釘形水泥攪拌樁處置軟土地基及工后沉降預(yù)測

邵瑾琨

（中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無錫214028）

隨著我國國家級干線公路網(wǎng)規(guī)劃戰(zhàn)略的提出，高速公路建設(shè)里程持續(xù)增長，交通事業(yè)總體上實現(xiàn)了持續(xù)、快速和有序的發(fā)展。于此同時，公路建設(shè)中各類工程技術(shù)難題也相繼增多，軟土地基就是其中之一。我國幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，軟土地基在沿海地區(qū)廣泛存在。軟土地基強(qiáng)度低、壓縮量高，處理不當(dāng)將會對公路工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來極大危害。隨公路工程施工水平和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，軟土地基處置方式也不斷更新和完善。其中，水泥攪拌樁由于其施工效率高、處置效果優(yōu)異等顯著優(yōu)勢，在復(fù)合地基在軟土地基處理中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。本文針對依托工程中廣泛分布的軟土地基，采用釘形雙向水泥攪拌樁進(jìn)行加固，對其樁身強(qiáng)度、復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測，同時采用不同模型對其工后沉降進(jìn)行預(yù)測，驗證了使用釘形水泥攪拌樁處置軟土地基的有效性及模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

某高速公路地處平原與丘陵之間，區(qū)域大面積分布軟土及松軟土層，在K243 + 400.00-K379+150.00 段以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，地基共分3 層，不同層的土質(zhì)參數(shù)如表1 所示。根據(jù)工程現(xiàn)場的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，決定采用水泥攪拌樁對軟土地基進(jìn)行加固處理，起訖樁號K243+400.00-K379+150.00，攪拌樁均采用雙向水泥攪拌工藝，攪拌樁呈正三角形不知，攪拌樁設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

表1 不同路基土層軟土物理參數(shù)

表2 攪拌樁設(shè)計參數(shù)

2 釘形水泥攪拌樁施工工藝

釘形水泥攪拌樁施工流程如圖1 所示，其中噴漿切土下沉及提升攪拌為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在切土下沉?xí)r完成后需要收縮攪拌機(jī)葉片進(jìn)行提升，目的為改變旋向保證充分?jǐn)嚢?。最終完成擴(kuò)大頭部位施工后，繼續(xù)提升鉆機(jī)至超過樁頂標(biāo)高50cm 后方可停止攪拌葉片運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 釘形水泥攪拌樁施工流程圖

3 成樁質(zhì)量監(jiān)測

除需嚴(yán)格把控施工過程中的各項指標(biāo)外，依據(jù)《公路工程水泥攪拌樁成樁質(zhì)量檢測規(guī)程》（DB32/T 2283-2012），成樁28 天后還需對樁體強(qiáng)度、復(fù)合地基承載力等指標(biāo)進(jìn)行檢測，確保其處置效果達(dá)到要求。

3.1 樁身強(qiáng)度

待達(dá)到規(guī)范要求的養(yǎng)護(hù)齡期后，依據(jù)《土工試驗方 法 標(biāo) 準(zhǔn) 》GB/T 50123-2019，在現(xiàn)場通過鉆芯取樣法鉆取攪拌樁芯樣，芯樣必須完整且連續(xù)，芯樣長度為10-30cm。待取完芯樣后，將其密封包裝好至試驗室測試28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，選取5 根待測樁體進(jìn)行檢測，每根樁體鉆取5 個芯樣，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取其平均值，檢測結(jié)果如圖2 所示。分析檢測數(shù)據(jù)可知，5 根檢測樁體28 天無側(cè)線抗壓強(qiáng)度均達(dá)到規(guī)范值（1.0MPa）以上，說明成樁質(zhì)量良好，達(dá)到規(guī)范使用要求。同時，為評價樁身均勻性，計算5 根檢測樁體不同深度處樁身強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見圖3 所示。分析數(shù)據(jù)可以看出，5 根樁體的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.1，說明不同深度處強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)離散性較小，反應(yīng)了整體樁身穩(wěn)定性及均一性優(yōu)異。

圖2 樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果

圖3 樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值標(biāo)準(zhǔn)差

3.2 復(fù)合地基承載力

參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）對復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測，檢測方法為現(xiàn)場載荷試驗。試驗過程中，測試每一次加載時荷載板的穩(wěn)定沉降量，加載次數(shù)一般為8-10 次，當(dāng)測試區(qū)域的土體被明顯擠出或者承壓板四周隆起，同時沉降量猛增時即可停止試驗。根據(jù)測試得到的壓力值及對應(yīng)的沉降值試驗結(jié)果繪制壓力-沉降（Q-S）曲線及其對數(shù)曲線，如圖4所示。根據(jù)Q-S 曲線可以判斷，當(dāng)加載超過160KN 時，1-1、1-2、1-3 斷面處的Q-S 曲線開始陡降，說明此時為極限荷載，而1-4斷面處Q-S 曲線陡降起點為180KN，因而其復(fù)合地基承載力值為180KN。通過lgQ-S 同樣可以推斷出四個斷面處的復(fù)合地基承載力極限值。現(xiàn)場測試的復(fù)合地基承載力值均高于設(shè)計值，滿足設(shè)計要求。

圖4 現(xiàn)場荷載試驗結(jié)果

4 基于曲線模型及BP 神經(jīng)網(wǎng)路模型的工后沉降預(yù)測

預(yù)測處置后的軟土地基在使用過程中的永久變形(工后沉降) 對于軟土地基處置設(shè)計及保證后續(xù)地基穩(wěn)定性均有重要影響。采用基于曲線擬合的雙曲線法和星野法來預(yù)測軟土地基的工后沉降在工程中得到廣泛應(yīng)用。其中，雙曲線法是一種經(jīng)驗方法，計算簡單，實用性較強(qiáng)，它假定軟土地基下沉的平均速率以雙曲線形式減少，雙曲線法計算的沉降量s 與時間t 的關(guān)系見圖5。計算公式如下：

式中：St為t 時刻的沉降量，S0為初期沉降量，α、β 為系數(shù)（求解過程見圖6）。

采用星野法預(yù)測沉降的基本原理在于工程總沉降值與沉降時間的平方根呈現(xiàn)正比關(guān)系，星野法沉降預(yù)測公式為：

圖5 雙曲線s-t 關(guān)系[4]

圖6 雙曲線α、β 參數(shù)確定模型[4]

式中，St為t 時刻的沉降量，S0為初期沉降量，A、K 為待定系數(shù)。

星野法預(yù)測沉降量的步驟為：（1）根據(jù)現(xiàn)場實測沉降值繪制(t-t0)/(St-S0)2與(t-t0)的關(guān)系曲線；（2）根據(jù)線性關(guān)系曲線求取A、K；（3）將系數(shù)代入公式進(jìn)行沉降量計算。采用雙曲線法及星野法計算的沉降量與實測沉降量結(jié)果見表3 所示。

表3 雙曲線法與星野法沉降量預(yù)測結(jié)果與實測值對比

分析雙曲線法和星野法的誤差值可以看出，采用雙曲線法計算得到的沉降值偏大，平均誤差值為7.28%，而采用星野法預(yù)測的沉降值與實測值相差較小，其誤差值也較小，平均誤差僅為1.36%，因而采用星野法預(yù)測沉降值更為準(zhǔn)確。

軟土地基的沉降受到諸多因素如地質(zhì)條件、氣候環(huán)境等的影響，沉降隨時間的變化關(guān)系復(fù)雜，很難僅用數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系表示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在處理非線性問題中有獨(dú)特的優(yōu)越性，它能將傳統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)變成為高維的映射，因而近年來用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測地基沉降已經(jīng)成為研究熱點，諸多研究成果表明其預(yù)測結(jié)果良好。參考尹利華[5]建立的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟土地基沉降預(yù)測模型對水泥攪拌樁的工后沉降進(jìn)行預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)模型見圖7 所示。這一模型的網(wǎng)絡(luò)輸入層參數(shù)多樣，涵蓋了影響地基沉降的諸多共有因素。模型設(shè)置了8 個網(wǎng)絡(luò)輸入層，13個隱含層和1 個最終輸出層。

圖7 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟土地基沉降預(yù)測模型

借助MATLAB 軟件，通過輸入?yún)?shù)計算不同斷面處的沉降值，預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果對照見表4 所示?？梢钥闯?，實測的沉降量與預(yù)測沉降量最大誤差僅為3.62%，平均誤差為2.07%，明顯小于雙曲線法預(yù)測的誤差值，且預(yù)測結(jié)果稍偏大，對工程安全有利，總體說明采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可較好預(yù)測軟土地基沉降值。

表4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)及沉降預(yù)測結(jié)果

綜上，采用星野法及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法均能較為準(zhǔn)確地預(yù)測工后沉降，因此擬采用以上兩種方法對15 年后的工后沉降值進(jìn)行預(yù)測，驗證其是否滿足工后沉降標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測結(jié)果見表5 所示。

表5 15 年工后沉降預(yù)測值

5 結(jié)論

5.1 采用釘形水泥攪拌樁處置軟土地基效果良好，其樁身強(qiáng)度及復(fù)合地基承載力檢測值均達(dá)到設(shè)計要求；

5.2 雙曲線法預(yù)測工后沉降值較實際沉降監(jiān)測值偏大，誤差值遠(yuǎn)高于采用星野法及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測誤差值；

5.3 采用星野法及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對15 年后的工后沉降進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果符合規(guī)范要求，再次驗證釘形水泥攪拌樁處置軟土地基的可靠性。