呈貢某鐵路樞紐軟土地基設(shè)計(jì)與加固試驗(yàn)研究

張勤濤

(中鐵十一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，湖北襄陽(yáng) 441057)

0 引言

多向水泥砂漿攪拌樁是采用深層攪拌設(shè)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(guò)同心雙軸鉆頭同時(shí)正反向旋轉(zhuǎn)，在地基內(nèi)將軟土和水泥強(qiáng)制攪拌后，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，使軟土固結(jié)改性，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的樁體而形成復(fù)合地基的一種施工方法[1]。大量文獻(xiàn)資料和工程實(shí)例證明常規(guī)水泥土攪拌法存在較嚴(yán)重的缺陷和不足。在軟土層較厚、富水地段，達(dá)到一定深度后均不同程度的出現(xiàn)成樁時(shí)間長(zhǎng)、成樁效果差的情況;因設(shè)備自身缺陷(鉆速與提速聯(lián)動(dòng)、攪拌葉片少等)及地層原因，導(dǎo)致樁身強(qiáng)度低且離散性高，常規(guī)攪拌樁已無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[3-5]。高壓旋噴樁處理深度可達(dá)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(shí)正反向旋轉(zhuǎn)，施工工藝先進(jìn)、可行、操作性強(qiáng)，施工速度快，工程造價(jià)低，有效的填補(bǔ)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(yùn)站，總規(guī)模按16臺(tái)30線設(shè)計(jì)。

本工程設(shè)計(jì)范圍JK1+300～JK1+650段為深厚軟土地段，長(zhǎng)度350 m，填方高度達(dá)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(zhì)及水文地質(zhì)

本工程軟基段橫跨“U”形槽谷，槽谷內(nèi)上覆主要為淤泥質(zhì)土，厚度5 m～20 m;由于該段長(zhǎng)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(zhì)粘土。

軟土地區(qū)地質(zhì)詳勘報(bào)告對(duì)本段描述為從上到下主要為:

⑥-4淤泥質(zhì)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?nèi)河溝低洼地段或魚(yú)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?nèi)河溝低洼地段或魚(yú)塘底部，厚0 m～3 m。

⑩-7褐煤(N2):灰色、黑色、灰黑色，軟塑，煤質(zhì)不均，局部粘性較強(qiáng)，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(zhì)純，粘性強(qiáng);局部夾細(xì)砂團(tuán)塊，含少許角礫，屬弱～中等膨脹土，局部為強(qiáng)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(zhì):泉點(diǎn)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(lèi)別為化學(xué)侵蝕環(huán)境及氯鹽環(huán)境時(shí)，水中SO2－4，Mg2+，pH值，Cl－對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)侵蝕性。

物理地質(zhì):地震動(dòng)峰值加速度為 0.3g[2]。

3 軟土區(qū)的設(shè)計(jì)方案比選

本軟土地區(qū)根據(jù)設(shè)計(jì)要求填高達(dá)到11 m，根據(jù)工程特點(diǎn)及造價(jià)要求，對(duì)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(zhǎng)16 m～20 m，樁間距1.2 m;路基橫斷面兩側(cè)坡腳采用水泥砂漿攪拌樁+4～8排鉆孔灌注樁+反壓護(hù)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(chē)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(jié)構(gòu)，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(tái)內(nèi)結(jié)合高架候車(chē)廳及無(wú)柱雨棚布置，將雨棚柱置于橋墩柱正上方。股道間站臺(tái)梁(板)支承于剛架橋兩側(cè)，最外側(cè)站臺(tái)梁一側(cè)支承于剛架橋上，另一側(cè)支承于獨(dú)立墩柱縱梁之上。橋頭設(shè)鋼筋混凝土橋頭搭板使橋路剛度平順過(guò)渡。全橋共設(shè)異型連續(xù)剛架113聯(lián)共9.7萬(wàn)m2(頂面積)，站臺(tái)梁(板)共2.4 萬(wàn) 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(diǎn):投資相對(duì)較省，比橋方案節(jié)約2.7億元。缺點(diǎn):地基工程條件復(fù)雜，穩(wěn)定與沉降實(shí)際情況與理論計(jì)算可能有較大偏差;取棄土量大、占地多、對(duì)環(huán)境破壞大;工程施工難度大、對(duì)施工技術(shù)要求高。橋梁方案:優(yōu)點(diǎn):避免路基取棄土量大、工后沉降量大的缺點(diǎn)，環(huán)保、工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性好;可有效利用橋下空間。結(jié)構(gòu)形式美觀，與城市周邊環(huán)境結(jié)合較好。結(jié)論:橋梁方案和路基方案均可實(shí)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(biāo)準(zhǔn)

4.1 相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)

軟土路堤的相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)參考本地區(qū)鐵路路基的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定[6]:路堤穩(wěn)定安全系數(shù)，考慮列車(chē)荷載時(shí) K≥1.20，不考慮列車(chē)荷載時(shí)K≥1.25。路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，工后沉降一般不應(yīng)超過(guò)15 cm;路橋交界處的差異沉降不應(yīng)大于8 cm。

4.2 設(shè)計(jì)情況介紹

為滿(mǎn)足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)沉降分析，設(shè)計(jì)采用水泥砂漿樁加固，樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于3.0 MPa，水泥摻入量為不小于濕土重量的17%，復(fù)合地基承載力不小于180 kPa。

5 成樁試驗(yàn)及施工工藝

5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)試驗(yàn)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(zhì)量比、灰砂質(zhì)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(shè)備。5)水泥、砂材料的選用。

5.2 主要材料

本次試驗(yàn)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(jìn)行室內(nèi)配比試驗(yàn)，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(jí)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(chǎng)根據(jù)選定的3種配比進(jìn)行試樁施工，每種配比施工3根，共進(jìn)行9根試樁。

5.3 主要施工工藝

水泥砂漿樁進(jìn)入已整平的場(chǎng)地和測(cè)放了樁位的地段后便準(zhǔn)備施鉆，采取四噴四攪，施鉆程序見(jiàn)圖1。

圖1 水泥砂漿樁施工工藝流程

1)攪拌樁機(jī)就位、調(diào)平，鉆頭對(duì)準(zhǔn)樁位。

2)攪拌、噴漿下沉:啟動(dòng)攪拌機(jī)，使其鉆桿沿導(dǎo)向架向下攪拌切土，同時(shí)開(kāi)啟送漿泵向土體噴水泥砂漿，此時(shí)噴漿目的是為了避免噴漿口被堵塞，兩組葉片同時(shí)正、反向旋轉(zhuǎn)切割、攪拌土體，泥炭質(zhì)土中適當(dāng)增加噴漿量，下沉攪拌直到設(shè)計(jì)深度。

3)達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)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?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

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(shí)多向攪拌樁機(jī)鉆桿上葉片正、反向旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)攪拌水泥土，并均勻提升鉆桿。

5)重復(fù)攪拌噴漿:重復(fù)工序2)～4)，攪拌、噴漿提升到地表或設(shè)計(jì)標(biāo)高，完成單根水泥砂漿樁的施工。

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的相關(guān)工藝的具體要求為:第一次鉆進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)速保持在內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)速44 r/min，外鉆桿轉(zhuǎn)速52 r/min左右。在施工中鉆進(jìn)和提升速度根據(jù)地層變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如果在施工中遇到相對(duì)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?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

噴漿壓力選擇0.4 MPa～0.5 MPa，試樁長(zhǎng)度為18 m。

6 試驗(yàn)結(jié)果

6.1 鉆芯檢測(cè)

本次選取了4根共3種摻量的水泥砂漿攪拌樁進(jìn)行鉆芯取樣檢測(cè)90 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，成樁90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 成樁90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

3號(hào)樁從芯樣看，芯樣連續(xù)、完整，呈長(zhǎng)、短柱狀，混合料分布均勻(見(jiàn)圖2)。從芯樣中截取不同深度、不同土層的3個(gè)試件進(jìn)行90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4號(hào)樁從芯樣看，芯樣連續(xù)、完整，呈長(zhǎng)、短柱狀，混合料分布均勻(見(jiàn)圖2)，無(wú)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(gè)試件進(jìn)行90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

9號(hào)樁從芯樣看，芯樣連續(xù)、完整，呈長(zhǎng)、短柱狀，樁身均勻性良好，局部受鉆芯擾動(dòng)破碎。從芯樣中截取不同深度、不同土層的3個(gè)試件進(jìn)行90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)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(fù)合地基載荷試驗(yàn)

本次選取了3根共3種摻量的水泥砂漿攪拌樁進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)檢測(cè)單樁復(fù)合地基承載力，檢測(cè)結(jié)果如下:2號(hào)樁(摻量同3號(hào)樁)，破壞性試驗(yàn)加載至500 kN，單樁復(fù)合地基承載力極限值為240 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。5號(hào)樁(摻量同4號(hào)樁)，破壞性試驗(yàn)加載至450 kN，單樁復(fù)合地基承載力極限值為210 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。7號(hào)樁(摻量同9號(hào)樁)，按設(shè)計(jì)提供的地基承載力特征值的2倍進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載360 kN，單樁復(fù)合地基承載力達(dá)到180 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6.3 試驗(yàn)結(jié)論

1)按18 m現(xiàn)場(chǎng)試樁，在采用90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和單樁復(fù)合地基承載力雙控指標(biāo)判斷，本工程水泥攪拌樁的水泥摻量不應(yīng)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(zhì)量要求。4)攪拌樁的施工提升速率應(yīng)控制在0.8 m/min～1.0 m/min。5)本次工藝性試驗(yàn)完全可指導(dǎo)大面積施工。

7 結(jié)語(yǔ)

鐵路樞紐建設(shè)過(guò)程中，通常因站場(chǎng)的特點(diǎn)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(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn):

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

2)考慮工程樁樁芯抗壓強(qiáng)度平均值一般小于室內(nèi)試驗(yàn)值，實(shí)際施工時(shí)水泥土難以達(dá)到室內(nèi)攪拌的均勻程度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建議本工程軟土加固的攪拌樁水泥摻量不應(yīng)小于19%，每延米水泥用量不應(yīng)小于65 kg。

3)施工的水泥攪拌樁的漿液配比應(yīng)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(fù)攪工藝，能讓土體和水泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆颍岣邩扼w完整性。

5)砂漿攪拌樁強(qiáng)度存在上部強(qiáng)度較高、下部強(qiáng)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(guān)。與其他水泥土樁相比，較水泥攪拌樁強(qiáng)度高、承載力大，較高壓旋噴樁施工成本低。

依據(jù)本次試驗(yàn)，建議在本地區(qū)的地基加固項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，在5 m～20 m軟土范圍的加固處理將會(huì)帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

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