浅谈水泥砂浆桩在沣保高速铁路中的应用

代勤飞

摘要：介绍中铁二局承建津保铁路第4标段概况，对水泥砂浆桩在软土地基中的加固机理及特点进行说明，并结合津保铁路实例，对水泥砂浆桩加固松软土施工方法进行探讨，总结出水泥砂浆桩施工中的控制要点。

关键词：津保；水泥砂浆桩；加固；要点

1.工程概况

中铁二局集团公司承建的津保铁路4标段，正线长度41.57公里（DK55+244.3-DK96+816.7），其中路基工程长度21公里，桥梁工程长度20.57公里。路基工程地基处理其中水泥砂浆桩264.7万米，文章以DK71+660-DK74+992里程段地基处理水泥砂浆桩工点为例，对水泥砂浆桩加固松软土施工方法进行探讨。

2.地质水文情况

2.1地形及地质情况

DK71+660-DK74+992里程段地基处理水泥砂浆桩工点位于跨大广高速公路特大桥小里程端，线路以填方通过，地形平坦、开阔，多为耕地。

0-4.4m——粉质粘土：软塑～坚硬，夹砂土透镜体；粘土：硬塑，偶见螺壳；a=140kpa。

4.4-10.7m——粉质粘土：软塑，含锈斑；a=120-140kpa。

10.7-15m——质粘土：软塑；a=140kpa。

2.2水文地质情况

该段路基地下水为第四系空隙潜水，埋深10-12.9m，变幅1-2m。主要靠大气降水补给。地下水对混凝土结构具硫酸盐侵蚀性，环境作业等级H2，地下水对混凝土结构具有氯盐侵蚀性，环境作用等级H1。土壤最大冻结深度0.7m。

2.3该段路基地震动峰值加速度：0.1g。

3.水泥砂浆桩作用机理、特点

3.1水泥沙浆桩作用机理

水泥砂浆搅拌桩是采用水泥、沙、外加剂和水搅拌而成的水泥砂浆作为固化剂主剂，利用水泥砂浆搅拌桩机的搅拌叶片，在叶片直径的范围内将水泥砂浆和土进行充分搅拌。为达到使软土凝结硬化，形成具有整体性、水稳性和一定强度的土中柱体的目的，该固化剂和软土之间所产生了一系列物理、化学反应；所形成的土中柱体并与周围的地基土一起构成复合地基，以提高软基的承载能力。

3.2水泥砂浆桩特点

水泥砂浆桩对于饱和软黏土、砂类土、黄土、淤泥、淤泥质土、黏土和亚黏土等都具有较好的加固效果，具有广泛的适用性，不但施工工艺简单，而且施工质量容易控制。

4.水泥砂浆桩施工技术

4.1水泥砂浆桩施工准备

4.1.1技术准备

设计图纸的学习和审核必须在项目技术负责人主持下，相关人员全员参加并形成会审记录。我部该工点设计桩平面布置形式为正方形布置，桩间距为1.5m，桩直径为0.5m，桩长为15m（穿透松软土至硬层）。桩身无侧限抗压强度必须大于等于2.5MPa，复合地基承载力必须大于等于180kpa。

4.1.2物资装备

（1）设计对材料的要求。

水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥或地下水具侵蚀性时使用32.5级矿渣硅酸盐水泥作固化剂，水泥掺入量比值应大于等于15%，推荐选用0.45-0.7范围的水泥浆水灰比。

砂：水泥沙浆中砂采用粉细砂，建议采用1：0.3-0.5范围的灰砂比。外加剂：根据工程土质条件和需要选用缓凝早强，减水等作用效果和节省水泥的材料。

（2）设备选用。水泥砂浆桩设备选用SJB40型，电动机功率2×40km、搅拌转速43r/min、额定扭矩2×8500n*m、采用“十字”型多向喷头，搅拌头直径700mm、加固深度15-18m。配备水泥砂浆压力监测仪和浆量自动记录仪。压浆泵最大压力1.5MPa。

4.1.3现场准备

施工场地应具备“三通一平”条件，场地地表植物根系应在施工前挖除并将场地整平，设计桩顶标高加0.3m作为整平标高。取样复测场地内地下水和地表水，以及施工用水的水质，施工用水不得使用有侵蚀性水。根据专业设计文件对路基范围内管线进行调查核实和迁改并在施工前完成该项工作，加强对没有迁改而施工中又可能对其造成影响管线的施工防护工作。设计交底、交桩给定的工程测量控制点进行复测，做好设计、勘测的交桩和交线工作并进行测量放样。

4.1.4试桩工艺参数

水泥砂浆桩施工前应编制工艺性试桩方案，选择具有代表性的地段按照审批后的试桩方案进行工艺性成桩试验，每个工点试桩数量大于等于3根以便确定施工的各项技术参数和实际成桩效果。我部在里程DK74+700处进行工艺性试桩6根，因为地下水具侵蚀性所以选用P032.5级矿渣硅酸盐水泥，按照试验配合比所确定水泥：粉细砂：水=1：0.48：0.45现场拌制浆液，水泥掺入量为20.5%即每米水泥砂浆桩掺入水泥量为70kg/m。确定后的试验工艺参数：下钻钻进速度控制在0.8-1.2m/min，转速40-80r/min；提升搅拌速度控制在0.8M.5m/min，转速80-120r/min，喷浆压力控制在0.6-1.0MPa，进入持力层电流60-70A，桩底持续喷浆搅拌时间30-40s，水泥砂浆浆液制备搅拌时间3-5min。

4.2水泥沙浆桩施工工艺

4.2.1水泥沙浆桩施工工艺流程

根据设计并结合现场实际情况，在进行工艺性试桩的基础上，确定水泥沙浆桩施工采用两喷四搅的施工工艺，其流程：施工准备-原地面处理-测量放样-钻机就位-检查钻杆垂直度及对位偏差-预搅拌钻进-确认钻进设计深度-喷射水泥砂浆、搅拌并提升钻头至桩顶-重复搅拌下沉至设计深度-重复喷射水泥砂浆、搅拌并提升钻头至桩顶-桩头搅拌-钻机移位-桩头处理-成桩质量检验。

4.2.2钻机就位

测量放样桩位采用竹条进行定位，定位误差应符合要求并用石灰进行标示。钻机行进至桩位处，为保证钻杆垂直并且对准已经测量放样好的桩位，采用调整钻机自身的调平装置配合调平仪表调平塔身导杆的方式。并利用垂球线检查垂直度和桩位偏差，确保水泥砂浆桩机钻杆垂直度偏差小于等于1%，桩位偏差小于等于50mm的要求范围内。钻机调整到位后进行低压射水试验，检查喷嘴畅通及压力情况。

4.2.3预搅拌下沉

开钻前即钻机初始状态下用白色油漆把钻杆上端头横向对应在钻机塔身上作白色粗横线标记，按照设计水泥砂浆桩长h=15m，外加30cm标高钻进总长度H，根据设计要求则（H=h+0.3=15.3）m，用卷尺从塔身白色横线油漆处，沿塔身向下H=15.3m处，用红色油漆在塔身划粗横线作红色醒目标记，以便于搅拌下沉时控制桩长满足设计要求。启动搅拌机放松起吊钢丝绳，使搅拌机沿导向架下沉，待搅拌钻头接近地面时启动自动记录仪；在桩顶以上30cm处开始钻进搅拌下沉，搅拌速度控制在50-60r/min范围，下沉速度控制在0.8-1.0m/min范围。下沉过程中的工作电流应小于等于额定值，采取增加搅拌机自重并启动加压装置方式来解决较硬地层的下沉。钻进接近设计深度即钻杆上端伴随搅拌下沉接近塔身划粗横线红色醒目标记时，宜用低速慢钻。钻进达到设计深度即钻杆上端与塔身划粗横线红色醒目标记齐平时停止钻进，并记录好钻进过程。

4.2.4喷浆搅拌提升

（1）制作水泥砂浆，采用砂浆搅拌机每盘最大搅拌3.5m3砂浆，采用二次搅拌工艺。先由配合比计算用水体积，根据用水体积和储水桶直径计算出液面高度并在该处用红色油漆划粗横线做醒目标记，将储水桶中规定量的水注入到砂浆搅拌机。然后启动搅拌机边搅拌边掺入规定量的水泥，水泥为袋装水泥，不足一袋的用台秤称量，搅拌时间不少于1min。接着加入砂桶和台秤称量的规定量的砂，搅拌时间不应少于3min。最后将砂浆从搅拌桶经过过滤网放入二次搅拌桶内进行二次搅拌，二次搅拌桶内搅拌均匀的水泥砂浆经过设滤网进浆口，通过高压灰浆泵以供应水泥砂浆桩机的砂浆使用。

（2）深层搅拌机下沉到设计深度，开启正常档位砂浆泵，压浆压力稳定在0.7Mpa左右，保证桩端喷浆搅拌30s后匀速搅拌提升搅拌头。提升过程中保持注浆泵压力为0.7Mpa附近，始终保持连续送浆。提升速度控制在0.9-1.0m/min范围，搅拌速度控制在80-90r/min范围；提升至桩头处必须持续搅拌喷浆不少于30s，搅拌喷浆直至桩顶向上30cm并做好过程记录。

4.2.5重复搅拌下沉

按工艺流程图，重复前次4.2.3作业。

4.2.6重复喷浆搅拌提升

按工艺流程图，重复前次4.2.4作业。在成桩过程中因故停浆，继续施工时必须重叠大于等于0.5m的接桩长度。如果停机超过3h，应该拆卸并清洗干净输浆泵管路，继续施工时在原位旁边补桩。

4.2.7桩机移位

桩机完成一桩位移至下一桩位，重复进行上述4.2.2-4.2.6步骤施工，采用从线路中心向线路两侧施打顺序推进。

4.2.8桩机清洗

作业完成或者需停机3小时，必须进行钻头和钻杆、砂浆泵清洗，向集料斗中注入适量清水，开启灰浆泵清洗全部管路中剩余的水泥浆，直到管内和机内没有浆液残留，并清洗干净黏附在搅拌头的软土。

4.2.9水泥砂浆桩头截除

水泥砂浆桩作业完成并养护28天后，清除桩顶保护土层，截除桩顶设计标高以上桩头，采用截桩机从四面水平切割桩体，然后将4根钢钎在切缝内按同一角度对称放置，用大锤同时击打钢钎直至将桩头截断。桩头截断后桩顶应平整，不能出现斜面，我部施工的水泥砂浆桩顶高程允许偏差控制在0-+20mm。

4.2.10水泥砂浆桩质量控制及成桩检验

主控项目：水泥砂浆桩加固用水泥、加固料及外加剂等原材料必须满足《高速铁路路基工程施工质量验收标准》（后文简称《验标》）检验要求。水泥砂浆桩浆液按照试验确定的配合比制备，检验符合《验标》要求。水泥砂浆桩的数量、布桩形式、桩长、单桩加固量用量、桩身完整性、均匀性等应满足设计要求，并按照《验标》检验方法和数量检验。水泥砂浆桩无侧限抗压强度应满足设计要求（大于等于2.5MPa），复合地基承载力应满足设计要求（大于等于180kpa）。并按照《验标》检验方法和数量检验。

一般项目：水泥砂浆桩施工的检验方法、检验数量及允许偏差应符合以下规定。检验项目桩位（纵横向）采用测量仪器或钢尺丈量的检验方法，允许偏差50mm。检验项目桩体垂直度采用经纬仪或吊线测钻杆倾斜度的检验方法，允许偏差1%。检验项目桩体有效直径采用开挖50-100cm深后，钢尺丈量的检验方法，允许偏差不小于设计值（0.5m）。施工单位检验数量按成桩总数的10%抽样检验，且每检验批大于等于5根。

5.结语

水泥砂浆桩与桩间土及褥垫层构成复合地基，大幅度提高软基的地基承载力，沉降变形小。且施工方法简单易于控制质量，在津保高速铁路施工中，我部严格按照经审批的既定施工方案作业，认真执行《验标》，水泥砂浆桩施工取得了优良的作业效果。