(中铁五局集团成都工程有限责任公司 四川省广元市 628000)
摘要:解决地基砂土液化的基本思路是加固软土地基,而实际可用于加固的方法如:碎石桩、高压旋喷桩、水泥搅拌桩等,本文根据粉细砂地层承载力无法达到设计标准,采取水泥搅拌桩加固地基,探索最佳的可供施工参考定的数值。
关键词:水泥搅拌桩 地基加固 砂土液化 粉细砂地层
1 引言
拉林铁路明则至桑日区间路基DK142+985~DK143+170段设计基底处理方式为碎石桩加固,明则至桑日区间路基DK143+980~DK144+550段设计基底处理方式为碎石桩加固。沿铁路线附近又密布藏族特色泥石结构房屋,因在振动沉管碎石桩试验时造成附近150米左右受到较为严重的影响,相继的房屋开裂,对百姓安全造成较大的影响。砂土液化处置若采取高压旋喷桩方案,则会成倍的增加铁路工程建设投资。而选用水泥搅拌桩处置粉细砂地层的砂土液化,在一定程度上减少工程投资,但需探索出适宜于该类粉细砂地层最合理的、确定的施工工艺及的水泥掺量。
2 工程概况
2.1 工程简介
本工程为新建川藏铁路拉萨至林芝段,明则至桑日区间路基DK142+985~DK143+325、DK143+980~DK145+550粉细砂地层<4-4-1、4-4-2>为松散和稍密状态,地基承载力为0.1Mpa,该段铁路路基为填方路堤,中心填方高度约为9m。地基处理采用桩径为0.5m、桩间距为1.3m正三角形布置的水泥搅拌桩加固。
2.2 地质、水文特征
本段覆盖层主要为第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)的粉土、细中砂。本段地表水主要为雅鲁藏布江江水及沟水,沟水雨季及冰雪融化季节沟中有流水,枯水季节沟中水量较小,地下水主要为第四系冲洪积层及泥石流堆积层漂石土、卵石土、粗、细圆砾土、砂层中的孔隙水。本段地震动峰值加速度为0.2g,根据《铁路工程抗震设计规GB50111-2006》判定该粉细砂为液化层。
3 试验方案及参数选择
3.1 配比试验选定
根据对现场天然土的容重和天然含水率测定,得出该段铁路路基土的天然含水率为W0=5.4%,土的天然密度ρ0=1.83g/cm3,一般水泥的掺量为被加固湿土的12%~20%,但掺量范围跨度大,对整体投资不可控制。为此,为了探索能够适宜于该类粉细砂地层砂土液化处理,按照55kg、65kg、75kg、95kg、115kg每延米掺量试验。
3.2 机械、劳动力配置
表1 单机施工班组劳动力组织表
工 种 | 数量 | 备注 |
搅拌打桩机手 | 2人 | |
辅助人员 | 3人 |
表2 机械设备配置表
序号 | 机械设备称 | 规格及型号 | 数量 | 进场日期 | 备注 |
1 | 水泥搅拌桩机 | SP-5A18 | 2 | 2016.03 | |
2 | 泥浆泵 | PJ-5A | 2 | 2016.03 | |
3 | 发电机 | 200KW | 2 | 2016.03 |
3.3 试验参数分类
为能够更加准确、真实的反应出水泥搅拌桩满足施工需求,依据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106-2010 J 1078-2010)要求,喷浆压力、钻进速度、提升速度、水泥掺量将是水泥搅拌桩控制的重点,根据粉细砂地层制定详细的试验参数,如下表:
表3 DK143+090水泥搅拌桩试桩参数表
序号 | 里程 | 桩号 | 钻进速度(m/min) | 提升喷浆速度(m/min) | 下沉搅拌速度(m/min) | 提升(喷浆)搅拌速度(m/min) |
1 | DK143+090 | 55-1 | 1.1 | 0.8 | 1.1 | 1.1 |
2 | 55-2 | 1.3 | 0.8 | 1.1 | 1.3 | |
3 | 65-1 | 1.3 | 0.8 | 1 | 1.1 | |
4 | 65-2 | 1.1 | 0.8 | 1.3 | 1.1 | |
5 | 75-1 | 1.5 | 0.7 | 1.1 | 1.3 | |
6 | 75-2 | 1.3 | 0.7 | 1.1 | 1.3 | |
7 | 75-3 | 1.5 | 0.8 | 1.1 | 1.3 | |
8 | 95-1 | 1.3 | 0.6 | 1.3 | 1.1 | |
9 | 95-2 | 0.6 | 0.7 | 1.1 | 1.3 | |
10 | 95-3 | 1.5 | 0.7 | 1.1 | 1.1 | |
11 | 115-1 | 0.9 | 0.5 | 1 | 1.1 | |
12 | 115-2 | 2.2 | 1 | 1.1 | 1.1 |
表4 DK144+160水泥搅拌桩试桩参数表
序号 | 里程 | 桩号 | 钻进速度(m/min) | 提升喷浆速度(m/min) | 下沉搅拌速度(m/min) | 提升(喷浆)搅拌速度(m/min) |
1 | DK144+160 | 55-1 | 0.3 | 0.8 | 1 | 1.3 |
2 | 55-2 | 0.5 | 0.8 | 1 | 1.3 | |
3 | 65-1 | 0.5 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | |
4 | 65-2 | 0.5 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | |
5 | 75-1 | 0.5 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | |
6 | 75-2 | 0.5 | 0.7 | 1.3 | 1.1 | |
7 | 75-3 | 0.6 | 0.8 | 1.1 | 1.3 | |
8 | 95-1 | 0.5 | 0.7 | 1.3 | 1.1 | |
9 | 95-2 | 0.5 | 0.6 | 1.1 | 1.3 | |
10 | 95-3 | 0.5 | 0.6 | 1.1 | 1.3 | |
11 | 115-1 | 0.6 | 0.5 | 1 | 1 | |
12 | 115-2 | 0.6 | 0.5 | 1.1 | 1.3 |
4 主要施工工艺及控制要点
4.1 测量工作
1)对设计导线点、水准点进行复核,并将复核结果报监理工程师审核。
2)对施工设计图进行图纸会审和现场复核,并作好记录,完善相关签认手续。
3)对施工横断面进行复测,测定边界范围,并报监理工程师审核。
4)对施工人员进行测量方案、技术措施等交底及培训。
4.2 技术准备
由技术人员对现场施工人员进行技术交底,交底不少于以下内容:图纸交底、中桩交底,填料交底、试验标准交底、施工机械交底、施工方法交底、工期交底等。
组织施工人员学习掌握所承担工程的施工原理、施工工艺、技术要求、质量标准及检测方法等。
4.3 排水设施
开挖两侧临时排水沟,疏通排干地表积水。
4.4 平整场地
水田地段排水疏干,旱地及旱田地段挖除地表植物根系,整平原地面。对需要报废水塘排水疏干、对不能报废水塘围堰抽水后,挖除地表0.3~0.5m厚流塑状软土,用粘性土回填至水塘坎高程或原地面处,清除场地内障碍物。
4.5 布置桩位
根据现场情况绘制碎石桩桩位布置图,并标明桩位编号,用全站仪利用设计导线点进行现场桩位中心放样,采用小木桩标示中心点。
4.6 钻机就位
将钻机安置在测设的桩位上,使钻头对准桩位,桩位允许偏差≤50mm,然后调整桩机的平整度和垂直度,垂直度允许偏差≤1%,以保证桩身垂直。
4.7 制浆
根据施工前室内配方试验确定的最佳水泥用量、水胶比制浆,要求水要清洁、酸碱适中。
浆液配制顺序:先加入规定用水量,然后边搅拌边加入水泥,并用比重计检浆液比重,最后放入二次搅拌桶内进行二次搅拌。
4.8 边钻进、边喷浆搅拌
钻机就位后,开启钻机和水泥浆泵,将水泥浆压入地基中,边钻进、边自上而下喷浆、边搅拌,直至钻进至水泥搅拌桩设计深度。
4.9 边提升钻头、边喷浆搅拌
钻进至设计深度后,钻机反转,提升钻头,边自下而上喷浆、边提升、边搅拌。直至提升至桩顶。
4.10 再次钻进、喷浆搅拌
钻头提升至桩顶后,再次下钻,边自上而下钻进、边搅拌。直至钻进至水泥搅拌桩设计深度。
4.11 再次提升、喷浆搅拌
再次钻进至设计深度后,再次将钻机反转,提升钻头,边自下而上喷浆、边提升、边搅拌。提升至地面以下1m时,宜减慢速度,当喷浆口至桩顶标高时,应停止提升搅拌10~20s,以保证桩头密实均匀。
4.12 清洗、移位
灌浆完成后,提升钻杆及钻头,向集料斗中注入适量清水,进行低压射水,清洗管路中残存的水泥浆。在成桩过程中,因故停浆继续施工时,必须重叠接桩,接桩长度不小于0.5m,若停机超过3h,应在原桩位旁边进行补桩处理。清洗结束后,把钻机等设备移到新孔位上。
5 试桩数据分析
5.1 钻进、提升搅拌速度
表5 钻进提升速度表
序号 | 里程 | 桩号 | 钻进速度(m/min) | 提升喷浆速度(m/min) | 下沉搅拌速度(m/min) | 提升(喷浆)搅拌速度(m/min) |
1 | DK143+090 | 55-1 | 1.1 | 0.8 | 1.1 | 1.1 |
2 | 55-2 | 1.3 | 0.8 | 1.1 | 1.3 | |
3 | 65-1 | 1.3 | 0.8 | 1 | 1.1 | |
4 | 65-2 | 1.1 | 0.8 | 1.3 | 1.1 | |
5 | 75-1 | 1.5 | 0.7 | 1.1 | 1.3 | |
6 | 75-2 | 1.3 | 0.7 | 1.1 | 1.3 | |
7 | 75-3 | 1.5 | 0.8 | 1.1 | 1.3 | |
8 | 95-1 | 1.3 | 0.6 | 1.3 | 1.1 | |
9 | 95-2 | 0.6 | 0.7 | 1.1 | 1.3 | |
10 | 95-3 | 1.5 | 0.7 | 1.1 | 1.1 | |
11 | 115-1 | 0.9 | 0.5 | 1 | 1.1 | |
12 | 115-2 | 2.2 | 1 | 1.1 | 1.1 | |
13 | DK144+160 | 55-1 | 0.3 | 0.8 | 1 | 1.3 |
14 | 55-2 | 0.5 | 0.8 | 1 | 1.3 | |
15 | 65-1 | 0.5 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | |
16 | 65-2 | 0.5 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | |
17 | 75-1 | 0.5 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | |
18 | 75-2 | 0.5 | 0.7 | 1.3 | 1.1 | |
19 | 75-3 | 0.6 | 0.8 | 1.1 | 1.3 | |
20 | 95-1 | 0.5 | 0.7 | 1.3 | 1.1 | |
21 | 95-2 | 0.5 | 0.6 | 1.1 | 1.3 | |
22 | 95-3 | 0.5 | 0.6 | 1.1 | 1.3 | |
23 | 115-1 | 0.6 | 0.5 | 1 | 1 | |
24 | 115-2 | 0.6 | 0.5 | 1.1 | 1.3 |
通过现场实际记录,制成该表,由该表可以看出:
DK143+090段路基水泥搅拌桩平均钻进速度为1.3m/min,平均提升喷浆速度为0.75m/min,平均下沉搅拌速度为1.1m/min,平均提升(喷浆)搅拌速度为1.2m/min。
DK144+160段路基水泥搅拌桩平均钻进速度为0.5m/min,平均提升喷浆速度为0.7m/min,平均下沉搅拌速度为1.1m/min,平均提升(喷浆)搅拌速度为1.2m/min。
5.2 喷浆压力及持力层电流
表6 喷浆压力及持力层电流统计表
序号 | 里程 | 桩号 | 喷浆压力(Mpa) | 持力层电力(A) |
1 | DK143+090 | 55-1 | 0.6 | 60 |
2 | 55-2 | 0.6 | 60 | |
3 | 65-1 | 0.7 | 70 | |
4 | 65-2 | 0.6 | 70 | |
5 | 75-1 | 0.7 | 60 | |
6 | 75-2 | 0.6 | 60 | |
7 | 75-3 | 0.7 | 60 | |
8 | 95-1 | 0.6 | 60 | |
9 | 95-2 | 0.7 | 60 | |
10 | 95-3 | 0.7 | 60 | |
11 | 115-1 | 0.7 | 60 | |
12 | 115-2 | 0.7 | 60 | |
13 | DK144+160 | 55-1 | 0.6 | 90 |
14 | 55-2 | 0.6 | 100 | |
15 | 65-1 | 0.6 | 90 | |
16 | 65-2 | 0.6 | 90 | |
17 | 75-1 | 0.7 | 100 | |
18 | 75-2 | 0.7 | 90 | |
19 | 75-3 | 0.6 | 100 | |
20 | 95-1 | 0.6 | 100 | |
21 | 95-2 | 0.7 | 90 | |
22 | 95-3 | 0.7 | 100 | |
23 | 115-1 | 0.6 | 110 | |
24 | 115-2 | 0.7 | 100 |
通过现场实际记录,制成该表,由该表可以看出:
DK143+090段路基水泥搅拌桩平均喷浆压力为0.65Mpa,平均持力层电力为61A。
DK144+160段路基水泥搅拌桩平均喷浆压力为0.64Mpa,平均持力层电力为96A。
5.3 不同水泥用量对桩体无侧限抗压强度的影响
下表根据试验报告制表分析
表7 水泥用量与桩身无侧限抗压关系表
序号 | 里程 | 水泥用量(kg/m) | 无侧限抗压强度(Mpa) | 无侧限抗压强度合格值(Mpa) |
1 | DK143+090 | 55 | 1.1 | 1.5 |
2 | 65 | 1.25 | ||
3 | 75 | 1.95 | ||
4 | 95 | 3.2 | ||
5 | 115 | 5 | ||
6 | DK144+160 | 55 | 1 | 1.5 |
7 | 65 | 1.3 | ||
8 | 75 | 1.95 | ||
9 | 95 | 2.75 | ||
10 | 115 | 5.1 |
采用55kg/m和65kg/m水泥用量时,其桩身无侧限抗压强度分别为1.1Mpa和1.25Mpa,然而设计桩身无侧限抗压强度为1.5Mpa,所以55kg/m和65kg/m水泥用量不能满足设计要求。
采用75kg/m、95kg/m和115kg/m水泥用量时,其桩身无侧限抗压强度分别为1.95、2.95和5.05Mpa,设计桩身无侧限抗压强度为1.5Mpa,所以75kg/m、95kg/m和115kg/m水泥用量都能满足设计要求。然而从经济的角度考虑,采用75kg/m水泥用量既能满足设计要求,又经济实惠。
6 试桩结论
通过本次水泥搅拌桩试桩试验确定的工艺参数,可指导本管段水泥搅拌桩施工。本试验报告形成的试验成果内容主要有:
1)拟定的施工机械组合方案能够满足一个工作面的施工。即选择水泥搅拌桩机(SP-5A18)1台、泥浆泵1台和发电机一台的机械组合方案。
2)DK142+985-DK143+170段路基水泥搅拌桩拟采用钻进速度为1.3m/min,提升喷浆速度为0.75m/min,下沉搅拌速度为1.1m/min,提升(喷浆)搅拌速度为1.2m/min;喷浆压力为0.65Mpa;水泥用量75kg/m。
DK143+980-DK144+550段路基水泥搅拌桩拟采用钻进速度为0.5m/min,提升喷浆速度为0.7m/min,下沉搅拌速度为1.1m/min,提升(喷浆)搅拌速度为1.2m/min;喷浆压力为0.64Mpa;水泥用75kg/m。
7 结术语
通过本次较为详细的试验总结,采用水泥搅拌桩对加固粉细砂地层在特定环境下有明显的优势。对于粉细砂地层松散和稍密状态,水泥掺量宜为75kg/m即可满足单桩无侧限抗压强度要求,也对砂土液化处置明显,若大于该数值,可满足结果,但增加了投资,工程浪费。当电流值持续在某一峰值时,则钻进进入持力层。在节约投资的前提并控制成桩质量,按照试验值,下沉搅拌速度、提升喷浆搅拌速度、喷浆压力是粉细砂地层处置的关键。对于同类粉细砂地层,该结果具备一定借鉴意义,同为粉细砂地层还需更加详细的探索出各类粉细砂地层处置规律。
参考文献
[1] 78—俞廷山. 水泥搅拌桩在处理地基液化土中的应用谈讨.
[2] 中铁二院工程集团有限责任公司. 川藏线拉萨至林芝段施工图区间路基设计图,2015,11-2.
[3] 铁路工程地基处理技术规程(TB10106-2010 J 1078-2010)—中铁二院工程集团咨询有限责任公司.