目前, 水泥土搅拌桩被广泛运用于软土地基加固工程中, 国内外应用实践表明, 该处理措施具有良好的经济性、加固效果和施工简便等优点^[1]。但由于软土特性、固化剂 (含外掺剂) 的种类及掺入量、施工工艺控制等方面的影响^[2,3], 导致水泥土搅拌桩成桩效果常常难以满足设计要求。坡麓相斜坡软土^[4]由于其特殊的生成环境、赋存环境, 导致其具有自身的特殊性, 同一剖面软土种类多达2～3种, 物理状态和强度指标差异性很大, 因此, 在该地区采用水泥土搅拌桩也应考虑其高黏性、层状分布特点。

在建的成贵客运专线多处发现坡麓相斜坡软土, 由于斜坡软土同一剖面层理明显, 各层软土性质差异较大, 为确保水泥土搅拌桩加固处理效果, 进行了坡麓相斜坡软土水泥土搅拌桩施工工艺研究。

成贵铁路11标车站及路基共计2.037km, 主要集中在镇雄车站段。镇雄车站位于云南省镇雄县以勒镇境内, 始于姚家坪隧道出口, 止于庙埂隧道进口, 表层覆盖松软土、软土、膨胀土, 下伏白云岩, 局部含白云质灰岩, 灰质白云岩, 偶夹页岩, 局部含石膏及盐岩, 特殊岩土为人工填土、软土、松软土、黏土 (弱膨胀土) 。

路基及车站共计长1.885km, 主要工程内容有路基挖土石方56.93万m³, 填方30.23万m³;抗滑桩312根;涵洞344.19延米/9座;水泥搅拌桩339 669m, CFG桩114 789m。试验段选择在K320+435—DK320+910.7左侧, 为镇雄车站场坪区, 地基采用水泥搅拌桩加固, 直径50cm, 呈正三角形布置, 桩间距为1.2m, 桩长3～9m左右。

试验场1选择在DK319+723—DK319+910左侧场坪区, 设计为综合维修工区, 地基采用水泥搅拌桩加固, 桩径0.5m, 呈正三角形布置, 桩间距为1.3m;试验场2选择在DK320+435—DK310+910.7左侧场坪区, 设计为镇雄车站场坪区, 地基采用水泥搅拌桩加固, 桩径0.5m, 呈正三角形布置, 桩间距为1.2m。

2014年6月17日进行第1次试桩, 本次试桩共9根, 布置在DK319+723左侧, 分3种配合比, 水泥掺入量分别为15%, 17%, 19%, 不进行空搅, 直接进行两喷四搅施工。试桩参数:桩径0.5m, 施工桩长11.5m, 桩间距1.3m, 按正三角形布置, 28d龄期桩身无侧限抗压强度≥1.3MPa, 单桩承载力≥140kN, 复合地基承载力≥150kPa。对3种不同配比的试桩实施了抽芯检测 (在室内对芯样进行了无侧限抗压强度试验) 、单桩竖向静力载荷试验、复合地基静力载荷试验。

1) 抽芯检测

钻芯检查了4根3种不同配比的试桩, 对芯样观察得出:4根试桩芯样绝大多数松散、呈短柱状或者块状;桩体材料分布不均匀、水泥与土未能胶结在一起、芯样多为块状水泥或者块状土。

对抽芯试块进行无侧限抗压强度试验得出:水泥掺入量为19%的试桩能加工5个试件, 3个强度达到设计值;水泥掺入量为17%, 15%的试桩芯样均为块状土或水泥, 没有能加工的试件;3种水泥掺量的试桩桩身强度均未达到设计值。

2) 单桩及复合地基竖向静载试验

对2种不同配比的试桩进行单桩、复合地基载荷试验。通过对各试验点Q-s或p-s及相关曲线综合分析, 各点单桩承载力特征值、复合地基承载力特征值如表1所示。试验结果表明:水泥土搅拌桩的单桩承载力、单桩复合地基承载力均未达到设计值。

2015年2月9日在该区域DK320+640处试桩3根, DK320+700处试桩9根, 水泥掺入量分别为15%, 17%, 19%, 均采用两喷四搅的施工工艺。2015年3月10日至4月9日, 对试桩进行现场试验检测:3种不同水泥掺量的12根试桩中, 10根未达到单桩承载力设计值 (100kN) 、2根达到设计值。12根试桩符合地基承载力有10根未达到设计值 (120kPa) 、2根达到设计值, 且无规律性。对12根试桩抽芯检测得到:试桩桩体的水泥与土未能均匀搅拌在一起, 桩体存在严重松散、夹泥断桩情况, 如图1, 2所示。11根试桩桩体无侧限抗压强度均不能满足设计要求。

从现有研究成果和实践经验来看, 由于影响水泥土强度的因素众多, 研究也并不完善, 导致水泥搅拌桩加固工程中加固效果差异很大^[5,6]。

为弄清楚坡麓相斜坡软土的单向水泥搅拌桩加固效果不佳的原因, 对镇雄车站场坪区和维修工区水泥搅拌桩不成桩地层进行了取样分析。维修工区试验段区域3～6m范围土体塑性指数达到26.8, 天然含水率达到44.0%。

镇雄车站场坪区试验段区域5～7.5m范围土体与综合维修工区不成桩土体相似, 土体塑性指数达到25.7, 天然含水率达到34.9%。

钻孔取样结果表明, 镇雄车站内分布的坡麓相斜坡软土成分复杂, 有一定的层理分布特点, 上硬下软, 上部为坡洪积的硬塑～软塑状红黏土, 中间分布1层软塑状、黏性很高的灰色弱膨胀性坡残积黏土, 下部为软塑状或流塑状坡残积红黏土。由于各土层的含水率不同, 稠度状态差距大, 土层强度差异大, 土层黏性强弱差距明显。根据工程地质勘察报告可知, 土层中含有有机质且含量也有差异, 同时局部夹有泥炭土层, 所以采用单向水泥搅拌桩进行施工时, 注浆压力和注浆量控制极为困难。注浆压力过小, 黏性强的土层注入不了水泥浆液;注浆压力过大, 黏性小的土层注浆量又超标, 形成水泥柱或水泥块, 导致形成“断桩”现象。因此, 在进行抽芯检测和静载试验时, 桩身出现土体、水泥柱, 承载力不足等情况。

施工单位向成贵线毕节指挥部提起变更, 建议: (1) 将综合维修工区基底的水泥搅拌桩加固措施变更为CFG桩, 桩直径0.5m, 呈正方形布置, 桩间距1.6m, 加固深度及加固区域与原设计图相同。 (2) 将镇雄车站场坪区原设计单向水泥搅拌桩加固措施调整为多方向立体水泥砂浆搅拌桩加固措施, 同时根据现场地形施作碎石盲沟将场区内地下水排走, 降低地下水位, 保证成桩效果。多方位立体水泥搅拌桩采用正三角形布置, 加固范围至排水沟内侧, 桩径0.5m, 桩间距1.2m, 要求打入持力层0.5m, 搅拌桩桩身水泥掺入量为被加固湿土质量的15%～19%, 水泥浆水灰比为1∶0.45～1∶0.55。28 d龄期桩身无侧限抗压强度≥1.33MPa, 90d龄期桩身无侧限抗压强度≥1.8MPa。

经毕节指挥部、中铁二院成贵项目部、中铁十二局成贵铁路项目经理部和北京中铁诚业四方现场勘察, 对变更设计原因、处理方案进行研究, 同意变更调整基底加固措施, 由原设计水泥搅拌桩调整为CFG桩。

针对水泥浆沿桩体垂直向分布不均匀、桩体搅拌不均匀等弊病, 有学者^[7]对水泥搅拌桩机及工艺加以改进, 便形成了多方位立体双向搅拌桩 (MMP桩) 技术。调查发现, 由于水泥搅拌桩在工程实践中也存在很多失败的案例, 许多地方管理部门采取慎用、甚至限用的态度^[1]。国内目前在该方面的研究比较多, 但大多应用于深厚层软土地基的处理方面^[8,9], 在斜坡软土中的应用案例鲜见报道。

多方位立体搅拌桩桩机钻头采用的是双向搅拌钻头, 钻机启动后, 钻头可以2个方向转动, 以达到水泥与土搅拌均匀的目的。多方位立体 (含双向) 水泥搅拌桩通过设备和工艺的改进, 在有效控制返浆量的同时, 搅拌的均匀性也大大提高, 从而提高了桩体强度, 增加了有效成桩深度。

多方位立体 (含双向) 水泥搅拌桩的施工工艺主要有两喷四搅或两喷六搅。试验工程主要采用先空搅2次后, 在进行两喷四搅施工方法, 其工艺流程如图3所示。

通过空搅可以破坏原状软土的结构性, 降低其黏聚性, 同时使各层软土的差异性减小, 保证后期喷浆搅拌状体的均匀性。

由于沿线地质变化较大, 含水率、黏性和有机质含量不一样, 为保证成桩质量及确定成桩效果, 现在场坪区域不同地质情况的3个位置进行试桩。试验地点分别设在DK320+620, 左侧20m;DK320+720, 左侧50m;DK320+760, 左侧40m处。每个区域试桩6根, 桩位布置如图4所示。2015年6月10日, 按照试桩方案, 完成镇雄车站范围内多方向立体水泥搅拌桩试桩。2015年7月8日至7月18日对试桩进行了检测。

1) 复合地基静力载荷试验

通过对选定的3根水泥土搅拌桩P-S曲线及相关曲线综合分析, 各点复合地基承载力特征值如表2所示。

2) 抽芯检测

钻芯检查了选定的3根水泥土搅拌桩, 对芯样观察得出:3根水泥土搅拌桩桩体整体性、均匀性较好, 桩体质量及桩长满足设计要求。抽芯试块无侧限抗压强度值在1.43～1.57MPa, 平均值在1.4MPa, 均>1.3MPa的设计要求。

成贵铁路有限责任公司毕节指挥部也高度重视, 要求钻探验证单位进行抽芯结果的验证评估, 结论为:所抽检3根水泥搅拌桩结石体均较连续、完整, 断口基本吻合, 岩芯呈长柱状、短柱状及块状, 采取率85%左右, 结石体明显, 但存在搅拌不均匀现象, 未发现明显断桩。3根水泥搅拌桩桩底均为强风化白云岩, 满足设计持力层要求。

通过上述试桩试验结果分析, 最终确定多向水泥土搅拌桩施工工艺及参数。

1) 深层搅拌机采用多方向 (梅花形) 水泥深层搅拌机;配套机械:水泥浆拌制机、注浆泵, 电气控制柜, 水泥浆计量配料装置, 250kW发电机。

2) 钻进速度和提升速度钻机钻进速度采用4档1.0～1.5m/min, 提升速度采用3档0.6～0.8m/min。

3) 工艺方法采用先空搅2次, 再进行两喷四搅拌施工。

4) 水泥掺入量水泥采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 水泥掺入量拟为加固湿土质量的19%, 约63.2kg/m;结合实际土质的含水率较高, 水灰比采用0.5, 试验室确定浆液相对密度为1.823。

5) 喷浆每米喷浆量约为52L, 喷浆速度62.4～83.2L/min, 喷浆压力控制在0.4～0.5MPa。

通过现场水泥土搅拌桩的试桩试验结果分析, 得到以下几点结论。

1) 镇雄车站内分布的坡麓相斜坡软土成分复杂, 有一定的层理分布特点, 上硬下软, 土层强度差异大, 土层黏性强弱差距明显, 同时局部夹有泥炭土层, 是导致单向水泥土搅拌桩出现土体、水泥柱, 承载力不足等施工质量问题的主因。多次试验结果表明, 单向水泥搅拌桩工艺不适宜于坡麓相斜坡软土的加固。

2) 采用“两次空搅, 两喷四搅”多方向水泥土搅拌桩工艺, 通过增加空搅可以破坏原状软土的结构性, 降低其黏聚性, 同时使各层软土的差异性减小, 保证后期喷浆搅拌桩体的均匀性。可以很好地解决单向搅拌桩施工存在的问题。

3) 检测和验证结果说明改进后的多向水泥土搅拌桩工艺能很好适用于坡麓相斜坡软土, 并通过试桩试验获得了多向水泥土搅拌桩处理坡麓相斜坡软土的施工工艺参数。