上合組織(連云港)國際物流園專用鐵路攪拌樁水泥摻量研究

劉仕東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院，山東濟南 250022)

連云港地區(qū)濱海相沉積軟土地層分布廣泛，在該類地層上修建鐵路需采取相應(yīng)的地基處理措施，而水泥攪拌樁是進行軟基處理的一種有效方法[1-3]。已有許多學(xué)者對水泥攪拌樁強度的影響因素進行了相關(guān)研究，許崧等[4]通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場檢測，對濱海相軟土中的水泥攪拌樁強度特征進行了研究；李治平等[5-8]通過室內(nèi)試驗，認為水泥摻入量、齡期、含水量、養(yǎng)護圍壓等因素對水泥攪拌土強度的影響較大。以下依托上合組織(連云港)國際物流園專用鐵路項目，對水泥土攪拌樁室內(nèi)配比試驗、現(xiàn)場成樁質(zhì)量檢測及經(jīng)濟性進行綜合分析和研究，在滿足穩(wěn)定和變形控制要求的基礎(chǔ)上，尋求適合本地區(qū)的最佳水泥摻量，以降低工程投資。

1 工程概況

1.1 工程情況

上合組織(連云港)國際物流園專用鐵路起點為在建徐圩支線XWDK16+300處，終點為連云港物流園站，正線全長13.948 km，鐵路等級為Ⅲ級，路基高度為3～7 m，根據(jù)地質(zhì)條件及工程特點，選取了DK1+668與DK7+500兩處代表性的工點開展現(xiàn)場試驗研究，工點位置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場試驗工點位置

1.2 地形地貌

連云港位于淮北平原和魯中南丘陵結(jié)合部，地勢整體由西北向東南傾斜，地貌單元主要為濱海平原區(qū)及剝蝕丘陵區(qū)。沿線地形平坦、開闊，海拔高程一般為2.5～5.0 m，相對高差為0.5～2.0 m，地表沉積有灰-灰綠色的流塑淤泥和淤泥質(zhì)黏土，形成了海積作用為主，殘坡積、沖海積為輔的軟土地層(如圖2所示)。

圖2 濱海平原地貌

1.3 水文地質(zhì)條件

沿線地表水系豐富，溝渠縱橫，魚塘密布，燒香河、運鹽河為常年流水河流。地下水類型主要有第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水受地表水、大氣降水和地下水越流補給，水量較大。水位埋深一般為0.50～1.50 m。

1.4 地層巖性條件

(1)第四系全新統(tǒng)

第四系全新統(tǒng)廣泛分布于沿線，以海積層為主，沖積層、沖洪積層、人工堆積層次之。巖性以淤泥、黏性土為主，砂土次之。厚度變化較大，一般厚度為15 m，局部厚度達25 m左右。

①人工堆積層

素填土：主要分布于水渠、水塘、河流堤壩和道路處，黃褐色，厚度為0.5～2.7 m，成分以黏土、粉質(zhì)黏土、黏性土(硬塑)為主。

②沖積層

黏土：黃褐色，灰黃色，土質(zhì)均勻，分布于地表淺層，軟塑，局部硬塑。該層為工程場地內(nèi)淤泥層之上唯一的硬殼層，層厚0.5～3.5 m，Ⅱ級普通土，σ0=80 kPa。

③海積層

淤泥：全線均有分布，深灰色，流塑，高壓縮性，含腐殖物，層厚14～18 m，局部深度可達29 m，Ⅱ級普通土，σ0=40 kPa。

④沖洪積層

粉質(zhì)黏土：全線均有分布，褐黃色，軟塑，局部硬塑，土質(zhì)較均勻，層厚0.5～2.7 m，Ⅱ級普通土，σ0=160 kPa。

(2)第四系上更新統(tǒng)

廣泛分布于第四系全新統(tǒng)之下，主要由沖洪積形成，地層巖性主要為黏性土、粉土、砂類土，厚度一般為45～60 m。

1. 5 典型地層參數(shù)

主要地層參數(shù)如表1所示。

根據(jù)詳細勘察結(jié)果，工程所在地區(qū)軟土具有含水量高、壓縮性大、靈敏度高、液限高、密度低、強度低、黏粒含量高和含鹽量高等特點。黏聚力、摩擦角、壓縮系數(shù)、孔隙比等參數(shù)與天然含水量均呈線性關(guān)系。深度3 m范圍內(nèi)，軟土抗剪強度參數(shù)較為離散；深度超過3 m時，有明顯的規(guī)律性。應(yīng)力水平由低變高時，軟土壓縮模量迅速增大。固結(jié)系數(shù)隨著荷載的增大而減小，在較低的應(yīng)力水平下，軟土蠕變較為穩(wěn)定；在較高的應(yīng)力水平下，軟土呈現(xiàn)出非穩(wěn)定等速蠕變[10-12]。

表1 地層參數(shù)

2 室內(nèi)配比試驗

2.1 方案制定

根據(jù)連云港地區(qū)軟土的特殊性，通過室內(nèi)配比試驗來確定合適的水泥摻量，對不同摻入比(15%、18%、20%)的水泥土進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

在施工現(xiàn)場取得淤泥層土樣，按擬定的配合比進行水泥土試塊的制作，試塊規(guī)格為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm(室內(nèi)標準養(yǎng)護)，并分別在齡期7 d、28 d和90 d時進行無側(cè)限抗壓強度的試驗。

在室內(nèi)配比試驗的過程中，進行了水泥漿和水泥粉兩種試件的無側(cè)限抗壓強度試驗，旨在為施工中選用漿噴還是粉噴提供依據(jù)。

2.2 配比試驗結(jié)果與分析

按照上述方案進行室內(nèi)配比試驗，試驗結(jié)果見表2及圖3。

圖3 無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量的關(guān)系

表2 無側(cè)限抗壓強度MPa

試驗結(jié)果表明：水泥摻量的變化對水泥土的強度影響較大，水泥土無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的加大和齡期的增長而提高；在同一水泥摻量條件下，粉體水泥攪拌樁比漿體水泥攪拌樁的無側(cè)限抗壓強度大。

基于以上試驗結(jié)果，本工程將采用粉體水泥攪拌樁。

3 現(xiàn)場試樁

在工程實踐中，一般先進行室內(nèi)配比試驗，再將設(shè)計配比應(yīng)用于現(xiàn)場試樁，最后確定水泥土攪拌樁的實際水泥摻量[13]。

3.1 試樁設(shè)計及參數(shù)

(1)試樁設(shè)備參數(shù)

試樁設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 水泥攪拌樁試樁參數(shù)

(2)試樁設(shè)計

試樁時，選用15%、18%、20%三個參數(shù)(水泥摻量分別為55 kg、66 kg、74 kg)；連云港地區(qū)土層的平均含水量達到65.2%，且室內(nèi)配比試驗表明粉體水泥漿的無側(cè)限抗壓強度較高，故使用干噴工藝進行施工。根據(jù)表3的施工參數(shù)，在DK1+668(樁間距1.2 m)、DK7+500(樁間距1 m)處進行試驗，每處做3組試樁，每組7根，正三角形布置(見圖4)，兩處合計共42根試樁。

圖4 樁位布置

3.2 成樁質(zhì)量檢測與結(jié)果分析

根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010 J1078—2010)，成樁28 d后，應(yīng)采用雙管單動取樣器在樁長范圍內(nèi)垂直鉆孔取芯，觀察樁體的完整性、均勻性，并取不同深度的(不少于3個)試樣做無側(cè)限抗壓強度試驗[14]。對DK1+668、DK7+500兩處試樁點分別進行鉆孔取芯，隨機抽取3段進行現(xiàn)場檢測，并通過標準貫入度試驗判斷樁身強度及樁體連續(xù)性[16-17]。現(xiàn)場共抽檢18根樁，按不合格、合格、良和優(yōu)4個級別評定[15]。

不同水泥摻量水泥土芯樣的無側(cè)限抗壓強度試驗成果、樁身標準貫入試驗及樁身抽檢成果見表4～表7。

表4 水泥攪拌樁28 d無側(cè)限抗壓強度 MPa

表5 水泥攪拌樁(水泥摻量20%)28 d標準貫入試驗及樁身抽檢成果

表6 水泥攪拌樁(水泥摻量18%)28d標準貫入試驗及樁身抽檢成果

表7 水泥攪拌樁(水泥摻量15%)28d標準貫入試驗及樁身抽檢成果

雙向水泥土攪拌樁現(xiàn)場芯樣如圖5、圖6所示。

圖5 DK1+668樁位芯樣

圖6 DK1+668樁位芯樣

由表5～表7可知，20%摻量的6根樁全部為優(yōu)秀；18%摻量的6根樁4根優(yōu)秀，2根良；15%摻量的6根樁4根合格，2根不合格。

3.3復(fù)合地基承載力檢測與結(jié)果分析

根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)附錄C“復(fù)合地基載荷試驗”的要求，對復(fù)合地基的承載力進行檢測[14]。因樁身完整性及無側(cè)限抗壓強度檢測中，15%水泥摻量的試樁出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，故復(fù)合地基承載力試驗抽取18%、20%摻量的試樁進行檢測。

(1)試驗方法

在DK1+668處選取4個試驗點，DK7+500處選取2個試驗點進行檢測。

試驗加載采用慢速維持荷載法，設(shè)計復(fù)合地基的承載力特征值為120 kPa。樁間距為1.0 m(DK7+500)時，采用圓形承壓板(面積為0.866 m2)，復(fù)合地基試驗的最大加載值為208 kN。加載分級為復(fù)合地基最大加載值的1/8，試驗共分為8級(加載分級荷載為26 kN、52 kN、78 kN、104 kN、130 kN、156 kN、182 kN、208 kN)。卸載級數(shù)為加載級數(shù)的一半。樁間距為1.2 m(DK1+668)時，采用圓形承壓板(面積為1.247 m2)，復(fù)合地基試驗的最大加載值為300 kN。加載分級為復(fù)合地基最大加載值的1/10，試驗共分為10級(加載分級荷載為30 kN、60 kN、90 kN、120 kN、150 kN、180 kN、210 kN、240 kN、270 kN、300 kN)。卸載級數(shù)為加載級數(shù)的一半。

每級荷載施加后，第一小時內(nèi)按間隔5 min、10 min、15 min、15 min、15 min，以后為每隔0.5 h測讀一次沉降值。當(dāng)1 h內(nèi)沉降增量小于0.1 mm時即可加下一級荷載。

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：

①沉降急劇增大，土被擠出或承壓板周圍出現(xiàn)明顯的隆起。

②在某級荷載下沉降增量大于前一級沉降增量的5倍，或者大于前一級沉降量的2倍，并經(jīng)24 h尚未穩(wěn)定。

③承壓板的累計沉降量已大于壓板直徑的6%(即63 mm或75.6 mm)。

④達不到極限荷載且最大加載壓力已大于設(shè)計要求壓力值的2倍(即最大加載值為208 kN、300 kN)。

(2)DK1+668處復(fù)合地基承載力特征值

①按受力特征值確定

4處試驗點復(fù)合地基試驗最大加載值為300 kN，最終累計沉降量分別為12.84 mm、14.62 mm、12.55 mm、14.22 mm，從壓力-沉降曲線知，未出現(xiàn)終止加載條件的情況。因此，確定該試驗點復(fù)合地基的承載力特征值為最大加載值的1/2，即150 kN。

②按相對變形確定

對于水泥土攪拌樁復(fù)合地基，可取s/d=0.006所對應(yīng)的荷載。即s=1 260×0.006=7.56 mm，4處試驗點所對應(yīng)的荷載分別為245 kN(196 kPa)、222 kN(178 kPa)、241 kN(193 kPa)、224 kN(179 kPa)，可確定復(fù)合地基承載力特征值均大于120 kPa。

(3)DK7+500處復(fù)合地基承載力特征值

①按受力特征值確定

2處試驗點復(fù)合地基試驗最大加載值為208 kN，最終累計沉降量分別為22.25 mm、23.93 mm，從壓力-沉降曲線知，未出現(xiàn)終止加載條件的情況。因此，確定該試驗點復(fù)合地基的承載力特征值為最大加載值的1/2，即104 kN。

②按相對變形確定

對于水泥土攪拌樁復(fù)合地基，可取s/d=0.006所對應(yīng)的荷載。即s=1 260×0.006=7.56 mm，2處試驗點所對應(yīng)的荷載分別為127 kN(146 kPa)、133 kN(153 kPa)，確定復(fù)合地基承載力特征值均大于120 kPa。

經(jīng)綜合評定，本次抽取的6處試驗點復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

(1)連云港地區(qū)軟土含水量高、壓縮性大、靈敏度高，在相同水泥摻量條件下，粉體水泥攪拌樁較漿體水泥攪拌樁的無側(cè)限抗壓強度大，故推薦粉體攪拌樁。

(2)水泥摻量是水泥土強度的關(guān)鍵性因素，在室內(nèi)配比試驗中，盡管水泥摻入比為15%時28 d強度達到2.65 MPa，但是由于室內(nèi)養(yǎng)護條件和現(xiàn)場條件存在差異，使得水泥土結(jié)晶固化較弱，難以達到檢測要求。因此，對于連云港地區(qū)的軟土，水泥摻入量不應(yīng)低于18%。

(3)根據(jù)試樁檢測結(jié)果，18%(66 kg)和20%(74 kg)水泥摻量的樁均滿足設(shè)計要求，從經(jīng)濟適用性來考慮，應(yīng)選用18%水泥摻量的配比。