旋噴樁在重載鐵路路基下沉病害整治中的應(yīng)用

張萬濤,鄧建義,楊德喜

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津　300251)

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旋噴樁在重載鐵路路基下沉病害整治中的應(yīng)用

張萬濤,鄧建義,楊德喜

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津300251)

摘要：結(jié)合某重載鐵路路基下沉病害整治工程,介紹斜打旋噴樁技術(shù)在既有路基下沉病害整治中的設(shè)計(jì)方案及施工質(zhì)量控制措施,闡述旋噴樁加固機(jī)理,并采用瞬態(tài)瑞雷波法檢測整治效果。從整治效果來看,斜打旋噴樁技術(shù)用于既有線路基下沉病害整治是可行的、有效的,采用瞬態(tài)瑞雷波法進(jìn)行整治效果的快速檢測與評價(jià),其檢測結(jié)果是合理可信的。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；路基沉降；旋噴樁；效果評價(jià)；既有線；瞬態(tài)瑞雷波法

1概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展及鐵路建設(shè)技術(shù)水平逐步提高，實(shí)現(xiàn)鐵路客貨分離且客運(yùn)專線高速化、貨運(yùn)鐵路重載化已經(jīng)成為鐵路建設(shè)的主要發(fā)展方向。重載鐵路運(yùn)輸能力大，經(jīng)濟(jì)效益顯著。但是由于其路基受動荷載強(qiáng)度大、頻率高，經(jīng)過多年運(yùn)營后鐵路路基出現(xiàn)了不同程度的路基下沉、路肩寬度不足及道砟囊等病害，嚴(yán)重威脅著行車安全。目前，既有線路基下沉病害整治技術(shù)方面在不封鎖線路且不需斷道施工的前提下對路基病害進(jìn)行整治，工程實(shí)踐中一般采用注漿和打設(shè)旋噴樁進(jìn)行加固[1-4]。實(shí)踐證明，兩種方案技術(shù)可行，后者施工質(zhì)量更容易控制，且通過輕型動力觸探N10試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)等原位試驗(yàn)檢測其加固效果是顯著的[5]，但采用瑞雷波法對旋噴樁加固效果進(jìn)行快速檢測和評價(jià)研究鮮有報(bào)道。瞬態(tài)瑞雷波法利用瑞雷波的頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，應(yīng)用于既有路基基床評價(jià)及下沉病害注漿加固效果評價(jià)、強(qiáng)夯及灰土擠密樁地基處理效果檢測等工程領(lǐng)域具有高效、快捷、無損的優(yōu)勢[6-10]。

針對某重載鐵路路堤下沉病害情況，采用斜打旋噴樁方案進(jìn)行整治，并對整治前后的路堤采用瞬態(tài)瑞雷波法進(jìn)行檢測。在對比分析檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上評價(jià)了路基下沉病害整治效果。探討了斜打旋噴樁技術(shù)在既有路基下沉病害整治以及瞬態(tài)瑞雷波法檢測技術(shù)在快速評價(jià)整治效果中應(yīng)用的可行性及適用性。

2工點(diǎn)病害情況

3病害整治加固方案設(shè)計(jì)

3.1旋噴樁加固方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，K332+460～K332+490段路堤下沉病害設(shè)計(jì)采用斜打旋噴樁方案進(jìn)行整治，具體設(shè)計(jì)方案如下。

拆除存在病害的拱形骨架及護(hù)肩，在路基兩側(cè)自路肩以下1.5 m沿邊坡方向及線路方向設(shè)高壓旋噴樁，旋噴樁沿邊坡方向間距2.0 m，沿線路方向間距4.0 m。旋噴樁樁徑0.5 m，傾角15°向下，每延米水泥用量不小于210 kg。此外，為加強(qiáng)基床范圍強(qiáng)度，于第一排樁加密傾角為5°旋噴樁，沿線路方向樁間距2.0 m；沿邊坡方向上下2排及路基兩側(cè)旋噴樁交錯(cuò)設(shè)置以形成網(wǎng)格狀水泥土體，旋噴樁與對側(cè)旋噴樁交于路堤中心。旋噴樁樁長由Ⅰ、Ⅱ線外側(cè)應(yīng)力擴(kuò)散線控制，應(yīng)力擴(kuò)散線之外旋噴樁空鉆。于兩側(cè)路堤坡腳外1.0 m挖梯形截污溝，溝底寬0.2 m，深0.2 m。坡腳設(shè)向外4%的橫坡，旋噴樁布置見圖1。旋噴樁施工應(yīng)從臺背向路基方向自上而下進(jìn)行，同排旋噴樁應(yīng)隔樁施工，施工完成后及時(shí)恢復(fù)漿砌片石拱形骨架護(hù)坡。

圖1　旋噴樁布置(單位：m)

3.2旋噴樁加固機(jī)理分析

以一定角度傾斜于路堤的旋噴樁是以高壓泵為動力源，通過鉆桿把配置好的水泥漿液在路堤內(nèi)以大于15 MPa的壓力由噴嘴噴出，高壓噴射流穿透周圍土體，并在噴嘴緩慢旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退的過程中切削周圍土體，強(qiáng)制土顆粒與水泥漿液攪拌混合，使土體與漿液充分?jǐn)嚢杌旌虾竽蹋纬删哂幸欢◤?qiáng)度的圓柱固結(jié)體，即旋噴樁。旋噴樁以傾斜交叉形式在路基應(yīng)力擴(kuò)散線范圍內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)樁旋噴樁在路基內(nèi)起到加筋作用，從而強(qiáng)化路基本體與基底的剛度和強(qiáng)度，提高基底承載力。同時(shí)，高壓噴射出的水泥漿液進(jìn)入土粒之間的空隙和土顆粒流失區(qū)域，形成脈狀、板狀或塊狀水泥結(jié)石體后具有充填改良作用。當(dāng)水泥土混合漿液尚未凝結(jié)時(shí)，漿液將產(chǎn)生擠壓力，對樁周土產(chǎn)生一定的壓密作用，從而提高路基及基底的密實(shí)程度。

3.3施工質(zhì)量控制

3.3.1水泥漿液配置

水泥采用強(qiáng)度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，施工用水按照國家現(xiàn)行《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》之規(guī)定執(zhí)行。

根據(jù)財(cái)政部與德國復(fù)興銀行簽署的中德財(cái)政合作“京北風(fēng)沙危害區(qū)植被恢復(fù)和水源保護(hù)林可持續(xù)經(jīng)營（Watershed Managementon Forest Land Beijing）”項(xiàng)目貸款和財(cái)政協(xié)議要求，2009年北京市水務(wù)局與北京市園林綠化局合作開展了中德財(cái)政合作“小型水體生態(tài)修復(fù)示范工程”。

3.3.2施工技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)采用噴射壓力15～20 MPa；噴嘴孔徑2.5 mm；噴漿流量80～90 L/min；提升速度16～20 cm/min；旋轉(zhuǎn)速度20～22 r/min。旋噴樁施工前必須在相鄰沉降穩(wěn)定地段路堤進(jìn)行試樁，試樁數(shù)不少于2根，以查明旋噴固結(jié)體的強(qiáng)度和直徑，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性和安全度，確定各項(xiàng)施工參數(shù)。

3.3.3成樁質(zhì)量檢測

旋噴樁主要根據(jù)《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(J285—2004)、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)進(jìn)行質(zhì)量檢測，檢查內(nèi)容包括水泥品種、規(guī)格、質(zhì)量及單延米水泥用量；旋噴樁直徑、樁長、樁間距、鉆孔位置及樁體傾斜角度；樁體強(qiáng)度在施工結(jié)束28 d后應(yīng)進(jìn)行，抽取總樁數(shù)2%的旋噴樁進(jìn)行鉆孔取芯后進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)，要求28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.0 MPa。

4病害整治效果的檢測與評價(jià)

4.1瞬態(tài)瑞雷波法檢測結(jié)果

圖2　K332+440～K332+490左側(cè)路肩瞬態(tài)瑞雷波法檢測成果

本次瞬態(tài)瑞雷波檢測使用NA-72型地震儀及4 Hz檢波器開展數(shù)據(jù)采集工作，設(shè)計(jì)點(diǎn)距5 m，采用12道檢波器排列，道間距1 m，經(jīng)過測試偏移距選為2 m。儀器參數(shù)設(shè)置采樣長度256 ms，采樣間隔0.25 ms，在路基兩側(cè)路肩上各布置1條測線，在整治前后分別檢測1次，檢測成果如圖2、圖3所示。

圖3　K332+440～K332+490右側(cè)路肩瞬態(tài)瑞雷波法檢測成果

4.2整治效果評價(jià)

根據(jù)圖2、圖3分析看出，在路基整治前，瑞雷波波速值范圍為110～250 m/s，且在3～6 m深度范圍緊貼臺背存在低速閉合圈。檢測結(jié)果表明橋頭路基密實(shí)度較差，且在3～6 m深度范圍內(nèi)靠近橋臺細(xì)小土顆粒流失嚴(yán)重，存在更加嚴(yán)重的不密實(shí)區(qū)域。

路基經(jīng)旋噴樁加固后，瑞雷波波速明顯提升至150～350 m/s，0～6 m范圍波速提升10%～60%，6～12 m范圍波速提升30%～90%，路基及基底地層密實(shí)度由上至下分層逐步提高，且緊貼臺背土顆粒流失嚴(yán)重區(qū)域充填密實(shí)。這表明路基經(jīng)旋噴樁加固后路堤本體密實(shí)程度在整體上明顯提高，基底處理范圍內(nèi)土體密實(shí)度亦明顯提高，且有效消除了臺背局部不密實(shí)區(qū)。從而提高了路堤本體剛度、強(qiáng)度及基底承載力，控制了路基下沉病害的進(jìn)一步發(fā)展。

5結(jié)論

結(jié)合斜打旋噴樁用于某重載鐵路路基下沉病害整治工程實(shí)例，并采用瞬態(tài)瑞雷波法對整治效果進(jìn)行檢測和評價(jià)，得出如下結(jié)論。

(1)本工點(diǎn)病害采用斜打旋噴樁整治后，路基0～6 m范圍瑞雷波速提升10%～60%，6～12 m范圍波速提升30%～90%，其加固效果是有效的。

(2)斜打旋噴樁用于既有線路基下沉病害整治，可有效提高路堤本體及基底的密實(shí)程度，從而加強(qiáng)路堤本體的剛度和強(qiáng)度，提高基底承載力，控制路基下沉病害的進(jìn)一步發(fā)展。

(3)斜打旋噴樁技術(shù)作為一種快速有效、施工質(zhì)量容易控制且不影響鐵路運(yùn)營的路基下沉病害整治手段，可以在類似工程中推廣應(yīng)用。

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Application of Churning Jet Pile to Treatment of Subgrade Settlement of Heavy Haul Railway ZHANG Wan-tao, DENG Jian-yi, YANG De-xi

(The Third Railway Survey and Design Institute of Group Corporation, Tianjin 300251, China)

Abstract：With reference to subgrade settlement treatment of heavy haul railway, this paper introduces design scheme, construction quality control with inclined churning jet pile technology used in subgrade settlement treatment of existing lines, states reinforcement mechanism of churning jet pile and the effect of settlement treatment detected by transient Rayleigh wave. With a view to the treatment effect, churning jet pile technology used in subgrade settlement treatment of existing line is feasible and effective, and the treatment results detected and evaluated rapidly with transient Rayleigh wave are reasonable and reliable.

Key words：Heavy haul railway; Subgrade settlement; Churning jet pile; Effect evaluation; Existing line; Transient Rayleigh wave

中圖分類號：U213.1+57

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.015

文章編號：1004-2954(2015)01-0064-03

作者簡介：張萬濤(1983—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：410667117@qq.com。

收稿日期：2014-10-30