錢國玉，郭克誠，陳 磊

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司 地質(zhì)路基勘察設(shè)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(guī)水泥土攪拌法存在較嚴重的缺陷和不足。常規(guī)水泥土攪拌法是采用單向單軸攪拌設(shè)備，在地基深處將軟土和水泥強制攪拌。因設(shè)備自身缺陷(鉆速與提速聯(lián)動、攪拌葉片少、單向攪拌、轉(zhuǎn)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(yīng)用范圍。尤其對工后沉降要求高，以沉降控制設(shè)計的工程，常規(guī)攪拌樁已無法滿足設(shè)計要求。

根據(jù)該工程概況、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，研究決定采用多向水泥砂漿攪拌樁復(fù)合地基。該項專利技術(shù)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(tǒng)，通過外鉆桿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。在內(nèi)鉆桿上設(shè)置多層正向旋轉(zhuǎn)葉片并設(shè)置噴漿口，在外鉆桿上安裝多層反向旋轉(zhuǎn)葉片。通過外桿葉片反向旋轉(zhuǎn)過程中的壓漿作用和內(nèi)桿上多層正向旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(shè)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(cè)限抗壓強度不小于2.50 MPa。樁頂設(shè)0.5 m厚砂礫石墊層，內(nèi)鋪設(shè)一層雙向經(jīng)編土工格柵，每側(cè)回折不小于2.0 m。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

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

2)自上而下出露地層有:

①素填土:硬塑;

②粉質(zhì)黏土:流塑 ～軟塑，Ⅱ級，σ0=100～120 kPa;

③粉質(zhì)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(jié)變化?？辈炱陂g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(zhì)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(zhì)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(zhì)條件:路基范圍內(nèi)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(nèi)所取水樣，根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)〔2005〕157號)及[鐵建設(shè)(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(shè)計方法

1)設(shè)計依據(jù)。路堤穩(wěn)定安全系數(shù)，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(qū) 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(shù)施工外，添加生石膏粉(水泥用量的3%)，在8～14 m段復(fù)噴攪一次。

4 工藝試驗

4.1 室內(nèi)配合比實驗

在施工多向水泥砂漿攪拌樁復(fù)合地基前先做試驗樁，做試驗樁前先在施工現(xiàn)場取樣按設(shè)計要求進行室內(nèi)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(shè)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(cè)限抗壓強度不小于2.5 MPa。配制的灰漿應(yīng)流動性好、便于泵送、噴攪。因泥炭土中有機質(zhì)含量高，不加外摻劑的加固效果較差。根據(jù)設(shè)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(nèi)水泥砂漿土配比的試驗結(jié)果，選擇有代表性地段進行現(xiàn)場成樁試驗，檢驗成樁效果，確定滿足設(shè)計要求的施工工藝和施工參數(shù)。

根據(jù)工程需要取施工現(xiàn)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(shè)備研發(fā)簡介

多向水泥(水泥砂漿)土攪拌樁機是針對常規(guī)水泥土攪拌樁施工中存在的問題，充分利用現(xiàn)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(fā)的多項專利技術(shù)集于一身，并對原設(shè)備進行改進而形成的一種新產(chǎn)品。改進后的樁機克服了單向單軸常規(guī)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)鉆桿，并形成與外鉆桿旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩實現(xiàn)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(nèi)、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(nèi)鉆桿葉片設(shè)有噴漿孔，分漿均勻，便于對土體和水泥漿充分攪拌。材質(zhì)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(wǎng)絡(luò)檢測到槍聲信號都存在單一節(jié)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(wǎng)絡(luò)的癱瘓。在一組實驗中，存在始終沒有作為簇頭的節(jié)點，并以此節(jié)點的實驗數(shù)據(jù)為例，表1中列出了簇頭失效情況下的5次檢測的結(jié)果。序號0表示鞭炮的實際位置，序號1表示單點定位結(jié)果，序號2表示本次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合定位結(jié)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(shè)計要求，影響樁身質(zhì)量。為了克服上述缺陷，扶正器結(jié)合攪拌樁施工特點，充分研究晃動原因，開發(fā)出的專利產(chǎn)品，經(jīng)現(xiàn)場實踐，樁機平穩(wěn)性明顯改善。

4)安裝單獨無級調(diào)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(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)節(jié)輕便、快捷，實現(xiàn)了下鉆提升與鉆桿旋轉(zhuǎn)速度分離。

5)大轉(zhuǎn)盤主動力獨立傳動結(jié)構(gòu)45 kW電機→五檔變速箱→正反檔變速箱→傳動軸→大轉(zhuǎn)盤→外鉆桿(外鉆頭)→傳動箱→內(nèi)鉆桿(內(nèi)鉆頭)。

6)鉆速與提速分離，確保成樁質(zhì)量。較硬地層鉆進、提鉆和攪拌均可隨意調(diào)速，大大降低了機手的勞動強度。簡化了復(fù)雜傳動機構(gòu)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(shè)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(fù)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(shè)計單樁復(fù)合地基極限承載力≥180 kPa;當路堤高度h>3 m時，設(shè)計單樁復(fù)合地基極限承載力≥1.5 γh，γ為路堤填土重度。經(jīng)計算，單樁復(fù)合地基極限承載力≥432 kPa。

單樁復(fù)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?？梢钥闯鰡螛稄?fù)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(fù)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(shè)計深度→噴漿、攪拌、提升→提升至停漿面→復(fù)攪至設(shè)計深度→提升攪拌至樁頂→鉆機移位。

樁頭應(yīng)原位攪拌≥2 min，噴漿壓力≥0.4 MPa。

2)施工參數(shù)選擇

下鉆鉆進速度0.8 m/min，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計配合比拌制漿液，施工應(yīng)根據(jù)漿液濃度、泵送情況實施調(diào)整配合比。

6 施工質(zhì)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(xiàn)場施工員必須進行檢查，及時調(diào)整。

2)施工前應(yīng)認真檢查相關(guān)設(shè)備及管路系統(tǒng)。設(shè)備的性能應(yīng)滿足設(shè)計要求。管路系統(tǒng)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(xù)，水泥漿應(yīng)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(nèi)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(yīng)符合施工工藝的要求，并應(yīng)有專人記錄。當多向攪拌水泥砂漿樁到達樁端時，應(yīng)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(zhì)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(yīng)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(fù)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(fā)現(xiàn)噴漿量不足時，應(yīng)按要求復(fù)噴，復(fù)噴的噴漿量不小于設(shè)計用量。

7)現(xiàn)場各項原始記錄必須真實、齊全。

7 工藝研發(fā)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(zhì)特性、攪拌狀態(tài)、養(yǎng)護條件等，目前國內(nèi)攪拌樁存在水泥土攪拌不均勻、樁身不連續(xù)、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(zhì)量。由于地質(zhì)土層特性及地下養(yǎng)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(fā)完全替代水泥的新型環(huán)保固化劑、高效外加劑等。利用電石渣、煤矸石、磷石膏等工業(yè)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(yè)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(shè)備:能根據(jù)地質(zhì)情況變化，自動調(diào)節(jié)下鉆(提升)速度和轉(zhuǎn)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(shè)備:開發(fā)成樁深度30 m左右，有穿越中間硬夾層能力的施工設(shè)備;③同步監(jiān)測設(shè)備:研發(fā)機臺上適時記錄每根樁成樁過程參數(shù)，集中監(jiān)控室記錄范圍20 km內(nèi)每臺樁機的工作狀態(tài)、施工參數(shù)的監(jiān)測設(shè)備。

7.3 施工工藝創(chuàng)新

根據(jù)不同地質(zhì)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(guī)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(fā)的多向水泥(水泥砂漿)土加芯攪拌樁，結(jié)合攪拌樁、剛性樁、長短樁、多向噴射灰砂樁等加固技術(shù)。幾種工藝組合揚長避短，可實現(xiàn)攪拌樁與芯樁作業(yè)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(jié)語

1)通過上述多向水泥砂漿攪拌樁復(fù)合地基的工藝性試驗樁獲得了以下結(jié)果:①掌握滿足設(shè)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(shù)參數(shù)，如鉆桿下沉和提升速度、灰漿經(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)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(cè)限抗壓強度、單樁承載力、單樁復(fù)合地基承載力是否滿足設(shè)計要求。⑤根據(jù)試樁獲得的參數(shù)調(diào)整施工組織設(shè)計或施工方案。

2)因泥炭土中有機質(zhì)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(fù)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(fù)合地基上面還有15 m的填方，所以該復(fù)合地基抗側(cè)向滑移也是非常重要的指標，它直接關(guān)系到該地基的穩(wěn)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(xiàn)滑動面失穩(wěn)的跡象。

[1]郭克誠，李斌，陳磊.錨固與注漿技術(shù)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(shù)指南[S].北京:中國鐵道出版社，2005.