中铁二局第六工程有限公司成都610031
摘要：本文以某高速铁路路基工程为依托，对水泥砂浆桩的施工工艺及施工控制要点进行了介绍，并对桩基静载试验和路基沉降观测成果进行了分析，可为今后类似工程地质条件下的水泥砂浆桩的设计和施工提供参考。
关键词：高速铁路；水泥砂浆桩；地基处理；桩基静载试验；路基沉降
引言
高速铁路是现代化铁路的重要标志，代表了当今世界铁路的发展方向，目前中国高铁技术已经走在了世界前列，并取得了丰硕的建设成果。
路基工程作为高速铁路系统工程的一部分，而地基处理又是路基工程的重要课题之一。以水泥、砂、外加剂、水、软土为材料，在水泥砂浆搅拌桩机的搅拌叶片作用下，将水泥砂浆和软土进行充分搅拌，并在固化剂和软土之间产生一系列的物理、化学反应，形成的混合料进入土体，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。水泥砂浆桩施工工艺简单，施工质量容易控制，且对于饱和软黏土、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，因而在工程实践中得到了广泛应用。
1工程概况
1.1工程简介
某新建高速铁路线路全长157.8km，设计速度250km/h；其中某标段正线长度41.57km，路基工程21km，桥梁工程20.57km，路基工程地基处理设计采用水泥砂浆桩，共计200余万m。本文以该标段约3km的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技术进行分析。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。
1.2工程地质条件
该段地基处理水泥砂浆桩工点所处线路以填方通过，地形平坦、开阔，多为耕地。土层自上而下分别为：
粉质黏土：埋深0～4.4m，软塑～坚硬，夹砂土透镜体；粘土：硬塑，偶见螺壳；σ=140kPa。
粉质黏土：埋深4.4～10.7m，软塑，含锈斑；σ=120～140kPa。
粉质黏土：埋深10.7～16m，软塑；σ=140kPa。
该工点设计桩长15m，选取DK72+000处水泥砂浆桩地基处理横断面图见下图：
1.3水文地质条件
该段路基地下水为第四系孔隙潜水，埋深10～12.9m，变化幅度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，环境作业等级为H2，地下水对混凝土结构具有氯盐侵蚀性，环境作用等级为H1。土壤最大冻结深度0.7m。
2水泥砂浆桩施工技术
2.1施工准备
2.1.1组织准备
在满足施工质量和进度前提下，合理选择熟悉水泥砂浆桩专业操作技能的人员组成施工队伍，提前组织全体施工人员进行施工质量管理和资料标准的培训，做到人人掌握操作工艺和质量控制要点。
2.1.2技术准备
在项目技术负责人主持下，组织对设计图纸的学习和审核，相关人员参加并形成会审记录。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≥2.5MPa，复合地基承载力必须≥180kPa。
提前编制的水泥砂浆桩施工方案、作业指导书以及技术交底。项目技术负责人对全体施工人员进行书面技术交底，对全体施工作业人员进行质量和安全技术培训考核合格后持证上岗。
2.1.3物资准备
（1）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≥15%，推荐选用0.45～0.7的水泥浆水灰比。
（2）砂：水泥沙浆中砂采用粉细砂，采用1:0.3～0.5灰砂比。
（3）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。
（4）水泥砂浆桩设备选用SJB40型，电动机功率2×40kW，搅拌转速43r/min、额定扭矩2×8500N?m、采用“十”字形多向喷头，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。
2.1.4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，应在施工前完成该项工作，并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[1]。
对设计交底、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。
2.1.5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经审批的试桩方案进行工艺性成桩试验，每个工点试桩数量≥3根，以便确定施工的各项技术参数和实际成桩效果。
在合适地段进行工艺性试桩6根。按照试验配合比，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。试验工艺参数为：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0.8～1.5m/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。
2.2水泥沙浆桩施工工艺
2.2.1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，其流程图见下图：
2.2.2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≤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。
2.2.3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。
2.2.4喷浆搅拌提升
制作水泥砂浆时，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，做出做醒目标记，将储水桶中的水按规定数量注入到砂浆搅拌机中。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。
深层搅拌机下沉到设计深度时，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。
2.2.5重复搅拌下沉
按工艺流程图,重复前次2.2.3作业。
2.2.6重复喷浆搅拌提升
按工艺流程图,重复前次2.2.4作业。在成桩过程中因故停浆，继续施工时必须重叠≥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。
2.2.7桩机移位
桩机完成一桩位移至下一桩位，重复进行上述2.2.2～2.2.6步骤施工。
2.2.8桩机清洗
作业完成或者需停机3h，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。
2.2.9水泥砂浆桩头截除
水泥砂浆桩作业完成并养护28d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，施工的水泥砂浆桩顶高程允许偏差控制在0～+20mm范围内。
2.3施工中应注意的问题
水泥砂浆桩施工采用从线路中心向线路两侧施打顺序推进。当遇有涵洞、框构及旅客通道施工时，其两侧水泥砂浆桩应先行施工，其次再进行涵洞、框构及旅客通道施工。
水泥砂浆桩施工完成后，如有机械需在其上面行走，其时间间隔不得小于28d。如若发生故障相关人员应立即联系停泵停机，这要求施工的高压泵司机、钻机司机和浆液搅拌组等要配合密切。相互合作查明原因排除故障，并记录好运转情况。
施工中产生的废水、废渣应符合环保及文明施工要求，不得随意排放、堆弃。
3水泥砂浆桩质量检验
3.1抽芯检验
成桩28d后，根据《高速铁路路基工程施工质量验收标准》进行随机抽检。检验结果表明，抗压强度、实测桩长、桩体固结、桩体间距、桩身完整性等各项指标均合格。
3.2静载承载力检测
成桩28d后，按要求进行随机抽检。采用承载板法选取其中DK72+000处编号S09号桩为代表，主要试验设备有千斤顶、精密压力表、百分表、反力装置、承载板、基准梁等。
通过《建筑地基处理技术规范》[5]计算公式如下:
Esp=m×Ep+(1-m)×Es
其中,m为置换率;Ep为桩体压缩模量;Es为土体压缩模量。由此计算得到的复合模量作为规范设计值。试验可知，该桩最大加载量为360kPa时，复合地基最大沉降量为21.42mm。单桩竖向抗压承载力最终加荷值均大于特征值的2倍，单桩复合地基竖向抗压承载力为180kPa，大于设计要求不小于160kPa的设计要求，该工程桩承载力均满足设计要求。
3.3该段路基沉降观测
选取该段路基3个代表性的断面沉降板观测数据，其沉降变化曲线，见下图：
图CDK72+200荷载-时间-沉降图
4结论
本文通过对水泥砂浆桩原理的阐述，总结要点如下：
(1)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。
(2)本文对水泥砂浆桩工艺及施工方法进行详细的阐述，总结出其施工过程控制难点及要点，对类似水泥砂浆桩地基处理，都具有很强的指导意义。
(3)根据该工点水泥砂浆桩施工实际情况并结合《高速铁路路基工程施工质量验收标准》，概括说明了桩基的质量检验情况，该工点水泥砂浆桩施工取得了优良的作业效果，对类似工程具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]何显军等.高速铁路路基工程施工技术指南.北京：中国铁道出版社，2010
[2]胡建等.高速铁路路基工程施工质量验收标准.北京：中国铁道出版社，2010
[3]张永钧等.建筑地基处理技术规范.北京：中国建筑工业出版社，2013