多向水泥砂浆搅拌桩在高填方地基加固中的应用

钱国玉，郭克诚，陈 磊

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司 地质路基勘察设计院，北京 100055;2.武汉谦诚岩土工程有限责任公司，武汉 430062)

1 工程概况

大量文献资料和工程实例证明，常规水泥土搅拌法存在较严重的缺陷和不足。常规水泥土搅拌法是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。因设备自身缺陷(钻速与提速联动、搅拌叶片少、单向搅拌、转速低等)及地层原因(在土压力作用下浆液易上冒、高塑性黏性土不易搅散等)，导致桩身强度低且离散性高，限制了水泥土搅拌桩的应用范围。尤其对工后沉降要求高，以沉降控制设计的工程，常规搅拌桩已无法满足设计要求。

根据该工程概况、地质及水文地质条件，研究决定采用多向水泥砂浆搅拌桩复合地基。该项专利技术是武汉高铁桩工科技有限公司专利申请的多向水泥(水泥砂浆)土搅拌法。利用PH-5型搅拌桩成桩机械作为机架，由位于钻机底部操作台的动力系统，通过外钻杆转递动力，再通过钻杆顶部配备的专用传动箱，同时带动同心多轴钻杆正反向旋转。在内钻杆上设置多层正向旋转叶片并设置喷浆口，在外钻杆上安装多层反向旋转叶片。通过外杆叶片反向旋转过程中的压浆作用和内杆上多层正向旋转叶片同时搅拌水泥(水泥砂浆)土的作用，阻断水泥(砂)浆上冒途径，把水泥(砂)浆基本控制在最上、最下两组叶片之间，保证水泥(砂)浆在桩体中均匀分布和充分搅拌均匀，可确保成桩质量并大幅度提高桩身强度。

南广铁路梧州南站 D1K237+520～D1K237+620、D1K238+330～D1K238+540段路基采用水泥砂浆搅拌桩处理。设计桩径0.5 m，桩间距0.9 m，桩长13～16 m，桩平面布置形式为正三角形。水泥砂浆搅拌桩采用P.O 42.5号普通硅酸盐水泥，水泥用量不少于56 kg/m3，水泥砂浆土无侧限抗压强度不小于2.50 MPa。桩顶设0.5 m厚砂砾石垫层，内铺设一层双向经编土工格栅，每侧回折不小于2.0 m。

2 工程地质及水文地质条件

1)地形地貌:路线经过低山丘陵区，地形略有起伏，相对高差10～40 m，自然坡度 10°～30°。植被较发育，小山丘多为林地、果园及旱地，沟谷多为农田。

2)自上而下出露地层有:

①素填土:硬塑;

②粉质黏土:流塑 ～软塑，Ⅱ级，σ0=100～120 kPa;

③粉质黏土:硬塑，Ⅱ级，σ0=200 kPa;

④中砂:松散，饱和，Ⅱ级，σ0=150 kPa;

⑤花岗岩:全风化，Ⅲ级，σ0=300 kPa;

3)沿线的地表水主要为沟谷中的溪水，水塘中水，水量随季节变化。勘察期间地下水位埋深0.3～10.0 m.地下水主要为岩层的裂隙水与第四系粉质黏土中的孔隙潜水，水量较小，由大气降水补给。地表水、地下水对混凝土无侵蚀性。

4)地震动峰值加速度:0.05 g。

5)不良地质与特殊岩土:沟谷低洼处分布软塑～流塑状的黏性土，为软土或松软土。

6)水文地质条件:路基范围内地下水埋深一般0.3～10.0 m，主要为第四系孔隙潜水;路基范围内所取水样，根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设〔2005〕157号)及[铁建设(2007)]140号《通知》判定，地表水不具侵蚀性，地下水不具有侵蚀性。

3 设计方法

1)设计依据。路堤稳定安全系数，考虑列车荷载时Kmin≥1.20，不考虑列车荷载Kmin≥1.15。路基工后沉降控制标准，工后沉降一般≤15 cm;路桥交界处的差异沉降≤8 cm。

3)特殊段地基处理。三区 D1K237+520～D1K237+620(左线)9～13 m段含泥炭土，因泥炭土成桩效果差，除按上述施工参数施工外，添加生石膏粉(水泥用量的3%)，在8～14 m段复喷搅一次。

4 工艺试验

4.1 室内配合比实验

在施工多向水泥砂浆搅拌桩复合地基前先做试验桩，做试验桩前先在施工现场取样按设计要求进行室内配比试验，测定各水泥砂浆试块不同龄期、不同水泥、砂掺入量的抗压强度，找出满足设计要求的最佳水灰比及水泥、砂的掺量。要求水泥砂浆桩试块(边长7.07 cm立方体)无侧限抗压强度不小于2.5 MPa。配制的灰浆应流动性好、便于泵送、喷搅。因泥炭土中有机质含量高，不加外掺剂的加固效果较差。根据设计要求添加3%生石膏粉以提高水泥土的强度。

成桩工艺试验:利用室内水泥砂浆土配比的试验结果，选择有代表性地段进行现场成桩试验，检验成桩效果，确定满足设计要求的施工工艺和施工参数。

根据工程需要取施工现场的土样在实验室做7 d龄期的水泥砂浆搅拌桩配合比。

4.2 桩工设备研发简介

多向水泥(水泥砂浆)土搅拌桩机是针对常规水泥土搅拌桩施工中存在的问题，充分利用现有的PH-5型大扭矩粉喷桩成桩机械作为机架，由武汉高铁桩工科技有限公司研发的多项专利技术集于一身，并对原设备进行改进而形成的一种新产品。改进后的桩机克服了单向单轴常规搅拌不均匀、浆液上冒、桩体强度低等缺陷，桩体强度大幅度提高。

该种桩机的主要特点:

1)专利传动箱。其内部结构主要为齿轮和轴承装置，主电机传到外钻杆的扭矩通过传动箱分解到内钻杆，并形成与外钻杆旋转方向相反的扭矩实现多向搅拌。工艺巧妙，受力合理，重量轻，安装操作简单。

2)多功能钻头。通过特制钻杆接头与内、外钻杆连接，安装方便可靠。钻头叶片倾角近水平向，有利于定心和搅拌。内钻杆叶片设有喷浆孔，分浆均匀，便于对土体和水泥浆充分搅拌。材质采用高强耐磨合金钢精铸而成，锋利耐磨，进尺快，硬土层和黏土层都能达到较好的成桩效果。

枪声定位模拟实验通过鞭炮声来模拟枪声信号，每次网络检测到枪声信号都存在单一节点直接失效的风险，尤其是簇头的直接失效将会导致整个网络的瘫痪。在一组实验中，存在始终没有作为簇头的节点，并以此节点的实验数据为例，表1中列出了簇头失效情况下的5次检测的结果。序号0表示鞭炮的实际位置，序号1表示单点定位结果，序号2表示本次网络数据融合定位结果。

3)专利扶正器。在施工长桩时，因塔架超高，施工时钻架和钻杆晃动很厉害，具有安全隐患，桩体垂直度也达不到设计要求，影响桩身质量。为了克服上述缺陷，扶正器结合搅拌桩施工特点，充分研究晃动原因，开发出的专利产品，经现场实践，桩机平稳性明显改善。

4)安装单独无级调速电机，控制下钻加压与提钻。下钻提升钻杆速度从0.3 m/min到2.7 m/min之间实现无级调速，调节轻便、快捷，实现了下钻提升与钻杆旋转速度分离。

5)大转盘主动力独立传动结构45 kW电机→五档变速箱→正反档变速箱→传动轴→大转盘→外钻杆(外钻头)→传动箱→内钻杆(内钻头)。

6)钻速与提速分离，确保成桩质量。较硬地层钻进、提钻和搅拌均可随意调速，大大降低了机手的劳动强度。简化了复杂传动机构的操作程序，简便、省时、省力、维修费用低、工作效率高。

4.3 试验桩

试桩共检测3根，设计桩长为16.0 m，桩径均为500 mm，桩间距0.9 m，呈等边三角形布置，置换率 为0.280。路堤高度15 m，采用多向搅拌桩施工机械施工。

单桩复合地基静载试验点试验龄期为28 d。

当路堤高度h<3 m时，设计单桩复合地基极限承载力≥180 kPa;当路堤高度h>3 m时，设计单桩复合地基极限承载力≥1.5 γh，γ为路堤填土重度。经计算，单桩复合地基极限承载力≥432 kPa。

单桩复合地基静载试验，按桩间距0.90 m呈等边三角形布置，计算其等效圆直径。承压板采用直径0.945 m、面积为0.701 m2的钢制压板。

静载荷试验成果见表1。可以看出单桩复合地基试验点S1～S3的P～S曲线基本呈线性变化，说明随着载荷试验的逐级加载，地基在各级荷载作用下，其沉降量在较为均匀地变化，在最终荷载432 kPa作用下，沉降量也无明显增大。表明地基极限承载力≥432 kPa，承载力特征值≥216 kPa。

5 施工工艺流程

1)多向水泥土搅拌法的施工工艺流程

多向水泥(水泥砂浆)土搅拌桩机进入已整平的场地和测放了桩位的地段后便准备施钻。施钻程序如下:

表1 单桩复合地基静载试验汇总

原地面处理→测量放样→钻机就位→搅拌钻进至设计深度→喷浆、搅拌、提升→提升至停浆面→复搅至设计深度→提升搅拌至桩顶→钻机移位。

桩头应原位搅拌≥2 min，喷浆压力≥0.4 MPa。

2)施工参数选择

下钻钻进速度0.8 m/min，转速 60～130 r/min。喷浆量≥58 L/m，下钻喷浆量占总浆量的80%以上。

提升速度1.2 m/min，转速80～140 r/min。喷浆量≤20 L/m，提钻喷浆量占总浆量的20%以下;浆喷压力为0.4～0.6 MPa;

配合比:严格按设计配合比拌制浆液，施工应根据浆液浓度、泵送情况实施调整配合比。

6 施工质量保证措施

1)钻机就位必须准确，其孔位偏差≤20 mm，钻杆垂直度偏差≤1%。钻机开钻前，现场施工员必须进行检查，及时调整。

2)施工前应认真检查相关设备及管路系统。设备的性能应满足设计要求。管路系统的密封必须良好，管道必须畅通。

3)制备好的浆液不得离析，泵送必须连续，水泥浆应采用二次搅拌工艺。搅拌顺序为:向搅拌桶里注入固定量的水，边搅拌边掺入水泥，依次加入砂子，搅拌均匀后放入二次搅拌桶内进行二次搅拌待用。使用前，用比重计或比重检测仪测定水泥砂浆的相对密度，符合要求(一般水泥砂浆的正常相对密度为1.70～1.80)后方可投入使用。

4)搅拌机钻头下沉和提升速度、供浆与停浆时间、下钻深度、喷浆高程及停浆面、单桩喷浆量等均应符合施工工艺的要求，并应有专人记录。当多向搅拌水泥砂浆桩到达桩端时，应原位喷浆搅拌10～30 s，桩底水泥砂浆与土体充分搅拌均匀，再开始提升搅拌头，确保成桩质量。

5)成桩过程中，由于电压过低或其他原因造成停机使成桩工艺中断时，应将多向水泥砂浆搅拌桩机下沉至停浆点以下0.5 m，待恢复供浆时再喷浆搅拌提升。若停机超过3 h，为防止水泥砂浆在整个输浆管路中凝固，宜先拆卸输浆管路，并清洗干净。

6)施工中若发现喷浆量不足时，应按要求复喷，复喷的喷浆量不小于设计用量。

7)现场各项原始记录必须真实、齐全。

7 工艺研发方向

1)水泥(水泥砂浆)土搅拌桩加固效果的影响因素主要有固化剂的特性、土质特性、搅拌状态、养护条件等，目前国内搅拌桩存在水泥土搅拌不均匀、桩身不连续、桩身强度不足等问题。上述多(双)向水泥(水泥砂浆)土搅拌法已解决了地层搅拌不均匀的情况，大大提高了搅拌桩的成桩质量。由于地质土层特性及地下养护条件等客观条件很难改变，笔者认为水泥(水泥砂浆)土搅拌法可从以下方面进行改进。

7.1 加固材料

研发完全替代水泥的新型环保固化剂、高效外加剂等。利用电石渣、煤矸石、磷石膏等工业废渣替代大部分水泥固化剂，废渣固化土强度比水泥固化土强度提高幅度要大。完全用工业废渣制备的固化剂，废渣固化土强度比水泥固化土强度提高了近两倍。

7.2 施工机械

①智能化施工设备:能根据地质情况变化，自动调节下钻(提升)速度和转速以及深度、流量自动记录等，以减少人为因素;②大扭矩成桩设备:开发成桩深度30 m左右，有穿越中间硬夹层能力的施工设备;③同步监测设备:研发机台上适时记录每根桩成桩过程参数，集中监控室记录范围20 km内每台桩机的工作状态、施工参数的监测设备。

7.3 施工工艺创新

根据不同地质情况、上部荷载大小、成桩机械特点及荷载在地基中的传递规律，采用加芯水泥土桩、长短桩、疏密桩、变截面桩、水泥土桩加塑料排水带等不同桩基共同承担荷载。例如武汉高铁桩工科技有限公司研究开发的多向水泥(水泥砂浆)土加芯搅拌桩，结合搅拌桩、刚性桩、长短桩、多向喷射灰砂桩等加固技术。几种工艺组合扬长避短，可实现搅拌桩与芯桩作业同步进行，施工简单，桩体受力更趋合理，桩身强度提高2～10倍，大大提高工作效率。

8 结语

1)通过上述多向水泥砂浆搅拌桩复合地基的工艺性试验桩获得了以下结果:①掌握满足设计单桩喷浆量(由水泥掺入量、水灰比、灰砂比计算)的各种技术参数，如钻杆下沉和提升速度、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间、喷浆压力、送浆量、送浆压力、搅拌机转速、进入持力层电流和钻进速度等。②掌握下沉和提升的阻力情况，选择合理的搅拌头形式、电机功率与搅拌叶片的宽度和倾角等。③检验室内试验所确定的掺灰量、水灰比、灰砂比是否便于施工，是否需要添加外加剂等。④检验桩身的无侧限抗压强度、单桩承载力、单桩复合地基承载力是否满足设计要求。⑤根据试桩获得的参数调整施工组织设计或施工方案。

2)因泥炭土中有机质含量高，不加外掺剂的加固效果较差。添加3%生石膏粉和多复喷搅一遍以提高水泥砂浆土桩身的强度和完整性。

3)由于在砂浆搅拌桩复合地基上面还有15 m的填方，所以该复合地基抗侧向滑移也是非常重要的指标，它直接关系到该地基的稳定性。截至2009年11月底填方工程已全部碾压完成，至今未出现滑动面失稳的迹象。

[1]郭克诚，李斌，陈磊.锚固与注浆技术手册(第二版)[M].北京:中国电力出版社，2009.

[2]中华人民共和国铁道部.TZ212-2005 客运专线铁路路基工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2005.