呈貢某鐵路樞紐軟土地基設計與加固試驗研究

張勤濤

(中鐵十一局集團建筑安裝工程有限公司，湖北襄陽 441057)

0 引言

多向水泥砂漿攪拌樁是采用深層攪拌設備配備多向鉆頭將水泥、砂、水配制成漿液作為固化劑噴入軟土地基中，通過同心雙軸鉆頭同時正反向旋轉，在地基內將軟土和水泥強制攪拌后，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理和化學反應，使軟土固結改性，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的樁體而形成復合地基的一種施工方法[1]。大量文獻資料和工程實例證明常規(guī)水泥土攪拌法存在較嚴重的缺陷和不足。在軟土層較厚、富水地段，達到一定深度后均不同程度的出現(xiàn)成樁時間長、成樁效果差的情況;因設備自身缺陷(鉆速與提速聯(lián)動、攪拌葉片少等)及地層原因，導致樁身強度低且離散性高，常規(guī)攪拌樁已無法滿足設計要求[3-5]。高壓旋噴樁處理深度可達30多米，但其成本是攪拌樁的幾倍;而多向水泥砂漿攪拌樁利用同心雙軸同時正反向旋轉，施工工藝先進、可行、操作性強，施工速度快，工程造價低，有效的填補了水泥攪拌樁與高壓旋噴樁間的空白。

1 工程概況

呈貢某鐵路樞紐為新建客運站，總規(guī)模按16臺30線設計。

本工程設計范圍JK1+300～JK1+650段為深厚軟土地段，長度350 m，填方高度達11 m，路基頂面寬度250 m～340 m;路基需處理寬度340 m～420 m，總軟基處理面積約12.1×104m2。

2 工程地質及水文地質

本工程軟基段橫跨“U”形槽谷，槽谷內上覆主要為淤泥質土，厚度5 m～20 m;由于該段長期有潭水漫流、浸泡，表面絕大部分被水葫蘆等水草覆蓋，表層1.5 m以上多為流塑狀。1.5 m以下以軟塑為主，局部夾透鏡狀粉砂或硬塑狀粉質粘土。

軟土地區(qū)地質詳勘報告對本段描述為從上到下主要為:

⑥-4淤泥質土(軟土)(Qdl+pl4):灰色、黑色、灰黑色，軟塑～流塑狀，分布于白龍?zhí)稖喜蹆群訙系屯莸囟位螋~塘底部，厚5 m～20 m。

⑥-6松軟土(Qdl+pl4):褐黃色、淺灰色，軟塑狀，呈和、透鏡狀分布于白龍?zhí)稖喜蹆群訙系屯莸囟位螋~塘底部，厚0 m～3 m。

⑩-7褐煤(N2):灰色、黑色、灰黑色，軟塑，煤質不均，局部粘性較強，呈透鏡狀分布，厚0 m～4 m。

⑩-5粘土(N2):灰黃、紅褐、灰白等色粘土，硬塑狀，局部呈雞窩狀軟塑，質純，粘性強;局部夾細砂團塊，含少許角礫，屬弱～中等膨脹土，局部為強膨脹土。分布于第四系地層之下，厚度一般大于15 m，部分地段大于20 m。

水文地質:泉點常年出水，呈股狀涌出，枯水期流量150 L/s～200 L/s，豐水期流量約800 L/s，環(huán)境作用類別為化學侵蝕環(huán)境及氯鹽環(huán)境時，水中SO2－4，Mg2+，pH值，Cl－對混凝土結構無侵蝕性。

物理地質:地震動峰值加速度為 0.3g[2]。

3 軟土區(qū)的設計方案比選

本軟土地區(qū)根據(jù)設計要求填高達到11 m，根據(jù)工程特點及造價要求，對該區(qū)域做路基及橋梁方案的比選。

3.1 路基方案

軟土地基采用水泥砂漿攪拌樁加固處理，樁長16 m～20 m，樁間距1.2 m;路基橫斷面兩側坡腳采用水泥砂漿攪拌樁+4～8排鉆孔灌注樁+反壓護道加固;路堤填料采用合格填料填筑。

3.2 橋梁方案

綜合考慮站房及車站咽喉區(qū)道岔布置，鐵路橋均采用跨度12 m連續(xù)剛架結構，順橋向以5跨一聯(lián)為主，部分采用3跨或4跨一聯(lián)，剛架橫橋向依線路走向外包變寬。站臺內結合高架候車廳及無柱雨棚布置，將雨棚柱置于橋墩柱正上方。股道間站臺梁(板)支承于剛架橋兩側，最外側站臺梁一側支承于剛架橋上，另一側支承于獨立墩柱縱梁之上。橋頭設鋼筋混凝土橋頭搭板使橋路剛度平順過渡。全橋共設異型連續(xù)剛架113聯(lián)共9.7萬m2(頂面積)，站臺梁(板)共2.4 萬 m2。

3.3 方案比選

1)工程投資。路基方案概算總額5.8億元，橋梁方案8.5億元。橋梁方案比路基方案投資增加2.7億元。2)方案分析比較。路基方案:優(yōu)點:投資相對較省，比橋方案節(jié)約2.7億元。缺點:地基工程條件復雜，穩(wěn)定與沉降實際情況與理論計算可能有較大偏差;取棄土量大、占地多、對環(huán)境破壞大;工程施工難度大、對施工技術要求高。橋梁方案:優(yōu)點:避免路基取棄土量大、工后沉降量大的缺點，環(huán)保、工程長期穩(wěn)定性好;可有效利用橋下空間。結構形式美觀，與城市周邊環(huán)境結合較好。結論:橋梁方案和路基方案均可實施，但橋梁方案投資較大，推薦采用路基方案。

4 軟土段地基控制標準

4.1 相關控制標準

軟土路堤的相關控制標準參考本地區(qū)鐵路路基的相關標準制定[6]:路堤穩(wěn)定安全系數(shù)，考慮列車荷載時 K≥1.20，不考慮列車荷載時K≥1.25。路基工后沉降控制標準，工后沉降一般不應超過15 cm;路橋交界處的差異沉降不應大于8 cm。

4.2 設計情況介紹

為滿足工后沉降控制標準，經(jīng)沉降分析，設計采用水泥砂漿樁加固，樁徑0.5 m，樁長16.0 m ～20.0 m，樁間距1.2 m，正三角形布置;樁底深入持力層(粘土，灰黃色，硬塑)不小于0.5 m。90 d齡期試塊無側限抗壓強度不小于3.0 MPa，水泥摻入量為不小于濕土重量的17%，復合地基承載力不小于180 kPa。

5 成樁試驗及施工工藝

5.1 試驗目的

通過試驗樁確定以下施工參數(shù):1)每米水泥最佳用量和噴漿量。2)最佳水灰質量比、灰砂質量比。3)噴漿壓力、攪拌提升、下鉆速度。4)砂漿攪拌和壓送配套設備。5)水泥、砂材料的選用。

5.2 主要材料

本次試驗分別按每米摻量54 kg水泥+6 kg粉煤灰、每米摻量60 kg水泥和每米摻量65 kg水泥進行室內配比試驗，摻砂率統(tǒng)一選擇20%。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，砂采用河砂。

每米摻量54 kg水泥+6 kg粉煤灰攪拌樁采用膠凝材料摻量17.5%，漿液配比為水泥∶粉煤灰∶砂∶水 =1∶0.11∶0.22∶0.61。

每米摻量60 kg水泥攪拌樁采用膠凝材料摻量17.5%，漿液配比為水泥∶砂∶水 =1∶0.20∶0.55。

每米摻量65 kg水泥攪拌樁采用膠凝材料摻量19%，漿液配比為水泥∶砂∶水 =1∶0.20∶0.55。

現(xiàn)場根據(jù)選定的3種配比進行試樁施工，每種配比施工3根，共進行9根試樁。

5.3 主要施工工藝

水泥砂漿樁進入已整平的場地和測放了樁位的地段后便準備施鉆，采取四噴四攪，施鉆程序見圖1。

圖1 水泥砂漿樁施工工藝流程

1)攪拌樁機就位、調平，鉆頭對準樁位。

2)攪拌、噴漿下沉:啟動攪拌機，使其鉆桿沿導向架向下攪拌切土，同時開啟送漿泵向土體噴水泥砂漿，此時噴漿目的是為了避免噴漿口被堵塞，兩組葉片同時正、反向旋轉切割、攪拌土體，泥炭質土中適當增加噴漿量，下沉攪拌直到設計深度。

3)達到預定設計深度后，樁端就地持續(xù)噴漿攪拌10 s～30 s以上，使樁端水泥砂漿土充分攪拌均勻。

4)攪拌、噴漿提升:加大噴漿壓力至0.4 MPa ～0.5 MPa，向土體送漿，同時多向攪拌樁機鉆桿上葉片正、反向旋轉，繼續(xù)攪拌水泥土，并均勻提升鉆桿。

5)重復攪拌噴漿:重復工序2)～4)，攪拌、噴漿提升到地表或設計標高，完成單根水泥砂漿樁的施工。

本次現(xiàn)場試驗的相關工藝的具體要求為:第一次鉆進攪拌速度:0.6 m/min ～0.8 m/min，第一次提升噴漿攪拌速度:0.80 m/min ～1.0 m/min，第二次鉆進攪拌速度:0.8 m/min ～1.0 m/min，第二次提升噴漿攪拌速度:0.8 m/min～1.0 m/min，鉆桿轉速保持在內鉆桿轉速44 r/min，外鉆桿轉速52 r/min左右。在施工中鉆進和提升速度根據(jù)地層變化進行適當調整。如果在施工中遇到相對軟弱層，則降低噴漿提升速度，以保證軟弱層與水泥砂漿充分攪拌均勻。

噴漿壓力選擇0.4 MPa～0.5 MPa，試樁長度為18 m。

6 試驗結果

6.1 鉆芯檢測

本次選取了4根共3種摻量的水泥砂漿攪拌樁進行鉆芯取樣檢測90 d齡期無側限抗壓強度，成樁90 d無側限抗壓強度試驗結果見表1。

表1 成樁90 d無側限抗壓強度試驗結果表

3號樁從芯樣看，芯樣連續(xù)、完整，呈長、短柱狀，混合料分布均勻(見圖2)。從芯樣中截取不同深度、不同土層的3個試件進行90 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果滿足設計要求。

4號樁從芯樣看，芯樣連續(xù)、完整，呈長、短柱狀，混合料分布均勻(見圖2)，無其他異常情況，樁身均勻性良好。從芯樣中截取不同深度、不同土層的3個試件進行90 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果不滿足設計要求。

9號樁從芯樣看，芯樣連續(xù)、完整，呈長、短柱狀，樁身均勻性良好，局部受鉆芯擾動破碎。從芯樣中截取不同深度、不同土層的3個試件進行90 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果不滿足設計要求(見圖3)。

圖2 65 kg/m水泥砂漿攪拌樁芯樣照片

圖3 （54 kg水泥+6 kg粉煤灰）/m水泥砂漿攪拌樁芯樣照片

6.2 單樁復合地基載荷試驗

本次選取了3根共3種摻量的水泥砂漿攪拌樁進行單樁復合地基載荷試驗檢測單樁復合地基承載力，檢測結果如下:2號樁(摻量同3號樁)，破壞性試驗加載至500 kN，單樁復合地基承載力極限值為240 kPa，滿足設計要求。5號樁(摻量同4號樁)，破壞性試驗加載至450 kN，單樁復合地基承載力極限值為210 kPa，滿足設計要求。7號樁(摻量同9號樁)，按設計提供的地基承載力特征值的2倍進行加載試驗，加載360 kN，單樁復合地基承載力達到180 kPa，滿足設計要求。

6.3 試驗結論

1)按18 m現(xiàn)場試樁，在采用90 d無側限抗壓強度和單樁復合地基承載力雙控指標判斷，本工程水泥攪拌樁的水泥摻量不應小于19%，即65 kg/m。2)水泥攪拌樁的漿液配比為水泥∶砂∶水=1∶0.20∶0.55。3)噴漿壓力選擇 0.4 MPa ～0.5 MPa，能夠保證施工要求和工程質量要求。4)攪拌樁的施工提升速率應控制在0.8 m/min～1.0 m/min。5)本次工藝性試驗完全可指導大面積施工。

7 結語

鐵路樞紐建設過程中，通常因站場的特點存在大面積軟土加固情況，作為鐵路軟土施工處理效果較好的工藝，多向水泥砂漿攪拌樁的優(yōu)點可歸納為以下幾點:

1)軟土地區(qū)的路堤站場，采用填方站場方案比采用高架站場方案工程方案占優(yōu)。

2)考慮工程樁樁芯抗壓強度平均值一般小于室內試驗值，實際施工時水泥土難以達到室內攪拌的均勻程度，結合現(xiàn)場試驗，建議本工程軟土加固的攪拌樁水泥摻量不應小于19%，每延米水泥用量不應小于65 kg。

3)施工的水泥攪拌樁的漿液配比應為:水泥∶砂∶水 =1∶0.20∶0.55，噴漿壓力選擇 0.5 MPa。

4)采用多向攪拌鉆桿和復攪工藝，能讓土體和水泥漿充分攪拌均勻，提高樁體完整性。

5)砂漿攪拌樁強度存在上部強度較高、下部強度較低的現(xiàn)象，主要與下部土體壓力增大、漿液量減少有關。與其他水泥土樁相比，較水泥攪拌樁強度高、承載力大，較高壓旋噴樁施工成本低。

依據(jù)本次試驗，建議在本地區(qū)的地基加固項目中推廣應用，在5 m～20 m軟土范圍的加固處理將會帶來很好的經(jīng)濟、社會效益。

[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] 云桂引入昆明樞紐補充研究總說明書[Z].中國中鐵二院工程集團有限責任公司，2011.

[3] 王穗平.路基施工技術[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4] 葉書麟.地基處理與托換技術[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[5] JTG D30-2004，公路路基設計規(guī)范[S].

[6] 何賢軍.客貨共線鐵路路基施工技術指南[M].北京:中國鐵道出版社，2008.