等徑攪拌樁和釘形變徑攪拌樁復(fù)合地基加固鐵路軟基試驗研究

閻家祥

摘要：針對等徑攪拌樁和釘形變徑攪拌樁的不同特點，對釘形樁加固鐵路深厚軟土地基進行了試驗研究，并進行了技術(shù)和經(jīng)濟比較。通過鐵路深厚軟基加固現(xiàn)場試驗，分別進行了樁基施工擾動及承載力分析；進行了路基填筑過程中的剖面沉降、分層沉降、深層水平位移和孔隙水壓力監(jiān)測。從加固效果、荷載傳遞、工作性狀等方面，對等徑和釘形變徑攪拌樁復(fù)合地基加固鐵路軟基進行了對比試驗研究，論證了釘形變徑攪拌樁加固鐵路軟基的優(yōu)越性和經(jīng)濟性。結(jié)果表明，釘形攪拌樁在鐵路軟基處理工程中具有很好的應(yīng)用前景，豐富了軟土路基地基處理技術(shù)與工程實踐。

關(guān)鍵詞：攪拌樁；釘形變徑攪拌樁；復(fù)合地基；鐵路軟基；現(xiàn)場試驗

Key words：deep mixing pile；T-shaped variable diameter mixingpile；composite foundation；railway soft ground；Experimental study

水泥土攪拌樁具有施工簡便、振動小、工期短、造價低等優(yōu)點，在軟土地基處理工程中得到了廣泛應(yīng)用。但在實際應(yīng)用過程中，由于人、機、料、法、環(huán)等各方面的原因，容易產(chǎn)生成樁均勻性差、冒漿、沉樁、加固深度不足等工程質(zhì)量問題，造成對水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量及其對軟土地基的處理效果產(chǎn)生懷疑，許多鐵路工程對水泥土攪拌樁施工技術(shù)持慎用、限用的態(tài)度。針對目前傳統(tǒng)的水泥攪拌樁施工中易出現(xiàn)的樁體完整性、均勻性和強度問題，東南大學(xué)巖土工程研究所開發(fā)了雙向等徑和變徑水泥土攪拌樁施工工藝和施工機械，這種新型攪拌樁處理深度深、樁體強度均勻、施工質(zhì)量可靠，采用大直徑（≥90cm]變徑樁的型式后可以降低工程造價。

某新建鐵路路基為典型海相軟土地基，現(xiàn)場地質(zhì)條件適宜采用攪拌樁復(fù)合地基加固。為探究攪拌樁加固參數(shù)、加固機理及驗證加固效果，試驗工點設(shè)置了常規(guī)單向攪拌樁、雙向等徑和變徑攪拌樁復(fù)合地基加固區(qū)進行樁基施工和路基填筑過程中的對比試驗。本文通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗和理論分析，從加固效果、荷載傳遞、工作性狀等方面，對雙向等徑和釘形變徑攪拌樁復(fù)合地基加固鐵路軟基進行了對比試驗研究。

1.等徑和變徑雙向攪拌樁簡介

雙向攪拌樁是針對傳統(tǒng)單向攪拌樁的不足，提出的從工藝到設(shè)備一整套革新性的工法。雙向攪拌樁在充分考慮樁土協(xié)調(diào)的情況下，又可分為等徑和變徑兩種形式。雙向攪拌樁是指在成樁過程中，采用同心雙軸鉆桿，由動力系統(tǒng)帶動分別安裝在內(nèi)、外同心鉆桿上的兩組攪拌葉片，同時正、反方向雙向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土形成的水泥土攪拌樁。攪拌頭采用固定長度葉片時成等徑樁；采用可變長度折疊葉片（反向旋轉(zhuǎn)控制伸縮）時可成變徑樁，根據(jù)變徑位置可以成擴底樁、中字形樁和釘形樁。通過采用釘形樁加固可以充分利用表層硬殼層的承載能力，協(xié)調(diào)樁土變形，提高復(fù)合地基的承載力。

2.試驗工點概況

2.1工點地層條件

試驗工點位于濱海平原區(qū)，地勢寬廣平坦，線路在本段以填方通過。地基屬第四系全新統(tǒng)沖海積層，表層為黏土，層厚1.0～2.3m；其下為淤泥，深黑色，流塑，厚9.8～12.0m；下臥層為粉土、粘土、粉砂及粉質(zhì)粘土等地層。軟土位于埋深約2～12m的范圍內(nèi)，天然密度16.2kN/m3，天然含水量64.5%，天然孔隙比1.80。軟土層具有深厚、含水量高、孔隙率高、壓縮性大、強度低等特點，屬典型的海相軟土。

2.2試驗方案及儀器布設(shè)

為對比試驗研究干法和濕法攪拌樁，常規(guī)攪拌樁和雙向攪拌樁（等徑及釘形），試驗工點設(shè)置了3個試驗分區(qū)。1區(qū)為常規(guī)等徑攪拌樁加固區(qū)，樁長14m、間距1.2m、樁徑0.5m、梅花形布置；2區(qū)為雙向釘形攪拌樁加固區(qū)，樁長14m、間距1.6m、樁徑0.9m+0.5m、梅花形布置；3區(qū)為雙向等徑攪拌樁加固區(qū)，樁長14m、間距1.2m、樁徑0.5m、梅花形布置。針對各階段的施工特點及監(jiān)測重點，布置相應(yīng)的儀器設(shè)備?；鶚妒┕るA段主要監(jiān)測攪拌樁的施工對樁周土的擾動，在加固區(qū)及下臥層中不同深度布置了孔隙水壓力計用以監(jiān)測施工前后及施工過程中的孔隙水壓力變化；路基填筑一靜置階段主要監(jiān)測復(fù)合地基樁土相互作用、荷載分擔(dān)傳遞、加固區(qū)及下臥層變形固結(jié)，在孔壓計的基礎(chǔ)上又布置了壓力盒、應(yīng)變計、磁環(huán)沉降管、剖面沉降管和測斜管用以反饋填土的荷載和沉降變形情況。

2.3施工工藝對比

雙向等徑攪拌樁的主要工藝流程為“兩攪一噴”（圖1），即在下鉆時將設(shè)計用量的水泥一次性均勻噴完，同時，在下鉆噴粉（漿）的過程中進行正、反兩個方向的攪拌，在提升過程中再進行正、反兩個方向的攪拌。而常規(guī)單向攪拌樁工藝是“四攪兩噴”施工效率較低。

雙向釘形變徑攪拌樁是在雙向等徑攪樁的基礎(chǔ)上，通過帶有可變長度折疊葉片的鉆頭實現(xiàn)釘形樁頂部擴大頭復(fù)噴復(fù)攪，如圖2所示，其施工工藝為“四攪三噴”。

3.樁基施工擾動

為分析常規(guī)攪拌樁和雙向攪拌樁（等徑和釘形）施工過程中對樁周土的擾動情況，現(xiàn)場在典型斷面布設(shè)了各深度孔壓計及測斜管（坡角位置），并對監(jiān)測儀器預(yù)估受影響范圍內(nèi)的樁基施工進行由遠及近監(jiān)測，以監(jiān)測樁基施工的擾動程度和范圍。

3.1孔隙水壓力變化

為分析基樁施工前后及施工過程中的樁周土孔壓擾動情況，對1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)進行對比試驗研究。由孔壓監(jiān)測結(jié)果可知，施工時釘形變徑攪拌樁超靜孔壓變化幅值最大，常規(guī)等徑攪拌樁次之，雙向等徑攪拌樁最小，但是各樁型孔隙水壓力消散速率無明細差異。由孔壓變化和擾動范圍監(jiān)測分析可知，常規(guī)等徑攪拌樁的施工影響范較雙向等徑攪拌樁的影響略大，雙向等徑攪拌樁在施工過程中，對周邊土體施加方向相反的兩個力矩，二者相互抵消，可以減少對樁周土的影響；釘形變徑攪拌樁的施工影響明顯大于等徑攪拌樁，這主要是由于釘形樁上部樁徑大于等徑攪拌樁的緣故。

3.2深層水平位移變化

通過坡腳外1m處設(shè)置的測斜管，可以監(jiān)測基樁施工前后，地層的深層水平位移變化情況。監(jiān)測結(jié)果顯示，雙向攪拌樁最大水平位移發(fā)生在軟土層中部范圍內(nèi)，大小在13mm左右，隨著孔壓消散，位移回彈后最大水平位移穩(wěn)定在8mm左右。常規(guī)單向攪拌樁由于采用“四噴兩攪”的施工工藝，施工擾動較大導(dǎo)致深層水平位移最大值較雙向攪拌樁略大。

由于攪拌樁工藝為就地攪拌成樁，自身擠土效應(yīng)不明顯。擠土程度主要由地層情況、噴射壓力、樁機施工參數(shù)及施工順序等因素影響。攪拌樁樁周土由于受施工擾動，施工后的樁周0.5m范圍內(nèi)的土體強度比樁基施工前有所降低，隨著齡期的增加，土體強度逐漸恢復(fù)。

4.成樁質(zhì)量分析

4.1取芯及無側(cè)限抗壓強度

成樁28d后對各樁形攪拌樁在1/4樁徑處全樁長范圍內(nèi)鉆孔取芯，觀察其完整性、均勻性。取不同深度的3個試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。由檢測結(jié)果可知，雙向等徑攪拌樁的28d無側(cè)限抗壓強度最大，且樣品的標(biāo)準(zhǔn)差最小、質(zhì)量最穩(wěn)定，釘形變徑攪拌樁次之，常規(guī)等徑攪拌樁最小。為監(jiān)測樁身強度的增長情況，60d后對三種樁型再次進行全樁長取芯，并進行無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗結(jié)果表明隨著水泥土強度增長雙攪樁強度好于常規(guī)單攪樁；釘形變徑樁由于直徑較大樁頭采用“四攪三噴”，頂段擴大頭位置強度增長較快。

4.2荷載試驗

試驗工點攪拌樁成樁28d后，選取4根常規(guī)等徑樁、3根雙向等徑樁和4根釘形變徑樁，采用慢速維持荷載法進行單樁靜載試驗。由荷載試驗可知：在設(shè)計承載力的范圍內(nèi)（97kN），釘形變徑攪拌樁的沉降明顯小于等徑攪拌樁，前者在97kN下的沉降在5mm左右，后者則在10mm左右；釘形變徑攪拌樁的Q-S曲線上有明顯的由緩變陡的過程，而等徑攪拌樁的Q-S曲線則相對地近似于一條直線；雙向等徑攪拌樁的Q-S曲線與常規(guī)等徑攪拌樁相類似；在承載力范圍內(nèi)，雙向等徑攪拌樁的沉降略小于常規(guī)等徑攪拌樁，但大于釘形變徑樁。

5.路堤荷載下加固效果分析

為對比雙向等徑和釘形變徑攪拌樁，在路基填筑過程中的沉降、水平位移及孔隙水壓力的演化情況，通過預(yù)先埋設(shè)剖面管、磁環(huán)沉降管、測斜管和孔壓計等儀器設(shè)備采集相關(guān)數(shù)據(jù)，進行路堤荷載下的路基穩(wěn)定性分析。

5.1剖面沉降

為對比分析等徑和釘形變徑攪拌樁在路基填筑過程中的剖面沉降情況，在釘形變徑樁加固區(qū)和等徑樁加固區(qū)進行樁頭和樁間土剖面沉降監(jiān)測（圖3）。

由監(jiān)測結(jié)果可以看出：監(jiān)測斷面剖面沉降曲線均呈現(xiàn)出“凹”型，即兩端沉降小，中間沉降大，且隨著時間增加，沉降越來越大；釘形變徑樁300d的樁頂最大沉降量為9cm，樁間土最大沉降量接近10cm，樁間土沉降大于樁頂沉降；等徑樁348d的樁頂最大沉降量為8.5cm，樁間土最大沉降量接近9.5cm，樁間土沉降大于樁頂沉降；相同攪拌體積情況下釘形變徑樁采用1.6m的樁間距，可以達到1.2m樁間距等徑樁的沉降控制效果，且樁基數(shù)量減少43.75%，施工效率可以提高27.68%（表1）。

5.2磁環(huán)分層沉降

通過路基填筑前在路基中部引孔埋設(shè)磁環(huán)沉降管，實現(xiàn)在路基填筑過程中監(jiān)測加固區(qū)及下臥層的壓縮變形演變情況。由分層監(jiān)測結(jié)果可知：0～4m頂段加固區(qū)釘形樁和等徑樁兩者沉降量基本相同；4m以下加固區(qū)和下臥層壓縮沉降，釘形變徑樁區(qū)域明顯小于等徑樁區(qū)域，說明釘形樁能夠更好地協(xié)調(diào)樁土變形，減少路基沉降。

5.3土體深層水平位移

通過坡腳測斜管，監(jiān)測路堤填筑過程中地層的深層水平位移變化情況。監(jiān)測結(jié)果顯示：等徑和釘形變徑攪拌樁下臥層水平位移較小，加固區(qū)水平位移稍大，但都小于15mm；釘形樁加固區(qū)最大水平位移為10mm左右，雙向等徑樁加固區(qū)最大水平位移為12mm左右；釘形樁加固區(qū)水平豎向位移比為0.1，雙向等徑樁加固區(qū)水平豎向位移比為0.13，前者穩(wěn)定性優(yōu)于后者。由對比監(jiān)測可以看出：在相近高度的路堤荷載作用下，釘形變徑樁加固區(qū)的水平位移要小于雙向等徑樁加固區(qū)；合理的變徑樁頭設(shè)計優(yōu)化了樁土協(xié)調(diào)變形，減小了樁間土的水平附加應(yīng)力，所以采用釘形變徑攪拌樁復(fù)合地基加固的路基穩(wěn)定性較高。

5.4超靜孔隙水壓力

由孔隙水壓力的檢測結(jié)果，結(jié)合地下水位的情況，計算超靜孔隙水壓力。路堤分層填筑時，樁土協(xié)調(diào)變形，樁土應(yīng)力重新分配，在填土較低時土拱未形成或不穩(wěn)定，造成樁間土附加應(yīng)力增加，通過監(jiān)測加固區(qū)超靜孔壓的增加反映出變化情況。待靜置一段時間后，由填土荷載引起的超靜孔壓逐漸消散轉(zhuǎn)換為土體的有效附加應(yīng)力，土體沉降固結(jié)。當(dāng)深度達到13m以上時，由于填土高度較低，土中的超靜孔壓基本不變。

6.經(jīng)濟對比分析

由試驗工點各型攪拌樁經(jīng)濟及施工效率分析對比情況（表1）得出：在相同經(jīng)濟指標(biāo)條件下釘形變徑攪拌樁施工效率最高；在相同功耗條件下，釘形變徑攪拌樁經(jīng)濟指標(biāo)最高；可見釘形樁可以提高地基處理效率，降低工程造價。

7.結(jié)論

通過某新建鐵路試驗工點，對常規(guī)單向等徑、雙向等徑及雙向釘形變徑攪拌樁復(fù)合地基加固鐵路軟土路基進行了現(xiàn)場監(jiān)測及分析研究?？偨Y(jié)后得到以下結(jié)論：

（1）樁基施工階段，通過對試驗區(qū)段超靜孔隙水壓力和深層水平位移的變化監(jiān)測表明，常規(guī)等徑攪拌樁的施工影響范圍較雙向等徑攪拌樁的影響略大。由于釘形樁上部擴大變徑，雙向釘形變徑攪拌樁的施工影響明顯大于雙向等徑攪拌樁。攪拌樁樁周土由于受施工擾動，施工后的樁周附近土體強度比樁基施工前有所降低，隨著齡期的增加，土體強度逐漸恢復(fù)。

（2）雙向攪拌樁的“兩攪一噴”工藝優(yōu)于常規(guī)單向攪拌樁的“四攪兩噴”，能保證樁身強度均勻性；雙向釘形攪拌樁在雙向攪拌樁的工藝基礎(chǔ)上，上部變徑段增加了復(fù)噴復(fù)攪工序，整個施工工藝為“四攪三噴”。通過取芯無側(cè)限試驗及荷載試驗表明，樁身強度和承載力雙向釘形變徑攪拌樁最大，雙向等徑攪拌樁次之，常規(guī)等徑攪拌樁最小。

（3）路基填筑過程中，對比分析雙向等徑和釘形變徑攪拌樁加固區(qū)沉降、水平位移及孔隙水壓力的演化情況，結(jié)果表明路堤荷載下采用釘形變徑攪拌樁復(fù)合地基加固的路基穩(wěn)定性較雙向等徑攪拌樁高，更優(yōu)于常規(guī)單向攪拌樁，有利于加快路基填筑施工速度。

（4）雙向釘形變徑攪拌樁優(yōu)化了雙向等徑攪拌樁的承載特性，克服了常規(guī)單向攪拌樁的不足，可以大大節(jié)省工程造價，提高軟基加固效果。其具有很好的適用性和經(jīng)濟性，豐富了海相深厚軟土路基地基處理技術(shù)與工程實踐。