上合组织(连云港)国际物流园专用铁路搅拌桩水泥掺量研究

刘仕东

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

连云港地区滨海相沉积软土地层分布广泛，在该类地层上修建铁路需采取相应的地基处理措施，而水泥搅拌桩是进行软基处理的一种有效方法[1-3]。已有许多学者对水泥搅拌桩强度的影响因素进行了相关研究，许崧等[4]通过室内试验和现场检测，对滨海相软土中的水泥搅拌桩强度特征进行了研究；李治平等[5-8]通过室内试验，认为水泥掺入量、龄期、含水量、养护围压等因素对水泥搅拌土强度的影响较大。以下依托上合组织(连云港)国际物流园专用铁路项目，对水泥土搅拌桩室内配比试验、现场成桩质量检测及经济性进行综合分析和研究，在满足稳定和变形控制要求的基础上，寻求适合本地区的最佳水泥掺量，以降低工程投资。

1 工程概况

1.1 工程情况

上合组织(连云港)国际物流园专用铁路起点为在建徐圩支线XWDK16+300处，终点为连云港物流园站，正线全长13.948 km，铁路等级为Ⅲ级，路基高度为3～7 m，根据地质条件及工程特点，选取了DK1+668与DK7+500两处代表性的工点开展现场试验研究，工点位置如图1所示。

图1 现场试验工点位置

1.2 地形地貌

连云港位于淮北平原和鲁中南丘陵结合部，地势整体由西北向东南倾斜，地貌单元主要为滨海平原区及剥蚀丘陵区。沿线地形平坦、开阔，海拔高程一般为2.5～5.0 m，相对高差为0.5～2.0 m，地表沉积有灰-灰绿色的流塑淤泥和淤泥质黏土，形成了海积作用为主，残坡积、冲海积为辅的软土地层(如图2所示)。

图2 滨海平原地貌

1.3 水文地质条件

沿线地表水系丰富，沟渠纵横，鱼塘密布，烧香河、运盐河为常年流水河流。地下水类型主要有第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水受地表水、大气降水和地下水越流补给，水量较大。水位埋深一般为0.50～1.50 m。

1.4 地层岩性条件

(1)第四系全新统

第四系全新统广泛分布于沿线，以海积层为主，冲积层、冲洪积层、人工堆积层次之。岩性以淤泥、黏性土为主，砂土次之。厚度变化较大，一般厚度为15 m，局部厚度达25 m左右。

①人工堆积层

素填土：主要分布于水渠、水塘、河流堤坝和道路处，黄褐色，厚度为0.5～2.7 m，成分以黏土、粉质黏土、黏性土(硬塑)为主。

②冲积层

黏土：黄褐色，灰黄色，土质均匀，分布于地表浅层，软塑，局部硬塑。该层为工程场地内淤泥层之上唯一的硬壳层，层厚0.5～3.5 m，Ⅱ级普通土，σ0=80 kPa。

③海积层

淤泥：全线均有分布，深灰色，流塑，高压缩性，含腐殖物，层厚14～18 m，局部深度可达29 m，Ⅱ级普通土，σ0=40 kPa。

④冲洪积层

粉质黏土：全线均有分布，褐黄色，软塑，局部硬塑，土质较均匀，层厚0.5～2.7 m，Ⅱ级普通土，σ0=160 kPa。

(2)第四系上更新统

广泛分布于第四系全新统之下，主要由冲洪积形成，地层岩性主要为黏性土、粉土、砂类土，厚度一般为45～60 m。

1. 5 典型地层参数

主要地层参数如表1所示。

根据详细勘察结果，工程所在地区软土具有含水量高、压缩性大、灵敏度高、液限高、密度低、强度低、黏粒含量高和含盐量高等特点。黏聚力、摩擦角、压缩系数、孔隙比等参数与天然含水量均呈线性关系。深度3 m范围内，软土抗剪强度参数较为离散；深度超过3 m时，有明显的规律性。应力水平由低变高时，软土压缩模量迅速增大。固结系数随着荷载的增大而减小，在较低的应力水平下，软土蠕变较为稳定；在较高的应力水平下，软土呈现出非稳定等速蠕变[10-12]。

表1 地层参数

2 室内配比试验

2.1 方案制定

根据连云港地区软土的特殊性，通过室内配比试验来确定合适的水泥掺量，对不同掺入比(15%、18%、20%)的水泥土进行无侧限抗压强度试验。

在施工现场取得淤泥层土样，按拟定的配合比进行水泥土试块的制作，试块规格为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm(室内标准养护)，并分别在龄期7 d、28 d和90 d时进行无侧限抗压强度的试验。

在室内配比试验的过程中，进行了水泥浆和水泥粉两种试件的无侧限抗压强度试验，旨在为施工中选用浆喷还是粉喷提供依据。

2.2 配比试验结果与分析

按照上述方案进行室内配比试验，试验结果见表2及图3。

图3 无侧限抗压强度与水泥掺量的关系

表2 无侧限抗压强度MPa

试验结果表明：水泥掺量的变化对水泥土的强度影响较大，水泥土无侧限抗压强度随水泥掺量的加大和龄期的增长而提高；在同一水泥掺量条件下，粉体水泥搅拌桩比浆体水泥搅拌桩的无侧限抗压强度大。

基于以上试验结果，本工程将采用粉体水泥搅拌桩。

3 现场试桩

在工程实践中，一般先进行室内配比试验，再将设计配比应用于现场试桩，最后确定水泥土搅拌桩的实际水泥掺量[13]。

3.1 试桩设计及参数

(1)试桩设备参数

试桩设备参数见表3。

表3 水泥搅拌桩试桩参数

(2)试桩设计

试桩时，选用15%、18%、20%三个参数(水泥掺量分别为55 kg、66 kg、74 kg)；连云港地区土层的平均含水量达到65.2%，且室内配比试验表明粉体水泥浆的无侧限抗压强度较高，故使用干喷工艺进行施工。根据表3的施工参数，在DK1+668(桩间距1.2 m)、DK7+500(桩间距1 m)处进行试验，每处做3组试桩，每组7根，正三角形布置(见图4)，两处合计共42根试桩。

图4 桩位布置

3.2 成桩质量检测与结果分析

根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010 J1078—2010)，成桩28 d后，应采用双管单动取样器在桩长范围内垂直钻孔取芯，观察桩体的完整性、均匀性，并取不同深度的(不少于3个)试样做无侧限抗压强度试验[14]。对DK1+668、DK7+500两处试桩点分别进行钻孔取芯，随机抽取3段进行现场检测，并通过标准贯入度试验判断桩身强度及桩体连续性[16-17]。现场共抽检18根桩，按不合格、合格、良和优4个级别评定[15]。

不同水泥掺量水泥土芯样的无侧限抗压强度试验成果、桩身标准贯入试验及桩身抽检成果见表4～表7。

表4 水泥搅拌桩28 d无侧限抗压强度 MPa

表5 水泥搅拌桩(水泥掺量20%)28 d标准贯入试验及桩身抽检成果

表6 水泥搅拌桩(水泥掺量18%)28d标准贯入试验及桩身抽检成果

表7 水泥搅拌桩(水泥掺量15%)28d标准贯入试验及桩身抽检成果

双向水泥土搅拌桩现场芯样如图5、图6所示。

图5 DK1+668桩位芯样

图6 DK1+668桩位芯样

由表5～表7可知，20%掺量的6根桩全部为优秀；18%掺量的6根桩4根优秀，2根良；15%掺量的6根桩4根合格，2根不合格。

3.3复合地基承载力检测与结果分析

根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)附录C“复合地基载荷试验”的要求，对复合地基的承载力进行检测[14]。因桩身完整性及无侧限抗压强度检测中，15%水泥掺量的试桩出现不合格现象，故复合地基承载力试验抽取18%、20%掺量的试桩进行检测。

(1)试验方法

在DK1+668处选取4个试验点，DK7+500处选取2个试验点进行检测。

试验加载采用慢速维持荷载法，设计复合地基的承载力特征值为120 kPa。桩间距为1.0 m(DK7+500)时，采用圆形承压板(面积为0.866 m2)，复合地基试验的最大加载值为208 kN。加载分级为复合地基最大加载值的1/8，试验共分为8级(加载分级荷载为26 kN、52 kN、78 kN、104 kN、130 kN、156 kN、182 kN、208 kN)。卸载级数为加载级数的一半。桩间距为1.2 m(DK1+668)时，采用圆形承压板(面积为1.247 m2)，复合地基试验的最大加载值为300 kN。加载分级为复合地基最大加载值的1/10，试验共分为10级(加载分级荷载为30 kN、60 kN、90 kN、120 kN、150 kN、180 kN、210 kN、240 kN、270 kN、300 kN)。卸载级数为加载级数的一半。

每级荷载施加后，第一小时内按间隔5 min、10 min、15 min、15 min、15 min，以后为每隔0.5 h测读一次沉降值。当1 h内沉降增量小于0.1 mm时即可加下一级荷载。

当出现下列情况之一时，即可终止加载：

①沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起。

②在某级荷载下沉降增量大于前一级沉降增量的5倍，或者大于前一级沉降量的2倍，并经24 h尚未稳定。

③承压板的累计沉降量已大于压板直径的6%(即63 mm或75.6 mm)。

④达不到极限荷载且最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍(即最大加载值为208 kN、300 kN)。

(2)DK1+668处复合地基承载力特征值

①按受力特征值确定

4处试验点复合地基试验最大加载值为300 kN，最终累计沉降量分别为12.84 mm、14.62 mm、12.55 mm、14.22 mm，从压力-沉降曲线知，未出现终止加载条件的情况。因此，确定该试验点复合地基的承载力特征值为最大加载值的1/2，即150 kN。

②按相对变形确定

对于水泥土搅拌桩复合地基，可取s/d=0.006所对应的荷载。即s=1 260×0.006=7.56 mm，4处试验点所对应的荷载分别为245 kN(196 kPa)、222 kN(178 kPa)、241 kN(193 kPa)、224 kN(179 kPa)，可确定复合地基承载力特征值均大于120 kPa。

(3)DK7+500处复合地基承载力特征值

①按受力特征值确定

2处试验点复合地基试验最大加载值为208 kN，最终累计沉降量分别为22.25 mm、23.93 mm，从压力-沉降曲线知，未出现终止加载条件的情况。因此，确定该试验点复合地基的承载力特征值为最大加载值的1/2，即104 kN。

②按相对变形确定

对于水泥土搅拌桩复合地基，可取s/d=0.006所对应的荷载。即s=1 260×0.006=7.56 mm，2处试验点所对应的荷载分别为127 kN(146 kPa)、133 kN(153 kPa)，确定复合地基承载力特征值均大于120 kPa。

经综合评定，本次抽取的6处试验点复合地基承载力均满足设计要求。

4 结论

(1)连云港地区软土含水量高、压缩性大、灵敏度高，在相同水泥掺量条件下，粉体水泥搅拌桩较浆体水泥搅拌桩的无侧限抗压强度大，故推荐粉体搅拌桩。

(2)水泥掺量是水泥土强度的关键性因素，在室内配比试验中，尽管水泥掺入比为15%时28 d强度达到2.65 MPa，但是由于室内养护条件和现场条件存在差异，使得水泥土结晶固化较弱，难以达到检测要求。因此，对于连云港地区的软土，水泥掺入量不应低于18%。

(3)根据试桩检测结果，18%(66 kg)和20%(74 kg)水泥掺量的桩均满足设计要求，从经济适用性来考虑，应选用18%水泥掺量的配比。