多向水泥搅拌桩在重载铁路软土地基处理中的应用

摘要：通过对山西中南部铁路通道的施工实例，介绍多向水泥搅拌桩（湿法）在重载铁路软土地基处理的施工工艺、质量控制、工后检测等，从而说明多向搅拌桩在提高重载铁路复合地基承载力中的作用，供类似工程参考。

关键词：多向；搅拌桩；重载铁路；软土地基

中图分类号： TU471.8 文献标识码： A 文章编号：

1. 工程概况

山西中南部铁路通道是我国第一条真正意义上30吨轴重、开行万吨列车的重载铁路，铁路路基施工质量、尤其是对工后沉降有着非常严格的要求。在路基施工中，软土地基如处理不当，很可能造成路堤工后失稳，以致造成路基的不均匀沉降，给铁路运营带来严重影响。

设计在DK332+290-DK333+402、DK336+188-DK336+280段软土地基采用多向水泥搅拌桩进行软土地基加固处理，加固范围为路基坡脚间，加固深度为4.72~14m，桩径0.4m、0.5m，呈正三角形和正方形布置，桩间距1.2m、1.4m。加固区自上而下露出地层有：

砂质黄土（Q3al），稍密，σ0=120kPa，Ⅱ级；

黏质黄土（Q3al），硬塑，σ0=120kPa，Ⅱ级；

黏质黄土（Q3al），软塑，σ0=100kPa，Ⅱ级。

2. 多向搅拌桩加固原理及与常规水泥搅拌桩对比

水泥搅拌法已在软土地基加固工程中应用较多。常规水泥搅拌桩采用单向单轴搅拌设备，在地基深处将软土和水泥强制搅拌而成。因设备自身不足（钻速与提速联动、搅拌叶片少、单向搅拌、转速低）及地层原因（在土压力作用下浆液易上冒），易导致搅拌均匀性差，桩身强度低且离散性大，难以满足重载铁路路基工后沉降的高要求。

多向水泥搅拌桩针对常规水泥搅拌桩存在的问题，对水泥土搅拌桩的施工工艺技术和设备进行改进，采用双轴双向的成桩方式，保证水泥浆在桩体中均匀分布，确保成桩质量。

与常规搅拌桩施工相比其主要优点有：

（1）钻速与提速分离，确保成桩质量

针对不同的地层保持一定的下降或提升速度并在设备扭矩许可的前提下尽量快速旋转，增加土体有效切割次数和搅拌次数，提高了桩身强度。

（2）桩体搅拌均匀，桩体强度高

由于搅拌叶片多向同时旋转、搅拌，水泥浆与土体得到了充分有效的拌合，使桩体强度更加均匀，桩身强度大幅度提高。

（3）有效加固深度增加

因工艺和设备的改进，桩体12m以下成桩效果和强度得到很好的改善，有效加固深度大大增加，拓展了搅拌桩的应用范围。

（4）减少了冒浆

由于搅拌叶片的多向（含双向）旋转，阻断了水泥浆液的上冒途径，水泥浆与土体充分搅拌，避免或降低了水泥浆的浪费。

（5）减少了沉降变形

多向多轴搅拌桩具有更高的桩身强度，提高了复合地基的压缩模量，可有效减少复合地基的压缩变形，由于工艺的改变保证了超长桩的成桩质量。

（6）施工效率高，经济性好

由于实现了上下提升与旋转分离并采用多向多轴搅拌，可有效减少施工复搅的次数和缩短施工时间，施工效率大大提高。

3. 多向搅拌桩施工工艺及质量控制

3.1 施工机械

多向水泥搅拌桩施工机械是一套制浆、钻孔、注浆的机械系统。其中钻机是经过改进的双向双轴新型钻机，施工用机械设备如表1所示。

表1 多向搅拌桩施工机械和设备

3.2 施工工艺

图1 多向水泥搅拌桩施工工艺流程图

3.2.1 施工准备

（1）施工前挖除地表0.3~0.5m厚种植土，清除地表植物根系，并用土回填至原地面，且回填土需进行碾压，碾压密实至压实系数K≥0.9，地基系数K30≥90MPa/m。

（2）施工使用袋装水泥，做好水泥的防水、防潮、防风；对施工用水的水质进行取样复测，不得使用有侵蚀性水。

（3）对机械设备完整性、工作性能进行检测，确保满足施工需要。

（4）搅拌桩大面积施工前要进行试桩施工，通过试桩确定水灰比、钻进速度、提升速度、喷浆压力等参数。

3.2.2 测量放样

根据桩位布置图，进行控制桩的施工放样，其他桩位采用挂线法放样：预作多个正三角形模板，每边长140cm（正方形布置同理），各控制桩间挂线，放置模板放样各搅拌桩桩位，桩位用白灰明示，同时对桩位进行编号。

3.2.3 钻进成孔

（1）桩机由专人指挥就位，移动要观察左右及前后各方面情况，发现有阻力及时排除。

（2）移动结束后检查定位情况，保证桩机的基座平稳、周正，并用水平尺校正基座水平，钻杆垂直度偏差不大于1％。

（3）动力头、搅拌头、桩位线三点一线。

（4）施工之前应丈量钻杆长度，可用红色油漆在钻杆上划桩长的明显标志（实际桩长应大于设计30~50cm），以便掌握钻杆钻入深度，确保设计桩长。

3.2.4 水泥浆制备

（1）在制备灰浆前，要检查水泥是否受潮、结块、变质，经检验后方可使用。

（2）在搅拌头预拌下沉的同时，严格按1:1的水灰比搅拌砂浆，搅拌时间不得小于2分钟，以便浆液充分拌合，使其均匀稳定，不能离析或停置时间过长。

（3）搅拌好的水泥浆液应通过过滤网注入储浆筒，以防水泥块或杂质堵塞注浆管道。储浆桶容量要适当，不会造成因浆液不足而断桩，又能避免多余浆液在桶内沉淀，浪费材料。

3.2.5 喷浆搅拌下沉

桩机就位准备工作就绪，经检查符合要求后，启动搅拌钻机，钻头边旋转边向下钻进。同时，启动压力泵工作，检查搅拌头喷浆正常后，利用钻具自重缓慢平衡喷浆搅拌下沉，边钻进边喷浆。控制下沉速度在1.2m/min，直至设计桩长。

3.2.6 喷浆搅拌提升

搅拌头喷浆搅拌下沉至设计桩长后，搅拌头在桩底原位喷浆搅拌30s后，使桩端受到搅动的土块被充分粉碎，土体和水泥浆能充分搅拌均匀，改变钻机旋转方向以0.9m/min的提升速度喷浆搅拌提升，直到露出地面。

3.2.7 清洗

向集料斗注入适量热水，开启灰浆泵、清洗全部管线中的残存水泥浆，并将粘附在搅拌头上的杂物清洗干净。成桩结束后，卸完钻杆和压浆管道，进行移架移位，进行成桩记录。

3.3 施工中注意事项

3.3.1计量装置（流量计、压力表、电流表等）必须现场进行标定，标定结束后进行铅封。

3.3.2 建立水泥用量的核销制度。每日根据当日水泥搅拌桩施工桩长，计算出全日所用水泥量，二者进行核对，以便过程监控。

3.3.3多向搅拌桩施工顺序为：中间，路基一边另一边。桩体施工完成28天内不得有任何机械设备在上面行走，以免破坏桩体。

3.3.4蓄水池利用钢板焊制水箱，布设在征地红线范围外；搅拌桩加固区要做好临时排水设施。

3.3.5 施工过程中随时做好原始记录，确保数据真实可靠。

4. 质量检测

4.1 取芯检测

全标段共完成11112根桩基，97258米，设计桩身无侧限抗压强度不小于1.2MPa，按照设计及规范要求共对228根桩进行了强度检测，经试验检测，全部合格。

以D1K333+020~D1K333+080段为例，成桩后28天，用双管单动取样器在3根桩体桩径的1/4处在桩长范围内取芯。取芯后的孔洞用M15水泥砂浆灌注封闭。

图2 水泥搅拌桩芯样

通过对芯样的外观鉴定，桩体较为完整，桩体颜色均匀，桩体符合规范和设计要求。在每2m处取5cm长试样做无侧限抗压强度试验，共取9个试样。试样的高径比为0.5，无侧限抗压强度修正系数取0.85，具体试样数据见下表：

表2 试样无侧限抗压强度数据

4.2 静荷载试验

同样以D1K333+020~D1K333+080段为例，在该段取3个桩头，在挖除搅拌桩桩顶端施工质量较差的桩段后进行平板载荷试验，以确定桩体的单桩复合地基承载力。

4.2.1载荷装置

采用承重梁加配重反力装置，用千斤顶配合高压油泵施加反力，试验载荷系统见下图。试验补载、控制加荷量、记录沉降位移均由仪器自动控制。

4.2.2 桩头处理

将桩头截至设计标高并凿平。试验前垫约1~2cm厚中粗砂并找平。

4.2.3加载与沉降观测

（1）试验加载量

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003），加载量取设计要求的单桩复合承载力（150KPa）的2倍，即为300KPa，采用逐级等量加载，分级荷载取0.03MPa。卸载同样按分级进行，每级卸载量取0.06MPa，逐级等量卸载，每级荷载维持lh。

（2）相对稳定标准

每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30min 开始，按1.5h 连续三次每30min 的沉降观测值计算）。 当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。 当加载到300KPa时，停止加载。

4.2.4 测定结果

测定结果和根据结果绘制的Q-s曲线图见下：

表3 水泥搅拌桩平板载荷试验测定结果

图3 测点Q-s曲线图

由Q-s曲线图分析，3个测点曲线均未发生陡变，因此可知水泥搅拌桩单桩复合地基承载力大于150KPa，符合设计要求。

全线共完成11112根桩基，97258米，设计单桩承载力特征值为150KPa，共对27根桩进行了载荷试验，经试验检测，承载力特征值全部合格。

5. 结束语

目前，中交一航局山西中南部铁路通道项目经理部施工段内路基仍在进行填筑施工，在多向水泥搅拌桩加固段落，通过对路基的沉降、位移观测，沉降量、位移量均在设计允许范围内。

经过工艺技术创新和设备改造，多向水泥搅拌桩工艺通过多向多轴，多层叶片同时搅拌，可以克服常规水泥搅拌桩的缺陷，在地基处理中效果显著，尤其是在处理重载铁路软土地基方面，具有成桩质量好、功效高、经济性好、噪音小、无振动、对环境污染少等特点。同时，在多向水泥搅拌桩施工过程中，单桩的工程量较小，施工时间短，施工连续性和施工强度高，因此要控制好每一根桩的质量，严格执行施工工艺及施工工序，按设计、技术参数及规范要求施工，以此才能保证桩身质量，使多向水泥搅拌桩在重载铁路软土地基处理中充分发挥作用。

参考文献：

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[4] TZ 202―2008 客货共线铁路路基施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社.2009

[5] 周少平 平板载荷试验测定地基承载力方法的探讨[J] 公路 2002年 第2期

作者简介：葛玉华，男，1979年11月出生，工程师，现任中交一航局山西中南部铁路通道项目部安质部部长。