布袋注浆桩地基加固扰动影响试验研究.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）收稿日期：基金项目：铁四院科研课题：布袋加筋注浆桩在地基处理中的应用研究（）作者简介：程红梅，年出生，女，高级工程师。文章编号：（）布袋注浆桩地基加固扰动影响试验研究程红梅（无锡市建设工程设计审查中心，无锡）摘要：研究目的：布袋注浆桩常用于邻近营业线等对扰动变形控制严格或净空受限的复杂环境下地基加固，为研究布袋注浆桩地基加固施工过程对桩侧土体的扰动影响范围及程度，选取典型软弱地基路基工点进行现场试验，分别对单桩和群桩施工过程中桩侧土体的水平位移进行测试分析。研究结论：（）桩侧土体水平位移随时间呈“先增大后减小并最终趋于稳定”的变化趋势，最大位移发生在注浆结束至成桩 内；（）单桩施工时桩侧土体最大水平位移的空间分布与桩身所处地层特性相关，常发生在力学性质较差的软土层范围；群桩施工时桩侧土体水平位移总体上随深度减小，最大位移一般处于浅表；（）实测数据表明，试验工点地层条件下，单桩施工时，距离桩中心 处桩侧土体水平位移小于；群桩相向靠近施工时，其扰动显著影响半径约为 ，影响半径以外桩侧土体水平位移不超过；（）试验工点的布袋注浆桩施工工序、工艺对运营线路的影响较小，类似工程可通过优先施工邻近既有线桩基形成先期隔离，采用背向远离既有线施工、降低注浆压力等措施，进一步减小对既有线的影响；（）布袋注浆桩可在邻近营业线地基加固工程中推广应用。关键词：布袋注浆桩；邻近营业线；现场测试；扰动影响；桩侧土体水平位移中图分类号：文献标识码：（，）：，：（），（），（），（），（）：；随着高速铁路建设的飞速发展、铁路网的逐渐加密，邻近既有线、新增二线或引入既有线的情况越来越多，不可避免面临受营业线运营安全影响、施工场地及净空受限等复杂环境下的路基建造难题 。因此，迫切需要寻求一种对地基土扰动小、加固效果优，并能适应狭小场地施工的地基处理方法。布袋（加筋）注浆桩采用机械成孔，并在布袋中通过低压力注浆膨胀布袋形成桩体，成桩质量可靠、施工设备较小 ，同时布袋能约束浆液减小对桩周土体的扰动影响，非常适合此类复杂环境下的地基处理 ，。甬台温铁路运用布袋注浆桩在客运专线路基地基处理中加固夹有硬夹层的深厚海相软土地基取得了成功 ，相关学者对布袋注浆桩在邻近营业线的施工工艺 、承载力计算 等方面进行了研究。针对布袋注浆桩的扰动影响研究，文献在广深四线工程中，采用 小直径布袋注浆桩加固增建线路基，注浆压力 时距离加固区边缘 处，既有准高速线桥墩上的观测桩在整个施工过程中横向位移为 ，地基土水平位移小于 。众多工程案例表明，布袋注浆桩具有较好的沉降控制效果和较小的变形扰动影响，但目前针对其对地基土的扰动影响范围及影响程度还缺乏现场实测数据积累和细致深入的研究。本文依托上海金山铁路既有线增建二线工程，选取典型软弱地基路基工点，通过开展现场试验，对布袋注浆桩加固地基的扰动影响规律进行测试研究。试验工点概况金山支线铁路属级铁路，试验工点位于上海市闵行区，冲海积平原地貌，地形平坦开阔。试验工点加固区范围内软土层较厚（约 ），局部夹有硬层。各地层物理力学参数如表 所示。表 作用在支护上的外荷载及稳定系数层号地层状态（）（）（）（）粉质黏土软塑 （）淤泥质粉质黏土流塑 （）淤泥质黏土流塑 （）粉质黏土软塑 （）粉土稍中密 新建路基于既有路基右侧帮宽并同时抬高既有线路基，最终形成三线路基，断面形式如图 所示。根据新建路基的稳定和沉降控制标准，试验工点需进行地基加固处理。右侧帮宽路基采用 排 桩加固，桩间距 ，桩长 ，桩径 ，正三角形布置；路堤坡脚附近采用 排旋喷桩加强稳定控制，桩间距 ，桩长 ，桩径 ，正三角形布置。新线通车后，既有线停止运营进行抬高改建。既有线下方至右侧新建路基间，考虑减小对新建路基的扰动影响，并能穿透既有线路基填土，采用 排布袋加筋注浆桩加固，桩间距 ，桩长 ，桩径 。桩体试块 龄期单轴抗压强度设计值 。路堤左侧坡脚同右侧，采用 排旋喷桩加强稳定控制。测试方案为了研究布袋注浆桩单桩及群桩施工过程对桩侧土体的扰动影响，分别对 根试桩和 、断面工程桩进行深层水平位移测试。试桩测试方案大面积地基加固前，在 附近开展工艺性试验，施工布袋加筋注浆试验桩 根，设计桩长、桩径 。开孔孔径分 和 第 期程红梅：布袋注浆桩地基加固扰动影响试验研究两种，加筋注浆管拟采用 和 管材，通过对比，确定选材及开孔孔径。水灰比 ：，粉煤灰掺入量为，浆液比重 ，注浆压力 。现场试桩呈正方形布置，桩间距 ，其中 号试桩开孔孔径 ，施工中均存在扩孔不足现象，将 号试桩开孔孔径由原定 调整为 ，号、号试桩开孔孔径 。桩体施工前分别在 号、号、号、号试桩左侧 、右侧 埋设 长的测斜管至稳定持力层，利用测斜仪进行深层水平位移监测。工程桩测试方案选取 （号断面）、（号断面）两个典型断面进行现场群桩施工测试，为观测路基在布袋加筋注浆桩施工期间的深层水平位移，在测试断面线左侧路肩、坡脚处埋设测斜管，其中测点、位于坡脚外 （距离布袋桩加固区边缘 ），测点 、位于左侧路肩外 （距离布袋桩加固区边缘 ）。同时开展的其他测试有地表沉降、地基分层沉降、地基孔隙水压力、复合地基桩土应力比等，本文重点研究桩侧土体的深层水平位移。工程桩现场测试元器件布置如图 所示（为方便阅读，图中仅给出测斜孔位置）。4.33.51.494.39.874.92.01 4.9912.94Hsg-8.513（Hjg-6.97）Hsg-8.5133.007.7080.040.047.396测斜孔X1-2/X2-2测斜孔X1-1/X2-111.1511.15水2.904%（）11.152.00（）（）（）（）（）61.10101.1041.25布袋桩加固区MMP桩区旋喷桩区23.5041.25旋喷桩区11.15图 测斜孔布置示意图（单位：）测试结果分析 单桩施工对桩侧土影响分析通过 号 号试桩距离桩中心 、处测斜管，分别针对以下三个阶段测试来分析并评价布袋加筋注浆桩单桩施工对桩侧土体的扰动影响：阶段：钻机引孔结束后，进行测试一次，以评价引孔过程对桩侧土体的影响。阶段：注浆期间，号、号、号试桩在注浆、注浆结束 个阶段进行位移测试（为浆液总量），号试桩在注浆 、注浆结束 个阶段进行位移测试，以评价注浆期间土体横向位移的变化情况。阶段：注浆结束至成桩 龄期，以一定的测试频率进行测试，以掌握成桩至 龄期期间土体横向位移的变化情况。将“施工 成桩 ”期间桩侧土体位移随深度测试结果绘制成曲线，代表性成果如图 图 所示（由桩中心向外位移记为负）。-50-45-40-35-30-25-20-10-15-505位移/mm0510152025深度/m9月19日注浆前；9月19日注浆0.25；9月19日注浆0.5；9月19日注浆0.75；9月20日注浆结束12小时；9月21日；9月22日；9月23日；9月24日；9月26日注：图 号试桩距桩中心 位移 深度变化曲线-40-35-30-25-20-10-15-505位移/mm0510152025深度/m注：9月19日注浆前；9月19日注浆0.25；9月19日注浆0.5；9月19日注浆0.75；9月19日注浆结束；9月2日；9月2日；9月2日；9月24日；9月26日图 号试桩距桩中心 位移 深度变化曲线“施工 成桩 ”期间土体最大位移及对应深度统计分别如表、表 所示。铁 道 工 程 学 报 年 月-15-10-5051015位移/mm0510152025深度/m注：9月19日注浆前；9月19日注浆0.25；9月19日注浆0.5；9月19日注浆0.75；9月19日注浆结束；9月2日；9月2日；9月2日；9月24日；9月26日图 号试桩距桩中心 位移 深度变化曲线-30-25-15-10-5510位移/mm0510152025深度/m注：9月19日注浆前；9月19日注浆0.25；9月19日注浆0.5；9月19日注浆0.75；9月19日注浆结束；9月2日；9月2日；9月2日；9月24日；9月26日-200图 号试桩距桩中心 位移 深度变化曲线表 距桩中心 处“施工 成桩 ”土体最大位移桩号钻机引孔注浆过程成桩至 龄期最大位移 最大位移 对应深度 阶 段最大位移 对应深度 阶 段 号 注浆结束成桩 号 注浆结束成桩 号 注浆结束 成桩 号 注浆结束 成桩 表 距桩中心 处“施工 成桩 ”土体最大位移桩号钻机引孔注浆过程成桩至 龄期最大位移 最大位移 对应深度 阶 段最大位移 对应深度 阶 段 号 注浆结束 成桩 号 注浆结束 成桩 号 注浆结束成桩 号 注浆结束 成桩 选取桩侧土体代表性最大水平位移所处深度点，分析其位移随时间的演变历程，如图 所示。综合分析可知，单桩施工时：第一，图 表明，单桩施工至成桩 期间，桩侧土体水平位移呈现“先增大后减小并最终趋于稳定”的变化趋势。注浆量超过一半至注浆结束期间桩侧土体水平位移变化最大。桩体凝固期间桩侧土的位移仍有一定幅度的波动，主要是桩侧土体回弹及水泥的凝固膨胀共同作用引起。第二，表、表 统计表明，桩侧土体水平位移最大的时刻发生在注浆结束至成桩 ，实际施工中，此时应加强水平位移监测。第三，桩侧土体水平位移与桩中心间距呈反相关。钻机引孔阶段，布袋注浆桩施工对桩侧土的影响较小，距离桩中心 处引起的土体水平位移最大值仅 ；注浆期间，最大水平位移值发生在注浆结束时，距桩中心 处最大位移 ，距桩侧土体最大水平位移/mm-50-40-30-20-100注浆历程注浆前注浆注浆注浆7注浆结束注浆后1 d注浆后2 d注浆后3 d注浆后4 d注浆后5 d注：1号桩右0.5 m深度15 m；4号桩左0.5 m深度13.5 m；1号桩左1 m深度12 m；4号桩右1 m深度13.5 m图 单桩最大水平位移点位移 深度变化曲线桩中心 处最大位移 。第四，试桩区地表以下约 为软土层（）第 期程红梅：布袋注浆桩地基加固扰动影响试验研究、为软土层（）。结合图 图 可知其深层位移空间分布特征与地层力学特性相关。桩侧土的最大水平位移多发生于桩顶以下桩身 （为设计桩长）处，其随深度变化规律性不强，但大部分最大位移点位于（）层中，这也与该层含水量最高、力学性质最差有关。群桩施工对桩侧土影响分析通过 （号断面）、（号断面）断面线左侧路肩、坡脚处测斜管，监测布袋加筋注浆桩群桩施工期间桩侧土体的横向位移。布袋桩的施工由线侧向线坡脚处逐排推进，先期施工的桩可对线路基起到隔离保护作用，以进一步减小对线开通运营的影响。观测随施工开始，自 年 月 日起到 月 日结束，累积观测 。左侧坡脚测斜管 、的位移 时间 深度变化曲线如图、图 所示（向左侧位移记为负）。-30-25-15-10-5510位移/mm051015202530深度/m-2002011年11月27日；2011年11月28日；2011年11月29日；2011年11月30日；2011年12月1日；2011年12月2日；2011年12月3日；2011年12月4日；2011年12月5日；2011年12月6日；2011年12月8日注：图 测点桩体施工期间位移 时间 深度变化曲线-20-15-10-5位移/mm051015202530深度/m02011年11月28日；2011年11月29日；2011年11月30日；2011年12月1日；2011年12月2日；2011年12月3日；2011年12月4日；2011年12月5日；2011年12月6日；2011年12月8日注：图 测点桩体施工期间位移 时间 深度变化曲线由图、图 可知，桩体施工过程中，坡脚处（距离布袋桩加固区边缘约 ）土体的横向位移趋向路基外侧，并处于“向外移动 回弹”往复过程，最大位移位于地面以下 浅表。向坡脚逐排施工推进过程中，坡脚处土体的横向位移逐渐增大。施工共计 排桩，施工第 第 排桩体时桩侧土体最大水平位移约为 、（号断面 深度处）；施工第 排时，坡脚处的横向位移达到最大，最大横向位移约 ，发生在注浆结束时（号断面）或结束后 内（号断面）。左侧路肩处测斜管 、的位移 时间 深度变化曲线如图、图 所示。-60-45-25-5位移/mm051015202530深度/m52011年11月27日；2011年11月28日；2011年11月30日；2011年12月1日；2011年12月2日；2011年12月3日；2011年12月4日；2011年12月5日；2011年12月6日；2011年12月8日-55-50-40-35-30-20-15-100注：图 测点桩体施工期间位移 时间 深度变化曲线-50-45-25-5位移/mm051015202530深度/m52011年11月30日；2011年12月1日；2011年12月2日；2011年12月3日；2011年12月4日；2011年12月5日；2011年12月6日；2011年12月8日-40-35-30-20-15-100注：图 测点桩体施工期间位移 时间 深度变化曲线由图、图 可知，类似于坡脚处，桩体施工过程中，路肩处（距离布袋桩加固区边缘约 ）土体的横向位移趋向路基外侧，并处于“向外移动 回弹”往复过程，最大位移位于地表，发生在注浆结束时（号断面）或结束后 内（号断面）。施工至第 排时，距离路肩测斜孔约 ，测点处土体最大横向位移约 ；施工第 排时，距离测斜孔约 ，此时测点土体位移急剧增大，最大横向位移约 ，略大于单桩施工 间距时最大水平位移 ，但量级基本相当。分析群桩施工最大水平位移点（一般为地表点，取深度 处）的位移随施工进度的变化，如图、图 所示。随着施工朝测斜孔方向相向推进，距离测点越来越近，时间坐标轴隐含距离变化。群桩施工距离（路肩）测斜孔不小于 时（施工第 排桩时），路肩及坡脚处桩侧土体水平位移基本呈水平波动趋势，桩侧土体水平位移基本不受群桩施工距离远近的影响，其最大位移不超过 。当铁 道 工 程 学 报 年 月群桩施工距离测斜孔小于 时（例如施工第 排时），桩侧土体水平位移急剧增大。据此推断，群桩相向施工时，布袋注浆桩的扰动显著影响半径约为。桩侧土体最大水平位移/mm-60-50-40-30-20-10010时间注：X1-1测点（坡脚）深度0.5 m；X1-2测点（路肩）深度1 m距离X1-2测点0.7 m注浆结束（第7排桩）第6排桩第1排桩距离测点l.8 m-6.23图 号断面群桩施工最大水平位移 时间变化曲线桩侧土体最大水平位移/mm-50-40-30-20-100时间302012345689注：X2-1测点（坡脚）深度6 m；X2-2测点（路肩）深度0.5 m距离X2-2测点0.7 m注浆结束（第7排桩）第6排桩第1排桩距离测点l.8 m-9.69-15.06图 号断面群桩施工最大水平位移 时间变化曲线综合分析可知，群桩施工时：第一，桩侧水平位移随时间的发展与单桩施工具有类似的演变规律，即桩侧土体水平位移随时间呈“先增大后减小并最终趋于稳定”的趋势。最大位移发生在群桩注浆结束至成桩 。第二，桩侧土体水平位移与“单桩施工时与地层力学特性相关”的空间分布特征不同，群桩施工时桩侧土体水平位移随深度增加总体呈单调减小趋势，而与地层特性无明显相关性。第三，群桩相向施工时，其扰动显著影响半径约为，影响半径以外桩侧土体水平位移不超过。群桩施工期间，线路基未见隆起、侧移等现象，列车正常运营，表明试验工点的布袋注浆桩施工工序、工艺对运营线路的影响较小，可为类似工程提供借鉴。试验工点注浆压力为 ，孔径 ，借鉴文献在广深四线中的做法，降低注浆压力、减小孔径可进一步减小对桩侧土体的扰动。结论（）布袋注浆桩单桩及群桩施工期至成桩 ，桩侧土体水平位移随时间总体呈“先增大后减小并最终趋于稳定”的变化趋势。最大位移发生在注浆结束至成桩 内，此时应加强水平位移监测。钻机引孔对桩侧土的影响较小。（）单桩施工时，桩侧土体最大水平位移的竖向空间分布与桩身所处地层特性相关，常发生在软土层力学性质较差的深度范围，而与深度无明显相关性。群桩施工时，桩侧土体水平位移竖向分布随深度增加总体呈单调减小规律，与地层特性相关性不强。（）就试验工点地层条件，单桩施工时，距离桩中心 处桩侧土体水平位移小于 ；群桩相向靠近施工时，其扰动显著影响半径约为 ，影响半径以外桩侧土体水平位移不超过 。（）试验工点的布袋注浆桩施工工序、工艺对运营线路的影响较小。类似工程可通过优先施工邻近既有线桩基形成先期隔离，采用背向逐步远离既有线施工、降低注浆压力、减小桩径等措施，进一步降低对既有线的影响。参考文献：刘小兵 铁路邻近营业线施工安全风险管理研究北京：北京交通大学，：，丁光文 布袋注浆桩在深厚层软土地基加固中的应用 岩土工程技术，（）：，（）：葛先飞 布袋注浆桩在广深四线软土地基中的应用资源环境与工程，（）：，（）：（下转第 页 ）第 期程红梅：布袋注浆桩地基加固扰动影响试验研究 魏宏伟，李栋宝，赵大伟 电气化铁路牵引变电所与电力系统间大数据交换配置研究 第九届电能质量研讨会论文集 北京：中国标准出版社，：，电力工程电缆设计标准，中国航空工业规划设计研究院 工业与民用供配电设计手册（第四版）北京：中国电力出版社，（）：，胡必松，肖畅 城市群轨道交通网络化规划评价研究铁道工程学报，（）：，（）：（编辑 吕 洁）（上接第 页 ）李仰波 布袋加筋注浆桩在软基加固处理中的应用研究 铁道工程学报，（）：，（）：左珅，徐林荣，赵新益，等 高速铁路夹硬层软基布袋注浆桩加固技术研究 铁道建筑，（）：，（）：叶春林 布袋注浆桩在深厚层夹层软基处理中的应用 铁道工程学报，（）：，（）：胡建国 布袋注浆桩在沿海软土地基加固中的应用及控制要点 价值工程，（）：，（）：胡传家，戚承志，景彦楠 布袋注浆桩在临近既有线路基工程中运用及其承载力计算的思考 中国建材科技，（）：，（）：（编辑 梅志山）第 期陈乃海：城际铁路枢纽合建变电所优化设计研究与实施