軟弱土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和土體之間產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟弱土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的優(yōu)質(zhì)地基［1］。雙向水泥土攪拌樁是指在水泥土攪拌樁成樁過程中，由動力系統(tǒng)帶動分別安裝在內(nèi)、外嵌套同心鉆桿上的兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土而形成的水泥土攪拌樁。該技術(shù)將水泥土攪拌樁的成樁機械的鉆桿改進為同心雙軸鉆桿，內(nèi)鉆桿上設(shè)置正向旋轉(zhuǎn)葉片并設(shè)置噴漿口，外鉆桿上安裝反向旋轉(zhuǎn)葉片，通過外桿上葉片反向旋轉(zhuǎn)過程中的壓漿作用和正方向旋轉(zhuǎn)葉片同時雙向攪拌水泥土的作用，阻隔水泥漿上冒途徑，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻，確保成樁質(zhì)量［2，3］。

神華集團塔然高勒礦區(qū)配套鐵路運煤專用線是為了開發(fā)“三西”煤炭基地東勝煤田塔然高勒礦區(qū)而修建的運煤專用鐵路，自包神鐵路韓家村站接軌，向北與既有包神線并行2 km后，向西跨越大罕臺川，沿色連、高頭窯、紅慶梁、油房壕、泊江海子井田邊界到達神華杭錦能源公司塔然高勒煤礦。專用線沿途經(jīng)過鄂爾多斯市東勝區(qū)、達拉特旗、杭錦旗三個旗區(qū)，正線長78．06 km。該線路西段地形較平緩，東段地形較復(fù)雜，沖溝較發(fā)育。沿線地形總體上呈現(xiàn)西高東低的特點，其間線路所經(jīng)過的泊江海子地勢平緩低洼，有多處季節(jié)性濕地分布，其中GDK57+210～GDK58+580段就位于該低洼地段，地層主要為粉砂、粉土和粘土等松散土層，原始地基承載力很差，線路以填方通過時，需對地基進行加固。設(shè)計采用雙向水泥土攪拌樁，樁頂設(shè)0．5 m碎石墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)一層高強(高性能)聚酯雙向土工格柵。

1 地質(zhì)條件

工點位于泊江海子低洼地帶，為沖洪積平原區(qū)，地勢稍有起伏，線路以填方通過，最大邊坡高約8．61 m。巖性特征詳述如下:

1)粉砂:褐黃色，稍密～中密，稍濕，礦物成分主要以石英、長石為主，表層夾少量植物根系，層厚約2．0m，Ⅰ級松土，σ0=150 kPa。

2)粉土:灰黑色，稍濕，松散～稍密，含云母、氧化鐵和有機質(zhì)，層厚 1．0 m ～4．0 m，Ⅱ級普通土，σ0=120 kPa。

3)粘土:褐黃色，硬塑，含云母、氧化鐵，層厚2．0 m ～3．0 m，Ⅱ級普通土，σ0=140 kPa。

4)細砂巖:褐黃色，全風(fēng)化，結(jié)構(gòu)已破壞，礦物成分主要以石英、長石為主，風(fēng)化呈散沙狀，手捏易碎，Ⅲ級硬土，σ0=250 kPa。

該地區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水，地下水位埋深在5 m～6 m。土壤最大凍結(jié)深度為2．04 m。

2 水泥土攪拌樁的現(xiàn)場施工

2．1 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計采用水泥土攪拌樁，樁長4．0 m ～8．0 m，樁徑0．6 m，樁間距1．3 m，正三角形交錯布置。采用雙向水泥土攪拌法(濕法)施工，水泥采用P．O42．5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為0．45～0．55，水泥用量每米不少于65 kg，以兩噴四攪或三噴六攪為宜，每次攪拌為全樁長。復(fù)合地基承載力不小于160 kPa。

2．2 雙向水泥土攪拌樁施工程序

攪拌樁的施工程序主要分為:

1)測量放線:用全站儀放出擬施工攪拌樁中心位置，并用木樁標(biāo)記;2)移位、對中:移動攪拌機至擬施工的樁位，將鉆機中心與施工樁位中心對中，并調(diào)整鉆機水平，保證攪拌機導(dǎo)向架垂直;3)切土下沉:啟動攪拌機，開動旋轉(zhuǎn)葉片，使攪拌機沿導(dǎo)向架垂直向下切土，同時開啟送漿泵向土體噴送事先配制好的水泥漿。攪拌機兩組葉片同時正、反向旋轉(zhuǎn)切割、攪拌土體，攪拌機持續(xù)下沉，直至設(shè)計深度;4)攪拌提升:關(guān)閉漿泵，提升攪拌機，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)重復(fù)攪拌水泥土，直到地表或設(shè)計標(biāo)高以上50 cm;5)重復(fù)噴射鉆進攪拌;6)重復(fù)攪拌提升，完成水泥土雙向攪拌樁單樁施工;7)成樁完畢，移位。

2．3 水泥土攪拌樁復(fù)合地基靜載荷試驗

在水泥土攪拌樁成樁28 d后，現(xiàn)場隨機選取樁間距為1．3m，樁徑為0．6 m，樁長分別為 4．0 m，6．0 m，8．0 m 三根水泥土攪拌樁進行單樁復(fù)合地基靜載荷試驗。

2．3．1 檢測設(shè)備

現(xiàn)場檢測儀器及設(shè)備:靜載荷測試分析儀、油壓千斤頂、油泵、承壓板、精密壓力表、位移傳感器、磁性表座、20 t吊車、60個沙袋(1 t)、Ⅰ18工字鋼若干等。單樁復(fù)合地基靜載荷試驗加荷系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 單樁復(fù)合地基靜載荷試驗加荷系統(tǒng)示意圖

2．3．2 試樁加載

將試樁周圍整平并用角磨機磨平試樁樁頂后，在試樁坑鋪設(shè)50 mm～150 mm的中粗砂墊層，輕輕拍實找平。將直徑為1．37 m的承壓圓板放置在樁頂正上方，并使之與樁頂密貼。承壓板上放置千斤頂，千斤頂上設(shè)置主、次梁，其上再堆載配重(沙袋)，最大堆載重量600 kN。本次現(xiàn)場試驗采用慢速維持荷載法［5，6］?，F(xiàn)場加載共分8級，每級加載量為40 kPa，最大加載量為320 kPa(水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力設(shè)計值的2倍)。加載采用手動油泵及油壓千斤頂加載。

2．3．3 荷載與沉降值測量

荷載值通過壓力表測量讀取;試樁沉降量則通過承壓板四邊對稱架設(shè)的位移傳感器自動傳輸至靜載荷測試分析儀記錄(所有位移傳感器均用磁性表座固定于基準(zhǔn)梁上)。

3 試樁復(fù)合地基靜載荷試驗及分析計算

3．1 復(fù)合地基承載力特征值的確定方法

按JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范附錄A規(guī)定，復(fù)合地基承載力特征值的確定［5］:

1)當(dāng)壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線時，可按相對變形值確定。水泥土攪拌樁復(fù)合地基，可取s/b或s/d(s為載荷試驗承壓板的沉降量;b和d分別為承壓板寬度和直徑，當(dāng)其值大于2 m時，按2 m計算)等于0．006所對應(yīng)的壓力，但按相對變形值確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的一半;2)試驗點的數(shù)量不應(yīng)少于3點，當(dāng)滿足其極差不超過平均值的30%時，可取其平均值為復(fù)合地基承載力特征值。

3．2 水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基靜載荷試驗結(jié)果

水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基靜載荷試驗數(shù)據(jù)表見表1;試驗p—s曲線如圖2所示，測試結(jié)果見表2。

表1 水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基載荷試驗數(shù)據(jù)表

圖2 水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基p—s曲線

表2 水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基載荷試驗測試結(jié)果

3．3 單樁復(fù)合承載力特征值的確定

根據(jù)圖2可以看出，三條曲線均平緩光滑且無明顯陡降段。根據(jù)規(guī)定，上述三根試驗樁的復(fù)核地基承載力特征值可按相對變形值確定，即s/d=0．006時所對應(yīng)的壓力。本次試驗所用承壓板的直徑為1．37 m，可得出s=8．22 mm。從表1中，利用線性內(nèi)插原理推算可以得出，三根試驗樁在沉降量為8．22 mm時承受的荷載均大于160 kPa，但依據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范附錄A規(guī)定，三根試驗樁的單樁復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)為160 kPa。

根據(jù)3組單樁復(fù)合地基載荷試驗，可得出試驗場區(qū)單樁復(fù)合地基承載力特征值為160 kPa。

4 結(jié)語

1)通過試驗段隨機進行的三根水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基的靜載荷試驗以及對試驗數(shù)據(jù)的分析計算，確定了該實驗段水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基承載力特征值為160 kPa，滿足新建塔然高勒煤礦鐵路專用線工程復(fù)合地基承載力不低于160 kPa的設(shè)計要求。

2)雙向水泥土攪拌樁在施工過程中具有振動弱、噪聲低、水泥土攪拌均勻、選材方便、操作簡單及費用低等優(yōu)勢。同時通過現(xiàn)場試驗，證明該方法處理軟弱土地基效果良好，能夠大幅度提高地基承載力，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

［1］龔曉南．地基處理手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［2］黃德富．雙向攪拌樁在京滬客運專線路基處理中的應(yīng)用［J］．路基工程，2009(3):57-61．

［3］中交鐵道勘察設(shè)計院有限公司．新建塔然高勒煤礦鐵路專用線工程設(shè)計施工圖［Z］．

［4］張延杰，王 旭，蔣代軍，等．粉噴樁技術(shù)在加固松軟土地基中應(yīng)用［J］．低溫建筑技術(shù)，2011(2):101-103．

［5］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］．

［6］JGJ 106-2003，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］．