雙向水泥土攪拌樁在鐵路專用線工程中的應用

楊文平

(神華包神鐵路有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 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生的一系列物理—化學反應，使軟弱土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的優質地基［1］。雙向水泥土攪拌樁是指在水泥土攪拌樁成樁過程中，由動力系統帶動分別安裝在內、外嵌套同心鉆桿上的兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉攪拌水泥土而形成的水泥土攪拌樁。該技術將水泥土攪拌樁的成樁機械的鉆桿改進為同心雙軸鉆桿，內鉆桿上設置正向旋轉葉片并設置噴漿口，外鉆桿上安裝反向旋轉葉片，通過外桿上葉片反向旋轉過程中的壓漿作用和正方向旋轉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，確保成樁質量［2，3］。

神華集團塔然高勒礦區配套鐵路運煤專用線是為了開發“三西”煤炭基地東勝煤田塔然高勒礦區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。專用線沿途經過鄂爾多斯市東勝區、達拉特旗、杭錦旗三個旗區，正線長78．06 km。該線路西段地形較平緩，東段地形較復雜，沖溝較發育。沿線地形總體上呈現西高東低的特點，其間線路所經過的泊江海子地勢平緩低洼，有多處季節性濕地分布，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。設計采用雙向水泥土攪拌樁，樁頂設0．5 m碎石墊層，墊層內鋪設一層高強(高性能)聚酯雙向土工格柵。

1 地質條件

工點位于泊江海子低洼地帶，為沖洪積平原區，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，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，全風化，結構已破壞，礦物成分主要以石英、長石為主，風化呈散沙狀，手捏易碎，Ⅲ級硬土，σ0=250 kPa。

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

2 水泥土攪拌樁的現場施工

2．1 設計參數

設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，并調整鉆機水平，保證攪拌機導向架垂直;3)切土下沉:啟動攪拌機，開動旋轉葉片，使攪拌機沿導向架垂直向下切土，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、反向旋轉切割、攪拌土體，攪拌機持續下沉，直至設計深度;4)攪拌提升:關閉漿泵，提升攪拌機，兩組葉片同時正反向旋轉重復攪拌水泥土，直到地表或設計標高以上50 cm;5)重復噴射鉆進攪拌;6)重復攪拌提升，完成水泥土雙向攪拌樁單樁施工;7)成樁完畢，移位。

2．3 水泥土攪拌樁復合地基靜載荷試驗

在水泥土攪拌樁成樁28 d后，現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合地基靜載荷試驗。

2．3．1 檢測設備

現場檢測儀器及設備: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。單樁復合地基靜載荷試驗加荷系統示意圖如圖1所示。

圖1 單樁復合地基靜載荷試驗加荷系統示意圖

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，千斤頂上設置主、次梁，其上再堆載配重(沙袋)，最大堆載重量600 kN。本次現場試驗采用慢速維持荷載法［5，6］。現場加載共分8級，每級加載量為40 kPa，最大加載量為320 kPa(水泥土攪拌樁復合地基承載力設計值的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梁上)。

3 試樁復合地基靜載荷試驗及分析計算

3．1 復合地基承載力特征值的確定方法

按JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范附錄A規定，復合地基承載力特征值的確定［5］:

1)當壓力—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，當其值大于2 m時，按2 m計算)等于0．006所對應的壓力，但按相對變形值確定的承載力特征值不應大于最大加載壓力的一半;2)試驗點的數量不應少于3點，當滿足其極差不超過平均值的30%時，可取其平均值為復合地基承載力特征值。

3．2 水泥土攪拌樁單樁復合地基靜載荷試驗結果

水泥土攪拌樁單樁復合地基靜載荷試驗數據表見表1;試驗p—s曲線如圖2所示，測試結果見表2。

表1 水泥土攪拌樁單樁復合地基載荷試驗數據表

圖2 水泥土攪拌樁單樁復合地基p—s曲線

表2 水泥土攪拌樁單樁復合地基載荷試驗測試結果

3．3 單樁復合承載力特征值的確定

根據圖2可以看出，三條曲線均平緩光滑且無明顯陡降段。根據規定，上述三根試驗樁的復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JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范附錄A規定，三根試驗樁的單樁復合地基承載力特征值應為160 kPa。

根據3組單樁復合地基載荷試驗，可得出試驗場區單樁復合地基承載力特征值為160 kPa。

4 結語

1)通過試驗段隨機進行的三根水泥土攪拌樁單樁復合地基的靜載荷試驗以及對試驗數據的分析計算，確定了該實驗段水泥土攪拌樁單樁復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合地基承載力不低于160 kPa的設計要求。

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勢。同時通過現場試驗，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濟效益。

［1］龔曉南．地基處理手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2008．

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

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

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

［5］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］．

［6］JGJ 106-2003，建筑基樁檢測技術規范［S］．