鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工技術(shù)研究

摘要：為了提高水泥攪拌樁在鐵路軟土路基施工中的強(qiáng)度，對(duì)鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)計(jì)算水泥土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和水泥土的變形模量，確定水泥土材料的力學(xué)特性。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到水灰比和水泥摻入比對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，選定了施工技術(shù)參數(shù)，結(jié)合水泥攪拌樁加固施工流程，實(shí)現(xiàn)鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工。成樁檢測(cè)結(jié)果表明：將該技術(shù)應(yīng)用在鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工中，將水泥摻入比和設(shè)置為20%，30r/min能夠滿(mǎn)足水泥攪拌樁體在鐵路軟土路基中強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：軟土路基；力學(xué)特性；加固施工；抗壓強(qiáng)度；水泥攪拌樁

0 " 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度越來(lái)越快，各大城市間的交通運(yùn)輸壓力逐漸增大，為了緩解鐵路運(yùn)輸壓力、提高運(yùn)輸效率，國(guó)內(nèi)修建了許多新的客運(yùn)專(zhuān)線和高鐵[1]。但由于高鐵施工過(guò)程，面臨著工程量大，施工周期緊張等問(wèn)題，導(dǎo)致施工難度大。為了確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩裕涌焓┕みM(jìn)度，減少運(yùn)行和維修費(fèi)用，人們對(duì)國(guó)內(nèi)的鐵路施工建設(shè)和運(yùn)行管理模式提出了高要求[2]。

在高速鐵路施工過(guò)程中，路基與基礎(chǔ)的加固是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的工作，直接影響到后期高速鐵路的長(zhǎng)期發(fā)展。為了增加基礎(chǔ)路基的承載力，降低沉降量，通常采用混凝土攪拌樁[3]。利用軟土地基水泥攪拌樁加固技術(shù)，不僅可以降低挖掘和拋石場(chǎng)臨時(shí)占地，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還可以有效降低施工成本。

葉朝良等人[4]通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)水泥漿灌注樁的技術(shù)實(shí)驗(yàn)，用來(lái)驗(yàn)證水泥攪拌樁在坡麓邊坡軟土工程中的安全性能，通過(guò)鎮(zhèn)雄站沿線進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，獲取坡麓坡面上存在的分層特征，發(fā)現(xiàn)土體和水泥柱之間存在著較大的差異，會(huì)造成工程質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，證明了采用單根混凝土攪拌樁對(duì)坡麓相邊坡的軟黏土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)是不合適的，采用空攪可使原有的軟黏土結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使其黏合力減小，從而確保噴漿攪拌樁在施工中的均勻度。

陳良志等人[5]利用三維彈性力學(xué)軟件PLAXIS3D技術(shù)，對(duì)組合指數(shù)與實(shí)樁的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，并以某斜坡式海堤工程為例，運(yùn)用三維彈性力學(xué)方法，將其應(yīng)用于實(shí)際軟弱地基的土拱效應(yīng)分析中，獲取樁端平面上樁土之間的沉降差。通過(guò)水泥攪拌樁對(duì)軟基加固的約束作用，使其更加符合實(shí)際施工的標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果表明，該方法可以真實(shí)地反映出軟土地基的位移情況，具有較好的使用性能。

基于以上研究背景，本文針對(duì)鐵路軟土路基水泥攪拌樁設(shè)計(jì)一種加固施工技術(shù)，從而保證水泥樁的穩(wěn)定性。

1 " 工程概況

某鐵路工程項(xiàng)目工程全長(zhǎng)20.4km，橫跨兩條大橋，起止樁號(hào)為K280+470～K320+322，其中軟土路段主要分布在K298+309～K304+304段和K310+420～K318+176段，軟土路基主要由塑性黏土、淤泥質(zhì)土、軟弱的粉土和淤泥構(gòu)成，靜力觸探錐尖阻力值在0.80MPa以下。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，K298+309～K304+304、K310+420～

K318+176段為河湖沖積平原，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，地層主要以淤泥和淤泥質(zhì)土為主，還含有淤泥質(zhì)、泥質(zhì)土、礫石等，其中以軟-流塑狀粘性土為主，泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r、頁(yè)巖為其下伏基巖。研究段的地下水比較充足，主要由裂隙水和孔隙水組成，還包括一定量的巖溶水，具有較高的水位。

2 " 確定水泥土材料的力學(xué)特性

在鐵路軟土路基工程中，水泥攪拌樁加固施工所用到的水泥土材料，需要在抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和變形模量上具備較高的性能[6]。抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

（1）

式中：Fc代表水泥土遭到破壞時(shí)的最大荷載，A代表受壓面積。

而對(duì)于抗剪強(qiáng)度而言，與水泥土的抗壓強(qiáng)度有著密切的相關(guān)性，利用冪函數(shù)擬合的方法[7]，得到抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式：

Φ=3.2Rc0.6 " " " " " " " " " " " " （2）

水泥土的變形模量與抗壓強(qiáng)度仍然具有很強(qiáng)的相關(guān)性，通過(guò)擬合可以得到兩者之間的線性關(guān)系：

Eq=142Rc " " " " " " " " " " " " " （3）

根據(jù)以上指標(biāo)，能夠確定水泥土材料的強(qiáng)度特性，為鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工提供指標(biāo)依據(jù)。

3 " 選定施工技術(shù)參數(shù)

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)選定水泥攪拌樁加固施工的技術(shù)參數(shù)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通過(guò)制備水泥漿加固體試件，研究影響水泥攪拌樁加固工程的因素。在不同的水灰比下，采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，研究水灰比、水泥混合比例對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[8]，如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，在混凝土中加入水泥漿料后，其抗壓性能發(fā)生了明顯的變化，且在相同的摻量下，其抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而下降。但是不斷增加水泥的摻入比后，水泥土的抗壓承載力下降得更迅速。隨著水泥摻入比例的降低，盡管混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高，但其均勻程度卻有所下降。經(jīng)過(guò)全面分析，確定該項(xiàng)目中水泥漿的水灰比為0.50。

從圖2可以看出，不同水泥摻入比對(duì)水泥的抗壓強(qiáng)度有明顯的影響作用，水泥土的抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而迅速增大。結(jié)合工程的實(shí)際情況，工程中水泥攪拌樁的水泥摻入比例為13%。

4 " 施工流程

水泥攪拌樁是一種不壓實(shí)的非擠土樁型，在加固施工過(guò)程中，通過(guò)不斷地?cái)嚢瑁梢源龠M(jìn)路基土體松散，利用水泥漿能夠迅速將路基中松散的土體凝結(jié)，從而達(dá)到加固軟土的目的。具體施工流程如圖3所示。

5 " 施工要點(diǎn)

5.1 " 施工準(zhǔn)備

在鐵路軟土路基上進(jìn)行水泥攪拌樁加固施工前，應(yīng)首先清理現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于原有地基承載量不足的，可在原有地基的基礎(chǔ)上進(jìn)行土石方填筑，使機(jī)器能順利通過(guò)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)地勘察，決定攪拌樁的施工區(qū)域，按照設(shè)計(jì)圖上的要求把樣品放在樁基上，用木樁做好標(biāo)記。

5.2 " 試樁

為了確定攪拌樁的鉆進(jìn)速度、起重速度、攪拌速度、噴漿壓力和單位時(shí)間噴射速度等，一般采用5個(gè)以上的試樁。在此基礎(chǔ)上，水泥漿的設(shè)計(jì)滲透率為15%，選用P.O42.5等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，其水灰比例在0.5～0.6左右，樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求大于1.0MPa。試樁結(jié)束后，只有通過(guò)檢驗(yàn)并經(jīng)過(guò)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)之后，方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工操作。

5.3 " 制備水泥漿

在制水泥漿時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行鉆孔、攪拌等施工工藝，確定的水泥摻入量為15%，水灰比例按照0.5～0.6進(jìn)行控制[9]。對(duì)配制的水泥漿進(jìn)行攪拌，以確保漿液的黏度不發(fā)生分離，過(guò)濾掉沉淀物。

5.4 " 攪拌樁機(jī)鉆進(jìn)下沉至設(shè)計(jì)樁底

攪拌樁機(jī)在下沉至設(shè)計(jì)樁底的過(guò)程中，包括3個(gè)施工步驟：

5.4.1 " 鉆井設(shè)備到位

首先使用步履式打樁機(jī)械，方便靠自己的步行系統(tǒng)進(jìn)行定位，調(diào)整四條支架上的液壓平衡器，保證樁機(jī)設(shè)備機(jī)體處于水平狀態(tài)[10]；再將鉆柱提起，并與鉆頭同步。最后將鉆具垂直放在地面上，并以1%的垂直角度進(jìn)行調(diào)整。

5.4.2 " 將攪拌器打入土壤中

啟動(dòng)機(jī)械馬達(dá)，將鉆桿沿著導(dǎo)架鏈軌道下降，將攪拌器打入土壤中。鉆柱的沉降速率為lt;1.5m/min，電動(dòng)機(jī)工作電流≤60A。

5.4.3 " 鉆機(jī)攪動(dòng)和鉆進(jìn)

為了防止泥土堵住注漿孔，在鉆孔時(shí)不能?chē)姵瞿酀{，僅通過(guò)注入壓縮氣體就可以使鉆機(jī)攪動(dòng)和鉆進(jìn)[11]。在鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)樁底部后，在停止鉆孔前必須超過(guò)50cm。

5.5 " 提升攪拌樁機(jī)并噴漿攪拌至地面

在施工過(guò)程中，水泥攪拌樁的鉆桿需要?jiǎng)蛩偬嵘⒉粩嗟貒姖{攪拌。噴漿攪拌現(xiàn)場(chǎng)施工如圖4所示。在實(shí)際操作中，按照以下步驟進(jìn)行操作：

開(kāi)啟注漿泵，從樁底部噴射泥漿，在抬起的同時(shí)，持續(xù)地?cái)噭?dòng)，使得土體與水泥在鉆孔深度的范圍內(nèi)充分地混合。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件和試驗(yàn)樁施工的技術(shù)條件[12]，確定鉆孔的起重速率。為了將水泥與土體進(jìn)行充分的攪拌，可對(duì)起重速率進(jìn)行調(diào)整，并將鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度降低至每分鐘60次。通過(guò)計(jì)算機(jī)直接測(cè)量和監(jiān)控水泥漿噴射到土壤中的水泥漿量，輸出打印施工過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)。

5.6 " 復(fù)攪噴漿下鉆至樁底

初次噴漿時(shí)，需要不斷攪拌水泥漿，并向上提升鉆桿，將鉆桿上升到地表后，反復(fù)進(jìn)行攪動(dòng)。然后繼續(xù)注入水泥漿，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的樁底部，將水泥漿與土體重新進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬突旌蟍13]。

5.7 " 提升攪拌樁機(jī)復(fù)攪至地面

再次提升鉆桿并重復(fù)攪拌土體至地面過(guò)程，由以下3個(gè)步驟完成：

第一步：當(dāng)沉降和復(fù)攪到樁的底部時(shí)，再進(jìn)行二次抬高攪拌，使土體更好地混合。

第二步：在距離樁頂1～1.5m處進(jìn)行起重和攪動(dòng)，然后在離樁頂1～1.5m處添加一次注漿液，繼續(xù)攪動(dòng)，將其提升出地表。

第三步：采用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔深度范圍內(nèi)每一段土體補(bǔ)漿數(shù)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保二次噴漿后每一段的噴漿速度都是相同的，從而使得混合后的土體與摻配水泥漿的數(shù)量保持一致。

5.8 " 移位清洗

在樁機(jī)位移清洗階段，需要將鉆桿提升并復(fù)攪到地表，由4個(gè)支腳的液壓均衡機(jī)構(gòu)將其壓縮[14]，再由其本身的履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)到下一個(gè)樁位。

如果在攪拌樁完成后不再使用樁機(jī)，或者在工程進(jìn)行到一半的時(shí)候需要暫停或需要很久復(fù)工時(shí)，可以向攪拌桶內(nèi)注入水。打開(kāi)灰漿泵，讓水從所有的管子里流出，將剩余的水泥漿沖洗掉，以確保下一次的噴漿過(guò)程不會(huì)堵塞。

5.9 "特別注意事項(xiàng)

在施工過(guò)程中還要特別注意以下幾個(gè)方面：

第一，在設(shè)計(jì)沉降時(shí)，按照設(shè)計(jì)圖紙，找出沉樁位置，然后用臨時(shí)樁做標(biāo)志，使攪動(dòng)功能在所指位置精確沉樁。

第二，在安裝攪拌機(jī)時(shí)，一定要確保攪拌機(jī)的平衡和豎直性[15]，并且要確保斜度不超過(guò)1%。

第三，水泥漿必須事先混合好，然后根據(jù)設(shè)計(jì)和施工的要求，將水泥漿混合均勻，倒入一個(gè)大桶中儲(chǔ)存。

第四，加快噴射攪動(dòng)速率，當(dāng)混合器達(dá)到攪拌目標(biāo)時(shí)，可以調(diào)整特定的下沉高度，使之能獲得較好的噴漿效果，從而加快噴漿攪動(dòng)速率。

第五，要從多個(gè)角度全方位地進(jìn)行攪拌，為了獲得所要求的粘合狀態(tài)，必須將軟土與水泥漿混合均勻，增加攪拌速率可以增加黏性。

第六，在工程完工后要進(jìn)行清理和更換。在使用期間，集料裝置會(huì)因?yàn)橹貜?fù)使用而出現(xiàn)一些污垢，為此要在里面加入熱水清潔灰漿泵，然后再將清洗后的泥漿泵移動(dòng)到下一個(gè)柱位。

6 " 成樁檢測(cè)

6.1 "選取試驗(yàn)段場(chǎng)地

在鐵路軟土路基工程中，軟土層會(huì)嚴(yán)重影響路基的承載力，還會(huì)降低道路的成品質(zhì)量，因此不能將其作為持力層。根據(jù)工程項(xiàng)目的地質(zhì)條件和施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將K310+420～K318+176段作為試樁段，其地質(zhì)斷面如圖5所示。

6.2 "工藝性試樁方案

按照工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)文件，將水泥攪拌樁的直徑和長(zhǎng)度分別設(shè)置為0.5m和15m，樁與樁之間的距離為1.2m，選擇45.0級(jí)硅酸鹽水泥制備水泥漿。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，需要控制水泥攪拌樁在加固施工過(guò)程中的鉆進(jìn)提升速度。對(duì)于粘土層和淤泥層而言，將鉆桿的提升速度設(shè)置為1.4m/min。而對(duì)于粉土粉砂層而言，將鉆桿的提升速度設(shè)置為1.2m/min。

按照試樁方案，設(shè)置水泥摻入比為10%、15%、20%和25%，當(dāng)樁機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，進(jìn)行成樁試驗(yàn)。成樁過(guò)程中，將樁機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為20r/min、30r/min和40r/min，一共12根試驗(yàn)樁。試驗(yàn)樁進(jìn)行28天的施工之后，為了測(cè)試成樁效果，對(duì)12根試驗(yàn)樁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

6.3 "試驗(yàn)結(jié)果分析

利用試驗(yàn)樁在鐵路軟土路基進(jìn)行28d施工之后，將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)置為0.8MPa，靜載強(qiáng)度設(shè)置為97kN，得到試驗(yàn)樁抽芯樣本無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖6所示。

從圖6的結(jié)果可以看出，當(dāng)水泥摻入比不同時(shí)，試驗(yàn)樁的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，無(wú)論是在較高樁機(jī)軸轉(zhuǎn)速下還是較低的樁機(jī)軸轉(zhuǎn)速下，都高于0.8MPa，滿(mǎn)足水泥攪拌樁的加固施工要求。當(dāng)水泥摻入比相同時(shí)，增大機(jī)軸轉(zhuǎn)速可以增大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。其原因是水泥攪拌機(jī)在高轉(zhuǎn)速下，可以將地基土塊粉碎，使水泥均勻分布在基土中，大大提高了樁體的強(qiáng)度。

現(xiàn)場(chǎng)單樁靜載強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖7可知，當(dāng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，增大水泥摻入比可以提高樁體的靜載強(qiáng)度。原因是增大水泥摻入比，可以增強(qiáng)水泥土中的固化反應(yīng)，從而提高樁體的整體強(qiáng)度。當(dāng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速為30r/min、水泥摻入比為10%和15%時(shí)，得到的靜載強(qiáng)度比設(shè)計(jì)值小，因此水泥摻入比為20%和25%的試驗(yàn)樁符合設(shè)計(jì)要求。

綜合以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻入比為20%、水泥攪拌樁機(jī)軸轉(zhuǎn)速為30r/min時(shí)，可以滿(mǎn)足水泥攪拌樁體的強(qiáng)度要求，符合鐵路軟土路基工程對(duì)施工工藝的要求。

7 " 結(jié)束語(yǔ)

在高速鐵路施工過(guò)程中，路基與基礎(chǔ)的加固是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的工作，直接影響到后期高速鐵路的長(zhǎng)期發(fā)展。利用軟土地基水泥攪拌樁加固技術(shù)，不僅可以降低挖掘和拋石場(chǎng)臨時(shí)占地，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還可以有效降低施工成本。

本文通過(guò)計(jì)算水泥土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和水泥土的變形模量，確定水泥土材料的力學(xué)特性。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到水灰比和水泥摻入比對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，選定了施工技術(shù)參數(shù)，結(jié)合水泥攪拌樁加固施工流程，實(shí)現(xiàn)鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水泥摻入比為20%、機(jī)軸轉(zhuǎn)速為30r/min時(shí)，水泥攪拌樁體滿(mǎn)足施工要求。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以結(jié)合工程施工的實(shí)際費(fèi)用與現(xiàn)場(chǎng)處理效果，分析水泥攪拌樁在鐵路軟土地基的適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張磊，陳強(qiáng)，李強(qiáng)，等.三軸水泥攪拌樁在深層地基防滲中的

應(yīng)用[J].施工技術(shù)， 2020，49（23）：102-106.

[2] 陳盛原，葉華洋，張偉鋒，等.水泥攪拌樁聯(lián)合堆載排水固結(jié)

法加固軟基的效果評(píng)價(jià)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020， 20（14）：

5743-5750.

[3] 杜峰，王一霏.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水泥攪拌樁施工質(zhì)量管控中的應(yīng)

用[J].公路，2019，64（7）：68-73.

[4] 葉朝良，杜同坤，竇洪磊.坡麓相斜坡軟土水泥攪拌樁施工工

藝研究[J].施工技術(shù)，2019，48（07）：21-24.

[5] 陳良志，鄒鵬旭，彭志豪.半剛性水泥攪拌樁軟基加固三維數(shù)

值模擬[J].水運(yùn)工程，2019（1）：156-162.

[6] 韓超越.深基坑中壓噴射水泥攪拌樁施工技術(shù)研究[J]. 武漢大

學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版， 2021， 54（S1）：144-147.

[7] 朱俊樸，張建輝，王鵬，等.大范圍軟土一級(jí)公路水泥土攪拌

樁路基沉降數(shù)值模擬[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2020， 17（6）：

1390-1395.

[8] 李興華.太湖圍湖區(qū)雙向水泥攪拌樁施工技術(shù)研究[J]. 施工技

術(shù)，2020，49（2）：73-76.

[9] 唐瑞龍，郭續(xù)，武小宇，等.水泥攪拌樁施工成樁質(zhì)量控制技

術(shù)[J].施工技術(shù)，2019，48（S1）：198-200.

[10] 滕超，劉志軍，王雪剛.基于施工數(shù)據(jù)的水下深層水泥攪拌樁

成樁質(zhì)量影響因素分析[J].水運(yùn)工程， 2020（7）：217-222.

[11] 王寶泉，張亞楠.軟土地區(qū)水泥土攪拌樁路基沉降特性分析[J].

公路，2021，66（8）：107-114.

[12] 武博強(qiáng)，武銀君.基于沉降差異評(píng)價(jià)的水泥攪拌樁處理橋頭跳

車(chē)研究[J].公路交通科技， 2022， 39（4）：32-40.

[13] 趙勇，劉先林，駱俊暉.PDSS法在廣西貴合高速公路水泥攪拌

樁復(fù)合軟基中的應(yīng)用研究[J].公路，2019，64（7）：57-60.

[14] 劉建國(guó)，李恒，童立元，等.緊鄰地鐵隧道的攪拌樁加固施工

控制技術(shù)試驗(yàn)研究[J].城市軌道交通研究， 2019， 22（11）：41-46.

[15] 張振，沈鴻輝，程義，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水泥土攪拌樁施

工質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].施工技術(shù)，2020，49（19）：7-11.