多向水泥砂漿攪拌樁在高填方地基加固中的應用

錢國玉，郭克誠，陳 磊

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司 地質路基勘察設計院，北京 100055;2.武漢謙誠巖土工程有限責任公司，武漢 430062)

1 工程概況

大量文獻資料和工程實例證明，常規水泥土攪拌法存在較嚴重的缺陷和不足。常規水泥土攪拌法是采用單向單軸攪拌設備，在地基深處將軟土和水泥強制攪拌。因設備自身缺陷(鉆速與提速聯動、攪拌葉片少、單向攪拌、轉速低等)及地層原因(在土壓力作用下漿液易上冒、高塑性黏性土不易攪散等)，導致樁身強度低且離散性高，限制了水泥土攪拌樁的應用范圍。尤其對工后沉降要求高，以沉降控制設計的工程，常規攪拌樁已無法滿足設計要求。

根據該工程概況、地質及水文地質條件，研究決定采用多向水泥砂漿攪拌樁復合地基。該項專利技術是武漢高鐵樁工科技有限公司專利申請的多向水泥(水泥砂漿)土攪拌法。利用PH-5型攪拌樁成樁機械作為機架，由位于鉆機底部操作臺的動力系統，通過外鉆桿轉遞動力，再通過鉆桿頂部配備的專用傳動箱，同時帶動同心多軸鉆桿正反向旋轉。在內鉆桿上設置多層正向旋轉葉片并設置噴漿口，在外鉆桿上安裝多層反向旋轉葉片。通過外桿葉片反向旋轉過程中的壓漿作用和內桿上多層正向旋轉葉片同時攪拌水泥(水泥砂漿)土的作用，阻斷水泥(砂)漿上冒途徑，把水泥(砂)漿基本控制在最上、最下兩組葉片之間，保證水泥(砂)漿在樁體中均勻分布和充分攪拌均勻，可確保成樁質量并大幅度提高樁身強度。

南廣鐵路梧州南站 D1K237+520～D1K237+620、D1K238+330～D1K238+540段路基采用水泥砂漿攪拌樁處理。設計樁徑0.5 m，樁間距0.9 m，樁長13～16 m，樁平面布置形式為正三角形。水泥砂漿攪拌樁采用P.O 42.5號普通硅酸鹽水泥，水泥用量不少于56 kg/m3，水泥砂漿土無側限抗壓強度不小于2.50 MPa。樁頂設0.5 m厚砂礫石墊層，內鋪設一層雙向經編土工格柵，每側回折不小于2.0 m。

2 工程地質及水文地質條件

1)地形地貌:路線經過低山丘陵區，地形略有起伏，相對高差10～40 m，自然坡度 10°～30°。植被較發育，小山丘多為林地、果園及旱地，溝谷多為農田。

2)自上而下出露地層有:

①素填土:硬塑;

②粉質黏土:流塑 ～軟塑，Ⅱ級，σ0=100～120 kPa;

③粉質黏土:硬塑，Ⅱ級，σ0=200 kPa;

④中砂:松散，飽和，Ⅱ級，σ0=150 kPa;

⑤花崗巖:全風化，Ⅲ級，σ0=300 kPa;

3)沿線的地表水主要為溝谷中的溪水，水塘中水，水量隨季節變化。勘察期間地下水位埋深0.3～10.0 m.地下水主要為巖層的裂隙水與第四系粉質黏土中的孔隙潛水，水量較小，由大氣降水補給。地表水、地下水對混凝土無侵蝕性。

4)地震動峰值加速度:0.05 g。

5)不良地質與特殊巖土:溝谷低洼處分布軟塑～流塑狀的黏性土，為軟土或松軟土。

6)水文地質條件:路基范圍內地下水埋深一般0.3～10.0 m，主要為第四系孔隙潛水;路基范圍內所取水樣，根據《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》(鐵建設〔2005〕157號)及[鐵建設(2007)]140號《通知》判定，地表水不具侵蝕性，地下水不具有侵蝕性。

3 設計方法

1)設計依據。路堤穩定安全系數，考慮列車荷載時Kmin≥1.20，不考慮列車荷載Kmin≥1.15。路基工后沉降控制標準，工后沉降一般≤15 cm;路橋交界處的差異沉降≤8 cm。

3)特殊段地基處理。三區 D1K237+520～D1K237+620(左線)9～13 m段含泥炭土，因泥炭土成樁效果差，除按上述施工參數施工外，添加生石膏粉(水泥用量的3%)，在8～14 m段復噴攪一次。

4 工藝試驗

4.1 室內配合比實驗

在施工多向水泥砂漿攪拌樁復合地基前先做試驗樁，做試驗樁前先在施工現場取樣按設計要求進行室內配比試驗，測定各水泥砂漿試塊不同齡期、不同水泥、砂摻入量的抗壓強度，找出滿足設計要求的最佳水灰比及水泥、砂的摻量。要求水泥砂漿樁試塊(邊長7.07 cm立方體)無側限抗壓強度不小于2.5 MPa。配制的灰漿應流動性好、便于泵送、噴攪。因泥炭土中有機質含量高，不加外摻劑的加固效果較差。根據設計要求添加3%生石膏粉以提高水泥土的強度。

成樁工藝試驗:利用室內水泥砂漿土配比的試驗結果，選擇有代表性地段進行現場成樁試驗，檢驗成樁效果，確定滿足設計要求的施工工藝和施工參數。

根據工程需要取施工現場的土樣在實驗室做7 d齡期的水泥砂漿攪拌樁配合比。

4.2 樁工設備研發簡介

多向水泥(水泥砂漿)土攪拌樁機是針對常規水泥土攪拌樁施工中存在的問題，充分利用現有的PH-5型大扭矩粉噴樁成樁機械作為機架，由武漢高鐵樁工科技有限公司研發的多項專利技術集于一身，并對原設備進行改進而形成的一種新產品。改進后的樁機克服了單向單軸常規攪拌不均勻、漿液上冒、樁體強度低等缺陷，樁體強度大幅度提高。

該種樁機的主要特點:

1)專利傳動箱。其內部結構主要為齒輪和軸承裝置，主電機傳到外鉆桿的扭矩通過傳動箱分解到內鉆桿，并形成與外鉆桿旋轉方向相反的扭矩實現多向攪拌。工藝巧妙，受力合理，重量輕，安裝操作簡單。

2)多功能鉆頭。通過特制鉆桿接頭與內、外鉆桿連接，安裝方便可靠。鉆頭葉片傾角近水平向，有利于定心和攪拌。內鉆桿葉片設有噴漿孔，分漿均勻，便于對土體和水泥漿充分攪拌。材質采用高強耐磨合金鋼精鑄而成，鋒利耐磨，進尺快，硬土層和黏土層都能達到較好的成樁效果。

槍聲定位模擬實驗通過鞭炮聲來模擬槍聲信號，每次網絡檢測到槍聲信號都存在單一節點直接失效的風險，尤其是簇頭的直接失效將會導致整個網絡的癱瘓。在一組實驗中，存在始終沒有作為簇頭的節點，并以此節點的實驗數據為例，表1中列出了簇頭失效情況下的5次檢測的結果。序號0表示鞭炮的實際位置，序號1表示單點定位結果，序號2表示本次網絡數據融合定位結果。

3)專利扶正器。在施工長樁時，因塔架超高，施工時鉆架和鉆桿晃動很厲害，具有安全隱患，樁體垂直度也達不到設計要求，影響樁身質量。為了克服上述缺陷，扶正器結合攪拌樁施工特點，充分研究晃動原因，開發出的專利產品，經現場實踐，樁機平穩性明顯改善。

4)安裝單獨無級調速電機，控制下鉆加壓與提鉆。下鉆提升鉆桿速度從0.3 m/min到2.7 m/min之間實現無級調速，調節輕便、快捷，實現了下鉆提升與鉆桿旋轉速度分離。

5)大轉盤主動力獨立傳動結構45 kW電機→五檔變速箱→正反檔變速箱→傳動軸→大轉盤→外鉆桿(外鉆頭)→傳動箱→內鉆桿(內鉆頭)。

6)鉆速與提速分離，確保成樁質量。較硬地層鉆進、提鉆和攪拌均可隨意調速，大大降低了機手的勞動強度。簡化了復雜傳動機構的操作程序，簡便、省時、省力、維修費用低、工作效率高。

4.3 試驗樁

試樁共檢測3根，設計樁長為16.0 m，樁徑均為500 mm，樁間距0.9 m，呈等邊三角形布置，置換率 為0.280。路堤高度15 m，采用多向攪拌樁施工機械施工。

單樁復合地基靜載試驗點試驗齡期為28 d。

當路堤高度h<3 m時，設計單樁復合地基極限承載力≥180 kPa;當路堤高度h>3 m時，設計單樁復合地基極限承載力≥1.5 γh，γ為路堤填土重度。經計算，單樁復合地基極限承載力≥432 kPa。

單樁復合地基靜載試驗，按樁間距0.90 m呈等邊三角形布置，計算其等效圓直徑。承壓板采用直徑0.945 m、面積為0.701 m2的鋼制壓板。

靜載荷試驗成果見表1。可以看出單樁復合地基試驗點S1～S3的P～S曲線基本呈線性變化，說明隨著載荷試驗的逐級加載，地基在各級荷載作用下，其沉降量在較為均勻地變化，在最終荷載432 kPa作用下，沉降量也無明顯增大。表明地基極限承載力≥432 kPa，承載力特征值≥216 kPa。

5 施工工藝流程

1)多向水泥土攪拌法的施工工藝流程

多向水泥(水泥砂漿)土攪拌樁機進入已整平的場地和測放了樁位的地段后便準備施鉆。施鉆程序如下:

表1 單樁復合地基靜載試驗匯總

原地面處理→測量放樣→鉆機就位→攪拌鉆進至設計深度→噴漿、攪拌、提升→提升至停漿面→復攪至設計深度→提升攪拌至樁頂→鉆機移位。

樁頭應原位攪拌≥2 min，噴漿壓力≥0.4 MPa。

2)施工參數選擇

下鉆鉆進速度0.8 m/min，轉速 60～130 r/min。噴漿量≥58 L/m，下鉆噴漿量占總漿量的80%以上。

提升速度1.2 m/min，轉速80～140 r/min。噴漿量≤20 L/m，提鉆噴漿量占總漿量的20%以下;漿噴壓力為0.4～0.6 MPa;

配合比:嚴格按設計配合比拌制漿液，施工應根據漿液濃度、泵送情況實施調整配合比。

6 施工質量保證措施

1)鉆機就位必須準確，其孔位偏差≤20 mm，鉆桿垂直度偏差≤1%。鉆機開鉆前，現場施工員必須進行檢查，及時調整。

2)施工前應認真檢查相關設備及管路系統。設備的性能應滿足設計要求。管路系統的密封必須良好，管道必須暢通。

3)制備好的漿液不得離析，泵送必須連續，水泥漿應采用二次攪拌工藝。攪拌順序為:向攪拌桶里注入固定量的水，邊攪拌邊摻入水泥，依次加入砂子，攪拌均勻后放入二次攪拌桶內進行二次攪拌待用。使用前，用比重計或比重檢測儀測定水泥砂漿的相對密度，符合要求(一般水泥砂漿的正常相對密度為1.70～1.80)后方可投入使用。

4)攪拌機鉆頭下沉和提升速度、供漿與停漿時間、下鉆深度、噴漿高程及停漿面、單樁噴漿量等均應符合施工工藝的要求，并應有專人記錄。當多向攪拌水泥砂漿樁到達樁端時，應原位噴漿攪拌10～30 s，樁底水泥砂漿與土體充分攪拌均勻，再開始提升攪拌頭，確保成樁質量。

5)成樁過程中，由于電壓過低或其他原因造成停機使成樁工藝中斷時，應將多向水泥砂漿攪拌樁機下沉至停漿點以下0.5 m，待恢復供漿時再噴漿攪拌提升。若停機超過3 h，為防止水泥砂漿在整個輸漿管路中凝固，宜先拆卸輸漿管路，并清洗干凈。

6)施工中若發現噴漿量不足時，應按要求復噴，復噴的噴漿量不小于設計用量。

7)現場各項原始記錄必須真實、齊全。

7 工藝研發方向

1)水泥(水泥砂漿)土攪拌樁加固效果的影響因素主要有固化劑的特性、土質特性、攪拌狀態、養護條件等，目前國內攪拌樁存在水泥土攪拌不均勻、樁身不連續、樁身強度不足等問題。上述多(雙)向水泥(水泥砂漿)土攪拌法已解決了地層攪拌不均勻的情況，大大提高了攪拌樁的成樁質量。由于地質土層特性及地下養護條件等客觀條件很難改變，筆者認為水泥(水泥砂漿)土攪拌法可從以下方面進行改進。

7.1 加固材料

研發完全替代水泥的新型環保固化劑、高效外加劑等。利用電石渣、煤矸石、磷石膏等工業廢渣替代大部分水泥固化劑，廢渣固化土強度比水泥固化土強度提高幅度要大。完全用工業廢渣制備的固化劑，廢渣固化土強度比水泥固化土強度提高了近兩倍。

7.2 施工機械

①智能化施工設備:能根據地質情況變化，自動調節下鉆(提升)速度和轉速以及深度、流量自動記錄等，以減少人為因素;②大扭矩成樁設備:開發成樁深度30 m左右，有穿越中間硬夾層能力的施工設備;③同步監測設備:研發機臺上適時記錄每根樁成樁過程參數，集中監控室記錄范圍20 km內每臺樁機的工作狀態、施工參數的監測設備。

7.3 施工工藝創新

根據不同地質情況、上部荷載大小、成樁機械特點及荷載在地基中的傳遞規律，采用加芯水泥土樁、長短樁、疏密樁、變截面樁、水泥土樁加塑料排水帶等不同樁基共同承擔荷載。例如武漢高鐵樁工科技有限公司研究開發的多向水泥(水泥砂漿)土加芯攪拌樁，結合攪拌樁、剛性樁、長短樁、多向噴射灰砂樁等加固技術。幾種工藝組合揚長避短，可實現攪拌樁與芯樁作業同步進行，施工簡單，樁體受力更趨合理，樁身強度提高2～10倍，大大提高工作效率。

8 結語

1)通過上述多向水泥砂漿攪拌樁復合地基的工藝性試驗樁獲得了以下結果:①掌握滿足設計單樁噴漿量(由水泥摻入量、水灰比、灰砂比計算)的各種技術參數，如鉆桿下沉和提升速度、灰漿經輸漿管到達攪拌機噴漿口的時間、噴漿壓力、送漿量、送漿壓力、攪拌機轉速、進入持力層電流和鉆進速度等。②掌握下沉和提升的阻力情況，選擇合理的攪拌頭形式、電機功率與攪拌葉片的寬度和傾角等。③檢驗室內試驗所確定的摻灰量、水灰比、灰砂比是否便于施工，是否需要添加外加劑等。④檢驗樁身的無側限抗壓強度、單樁承載力、單樁復合地基承載力是否滿足設計要求。⑤根據試樁獲得的參數調整施工組織設計或施工方案。

2)因泥炭土中有機質含量高，不加外摻劑的加固效果較差。添加3%生石膏粉和多復噴攪一遍以提高水泥砂漿土樁身的強度和完整性。

3)由于在砂漿攪拌樁復合地基上面還有15 m的填方，所以該復合地基抗側向滑移也是非常重要的指標，它直接關系到該地基的穩定性。截至2009年11月底填方工程已全部碾壓完成，至今未出現滑動面失穩的跡象。

[1]郭克誠，李斌，陳磊.錨固與注漿技術手冊(第二版)[M].北京:中國電力出版社，2009.

[2]中華人民共和國鐵道部.TZ212-2005 客運專線鐵路路基工程施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社，2005.