铁路软土路基水泥搅拌桩加固施工技术研究.pdf

CM&M 2023.041110 引言随着国内经济发展的速度越来越快，各大城市间的交通运输压力逐渐增大，为了缓解铁路运输压力、提高运输效率，国内修建了许多新的客运专线和高铁1。但由于高铁施工过程，面临着工程量大，施工周期紧张等问题，导致施工难度大。为了确保铁路运输的安全性，加快施工进度，减少运行和维修费用，人们对国内的铁路施工建设和运行管理模式提出了高要求2。在高速铁路施工过程中，路基与基础的加固是一项十分关键的工作，直接影响到后期高速铁路的长期发展。为了增加基础路基的承载力，降低沉降量，通常采用混凝土搅拌桩3。利用软土地基水泥搅拌桩加固技术，不仅可以降低挖掘和抛石场临时占地，保护生态环境，还可以有效降低施工成本。叶朝良等人4通过大量的现场水泥浆灌注桩的技术实验，用来验证水泥搅拌桩在坡麓边坡软土工程中的安全性能，通过镇雄站沿线进行模拟实验，获取坡麓坡面上存在的分层特征，发现土体和水泥柱之间存在着较大的差异，会造成工程质量问题。同时通过大量的实验，证明了采用单根混凝土搅拌桩对坡麓相边坡的软黏土进行补强是不合适的，采用空搅可使原有的软黏土结构发生改变，使其黏合力减小，从而确保喷浆搅拌桩在施工中的均匀度。陈良志等人5利用三维弹性力学软件 PLAXIS3D 技术，对组合指数与实桩的计算结果进行比较，并以某斜坡式海堤工程为例，运用三维弹性力学方法，将其应用于实际软弱地基的土拱效应分析中，获取桩端平面上桩土之间的沉降差。通过水泥搅拌桩对软基加固的约束作用，使其更加符合实际施工的标准。研究结果表明，该方法可以真实地反映出软土地基的位移情况，具有较好的使用性能。基于以上研究背景，本文针对铁路软土路基水泥搅拌桩设计一种加固施工技术，从而保证水泥桩的稳定性。1 工程概况某铁路工程项目工程全长 20.4km，横跨两条大桥，起止桩号为 K280+470K320+322，其中软土路段主要分布在 K298+309K304+304 段和 K310+420K318+176 段，软土路基主要由塑性黏土、淤泥质土、软弱的粉土和淤泥构成，静力触探锥尖阻力值在 0.80MPa 以下。现场调查发现，K298+309K304+304、K310+420K318+176段为河湖冲积平原，地势平坦开阔，地层主要以淤泥和淤泥质土为主，还含有淤泥质、泥质土、砾石等，其中以软-流塑状粘性土为主，泥质粉砂岩、灰岩、页岩为其下伏基岩。研究段的地下水比较充足，主要由裂隙水和孔隙水组成，还包括一定量的岩溶水，具铁路软土路基水泥搅拌桩加固施工技术研究刘妮娜摘要：为了提高水泥搅拌桩在铁路软土路基施工中的强度，对铁路软土路基水泥搅拌桩加固施工技术进行研究。通过计算水泥土的抗压强度、抗剪强度和水泥土的变形模量，确定水泥土材料的力学特性。通过室内实验得到水灰比和水泥掺入比对水泥土抗压强度的影响，选定了施工技术参数，结合水泥搅拌桩加固施工流程，实现铁路软土路基水泥搅拌桩加固施工。成桩检测结果表明：将该技术应用在铁路软土路基水泥搅拌桩加固施工中，将水泥掺入比和设置为20%，30r/min 能够满足水泥搅拌桩体在铁路软土路基中强度要求。关键词：软土路基；力学特性；加固施工；抗压强度；水泥搅拌桩（中铁十九局广州工程有限公司，广州511455）112工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工有较高的水位。2 确定水泥土材料的力学特性在铁路软土路基工程中，水泥搅拌桩加固施工所用到的水泥土材料，需要在抗压强度、抗剪强度和变形模量上具备较高的性能6。抗压强度的计算公式为：（1）式中：Fc代表水泥土遭到破坏时的最大荷载，A代表受压面积。而对于抗剪强度而言，与水泥土的抗压强度有着密切的相关性，利用幂函数拟合的方法7，得到抗剪强度的计算公式：=3.2Rc0.6 （2）水泥土的变形模量与抗压强度仍然具有很强的相关性，通过拟合可以得到两者之间的线性关系：Eq=142Rc （3）根据以上指标，能够确定水泥土材料的强度特性，为铁路软土路基水泥搅拌桩加固施工提供指标依据。3 选定施工技术参数通过室内实验选定水泥搅拌桩加固施工的技术参数。室内实验通过制备水泥浆加固体试件，研究影响水泥搅拌桩加固工程的因素。在不同的水灰比下，采用室内试验方法，研究水灰比、水泥混合比例对混凝土抗压强度的影响8，如图 1 和图 2 所示。从图 1 可以看出，在混凝土中加入水泥浆料后，其抗压性能发生了明显的变化，且在相同的掺量下，其抗压强度随水灰比的增加而下降。但是不断增加水泥的掺入比后，水泥土的抗压承载力下降得更迅速。随着水泥掺入比例的降低，尽管混凝土的抗压强度有所提高，但其均匀程度却有所下降。经过全面分析，确定该项目中水泥浆的水灰比为 0.50。从图 2 可以看出，不同水泥掺入比对水泥的抗压强度有明显的影响作用，水泥土的抗压强度随水泥掺量的增大而迅速增大。结合工程的实际情况，工程中水泥搅拌桩的水泥掺入比例为 13%。4 施工流程水泥搅拌桩是一种不压实的非挤土桩型，在加固施工过程中，通过不断地搅拌，可以促进路基土体松散，利用水泥浆能够迅速将路基中松散的土体凝结，从而达到加固软土的目的。具体施工流程如图 3 所示。5 施工要点5.1 施工准备在铁路软土路基上进行水泥搅拌桩加固施工前，应首先清理现场，对于原有地基承载量不足的，可在原有地基的基础上进行土石方填筑，使机器能顺利通过。在此基础上，通过实地勘察，决定搅拌桩的施工区域，按照设计图上的要求把样品放在桩基上，用木桩做好标记。5.2 试桩为了确定搅拌桩的钻进速度、起重速度、搅拌速度、喷浆压力和单位时间喷射速度等，一般采用 5 个以上的试桩。在此基础上，水泥浆的设计渗透率为 15%，选用P.O42.5 等级的普通硅酸盐水泥，其水灰比例在 0.50.6左右，桩身无侧限抗压强度要求大于 1.0MPa。试桩结束后，只有通过检验并经过监理工程师批准之后，方可进图1 抗压强度与水灰比关系图2 抗压强度与水泥掺入比关系抗压强度/MPa抗压强度/MPa水灰比水泥掺入比/%9%水泥掺量13%水泥掺量17%水泥掺量CM&M 2023.04113行现场施工操作。5.3 制备水泥浆在制水泥浆时，应先进行钻孔、搅拌等施工工艺，确定的水泥掺入量为 15%，水灰比例按照 0.50.6 进行控制9。对配制的水泥浆进行搅拌，以确保浆液的黏度不发生分离，过滤掉沉淀物。5.4 搅拌桩机钻进下沉至设计桩底搅拌桩机在下沉至设计桩底的过程中，包括 3 个施工步骤：5.4.1 钻井设备到位首先使用步履式打桩机械，方便靠自己的步行系统进行定位，调整四条支架上的液压平衡器，保证桩机设备机体处于水平状态10；再将钻柱提起，并与钻头同步。最后将钻具垂直放在地面上，并以1%的垂直角度进行调整。5.4.2 将搅拌器打入土壤中启动机械马达，将钻杆沿着导架链轨道下降，将搅拌器打入土壤中。钻柱的沉降速率为 1.5m/min，电动机工作电流 60A。5.4.3 钻机搅动和钻进为了防止泥土堵住注浆孔，在钻孔时不能喷出泥浆，仅通过注入压缩气体就可以使钻机搅动和钻进11。在钻孔达到设计桩底部后，在停止钻孔前必须超过 50cm。5.5 提升搅拌桩机并喷浆搅拌至地面在施工过程中，水泥搅拌桩的钻杆需要匀速提升，并不断地喷浆搅拌。喷浆搅拌现场施工如图 4 所示。在实际操作中，按照以下步骤进行操作：开启注浆泵，从桩底部喷射泥浆，在抬起的同时，持续地搅动，使得土体与水泥在钻孔深度的范围内充分地混合。依据现场的条件和试验桩施工的技术条件12，确定钻孔的起重速率。为了将水泥与土体进行充分的搅拌，可对起重速率进行调整，并将钻头的转动速度降低至每分钟 60 次。通过计算机直接测量和监控水泥浆喷射到土壤中的水泥浆量，输出打印施工过程中的各项参数。5.6 复搅喷浆下钻至桩底初次喷浆时，需要不断搅拌水泥浆，并向上提升钻杆，将钻杆上升到地表后，反复进行搅动。然后继续注入水泥浆，直至达到设计的桩底部，将水泥浆与土体重新进行充分搅拌和混合13。5.7 提升搅拌桩机复搅至地面再次提升钻杆并重复搅拌土体至地面过程，由以下3 个步骤完成：第一步：当沉降和复搅到桩的底部时，再进行二次抬高搅拌，使土体更好地混合。第二步：在距离桩顶 11.5m 处进行起重和搅动，然后在离桩顶 11.5m 处添加一次注浆液，继续搅动，将其提升出地表。第三步：采用计算机，实现对钻孔深度范围内每一段土体补浆数量的自动调节，确保二次喷浆后每一段的喷浆速度都是相同的，从而使得混合后的土体与掺配水泥浆的数量保持一致。5.8 移位清洗在桩机位移清洗阶段，需要将钻杆提升并复搅到地表，由 4 个支脚的液压均衡机构将其压缩14，再由其本身的履带移动机构移动到下一个桩位。如果在搅拌桩完成后不再使用桩机，或者在工程进图4 搅拌桩机提升并喷浆搅拌现场图3 铁路软土路基水泥搅拌桩加固施工流程114工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工行到一半的时候需要暂停或需要很久复工时，可以向搅拌桶内注入水。打开灰浆泵，让水从所有的管子里流出，将剩余的水泥浆冲洗掉，以确保下一次的喷浆过程不会堵塞。5.9 特别注意事项在施工过程中还要特别注意以下几个方面：第一，在设计沉降时，按照设计图纸，找出沉桩位置，然后用临时桩做标志，使搅动功能在所指位置精确沉桩。第二，在安装搅拌机时，一定要确保搅拌机的平衡和竖直性15，并且要确保斜度不超过 1%。第三，水泥浆必须事先混合好，然后根据设计和施工的要求，将水泥浆混合均匀，倒入一个大桶中储存。第四，加快喷射搅动速率，当混合器达到搅拌目标时，可以调整特定的下沉高度，使之能获得较好的喷浆效果，从而加快喷浆搅动速率。第五，要从多个角度全方位地进行搅拌，为了获得所要求的粘合状态，必须将软土与水泥浆混合均匀，增加搅拌速率可以增加黏性。第六，在工程完工后要进行清理和更换。在使用期间，集料装置会因为重复使用而出现一些污垢，为此要在里面加入热水清洁灰浆泵，然后再将清洗后的泥浆泵移动到下一个柱位。6 成桩检测6.1 选取试验段场地在铁路软土路基工程中，软土层会严重影响路基的承载力，还会降低道路的成品质量，因此不能将其作为持力层。根据工程项目的地质条件和施工现场的实际情况，将 K310+420K318+176 段作为试桩段，其地质断面如图 5 所示。6.2 工艺性试桩方案按照工程项目的设计文件，将水泥搅拌桩的直径和长度分别设置为0.5m和15m，桩与桩之间的距离为1.2m，选择 45.0 级硅酸盐水泥制备水泥浆。为了保证实验的准确性，需要控制水泥搅拌桩在加固施工过程中的钻进提升速度。对于粘土层和淤泥层而言，将钻杆的提升速度设置为 1.4m/min。而对于粉土粉砂层而言，将钻杆的提升速度设置为 1.2m/min。按照试桩方案，设置水泥掺入比为 10%、15%、20%和 25%，当桩机转速不同时，进行成桩试验。成桩过程中，将桩机的转速分别设置为 20r/min、30r/min 和40r/min，一共 12 根试验桩。试验桩进行 28 天的施工之后，为了测试成桩效果，对 12 根试验桩进行实验，实验内容如表 1 所示。6.3 试验结果分析利用试验桩在铁路软土路基进行 28d 施工之后，将无侧限抗压强度设置为 0.8MPa，静载强度设置为 97kN，得到试验桩抽芯样本无侧限抗压强度，如图 6 所示。图5 铁路软土路基的地质断面图表 1 工艺性试桩试验方案序号桩号水泥掺入比转速/（r/min）实验内容1P25-202520取芯与无侧限抗压试验2P25-402540取芯与无侧限抗压试验3P20-202020取芯与无侧限抗压试验4P20-402040取芯与无侧限抗压试验5P15-201520取芯与无侧限抗压试验6P15-401540取芯与无侧限抗压试验7P10-201020取芯与无侧限抗压试验8P10-401040取芯与无侧限抗压试验9P25-302530静载试验10P20-302030静载试验11P15-301530静载试验12P10-301030静载试验基床底层基床表层边坡填土填土图6 试验桩抽芯样本无侧限抗压强度序号无侧限抗压强度平均值/MPaCM&M 2023.04115参考文献1 张磊,陈强,李强,等.三轴水泥搅拌桩在深层地基防渗中的 应用 J.施工技术,2020,49(23):102-106.2 陈盛原,叶华洋,张伟锋,等.水泥搅拌桩联合堆载排水固结 法加固软基的效果评价 J.科学技术与工程,2020,20(14):5743-5750.3 杜峰,王一霏.物联网技术在水泥搅拌桩施工质量管控中的应 用 J.公路,2019,64(7):68-73.4 叶朝良,杜同坤,窦洪磊.坡麓相斜坡软土水泥搅拌桩施工工 艺研究 J.施工技术,2019,48(07):21-24.5 陈良志,邹鹏旭,彭志豪.半刚性水泥搅拌桩软基加固三维数 值模拟 J.水运工程,2019(1):156-162.6 韩超越.深基坑中压喷射水泥搅拌桩施工技术研究 J.武汉大 学学报:工学版,2021,54(S1):144-147.7 朱俊樸,张建辉,王鹏,等.大范围软土一级公路水泥土搅拌 桩路基沉降数值模拟 J.铁道科学与工程学报,2020,17(6):1390-1395.8 李兴华.太湖围湖区双向水泥搅拌桩施工技术研究 J.施工技 术,2020,49(2):73-76.9 唐瑞龙,郭续,武小宇,等.水泥搅拌桩施工成桩质量控制技 术 J.施工技术,2019,48(S1):198-200.10 滕超,刘志军,王雪刚.基于施工数据的水下深层水泥搅拌桩 成桩质量影响因素分析 J.水运工程,2020(7):217-222.11 王宝泉,张亚楠.软土地区水泥土搅拌桩路基沉降特性分析J.公路,2021,66(8):107-114.12 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时，水泥搅拌桩体满足施工要求。但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以结合工程施工的实际费用与现场处理效果，分析水泥搅拌桩在铁路软土地基的适用性。序号静载强度28天沉降量28天沉降量/mm静载强度/kN