新型攪拌樁加固鐵路海相軟土地基試驗分析

韓 薇

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

新型雙向變徑和等徑水泥土攪拌樁在施工質(zhì)量可靠性、樁體強度均勻性、處理深度等方面均具備顯著優(yōu)勢，大直徑變徑樁在海相軟土地基中的應用還能在一定程度上降低工程造價。為更深入了解新型攪拌樁技術及其應用價值，開展新型攪拌樁加固鐵路海相軟土地基試驗。

1 試驗段概況和試驗方案選擇

1.1 試驗段概況

試驗段位于濱海平原區(qū)，地面高程為2.3 m，地勢寬廣平坦，本段線路以填方通過。地基屬第四系全新統(tǒng)沖海積層，地下水位埋深0.8～1.0 m，自上至下分別為黏土、淤泥、粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土等地層，埋深2～12 m存在軟土，軟土的天然孔隙比、天然含水量、天然密度、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、有機質(zhì)含量分別為1.80、64.5%、16.2 kN/m3、24.6、1.4、6%～7%。場地軟土具備深厚、強度低、孔隙率高、含水量高、壓縮性大等特點，屬于典型的海相軟土[1]。

1.2 試驗方案選擇

為滿足研究需要，基于干法和濕法攪拌樁開展試驗，選擇等徑及釘形雙向攪拌樁和常規(guī)攪拌樁，設置試驗分區(qū)9個。分區(qū)①—⑤分別為干法常規(guī)攪拌樁、濕法常規(guī)攪拌樁、干法釘形樁、干法釘形樁，均采用梅花型布置，間距分別為1.2 m、1.2 m、1.8 m、1.6 m、1.6 m，樁徑分別為0.5 m、0.5 m、0.9+0.5 m、0.9+0.5 m、0.9+0.5 m，深度分別為14 m、14 m、4+10 m、4+10 m、4+10 m。分區(qū)⑥—⑨均為濕法釘形樁，間距分別為1.4 m、1.3 m、1.2 m、1.1 m，深度均為14 m，樁徑均為0.5 m，同樣采用梅花型布置。通過具體施工和檢測可以確定，濕法成樁質(zhì)量在同等水泥參量條件下均遠低于干法，為滿足試驗需要，在濕法區(qū)域開展針對性的干法補強。為對攪拌樁的加固效果進行全面評價，試驗過程細分為3個階段，包括基樁施工、路基填筑-靜置、運營，圖1為試驗儀器布置示意圖，數(shù)據(jù)的實時采集和分析基于自動化監(jiān)測平臺完成[2]。

試驗中“兩攪一噴”為雙向等徑攪拌樁的主要工藝流程，需一次性均勻噴完設計用量的水泥，下鉆時施工過程需同時攪拌正、反兩個方向，正、反兩個方向需在提升過程中再進行攪拌?；陔p向等徑攪樁基礎進行雙向釘形變徑攪拌樁施工，施工用鉆頭帶有可變長度折疊葉片，以此開展“四攪三噴”施工，釘形樁頂部擴大頭復噴復攪是其中的關鍵。

圖1 試驗儀器布置示意

2 施工擾動分析

2.1 施工擾動分析途徑

為分析樁周土受到的施工過程中雙向攪拌樁和常規(guī)攪拌樁擾動影響，試驗基于圖2開展樁周土擾動孔壓監(jiān)測。布置孔壓計于典型斷面各深度，包括4 m、7 m、10 m、13 m、16 m、19 m、22 m，坡腳位置設置測斜管（坡腳外1 m處），以此開展由遠及近監(jiān)測，明確樁基施工的擾動范圍和程度。

2.2 超靜孔隙水壓力變化分析

為分析樁周土孔壓在基樁施工前后及施工過程中的擾動情況，選擇釘形變徑的④區(qū)和雙向等徑的⑧區(qū)進行監(jiān)測對比，結合監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，10 m和13 m處的所有監(jiān)測點均存在最大的孔壓變化。④區(qū)釘型樁的10 m埋深處出現(xiàn)最大的超靜孔壓，⑧區(qū)雙向等徑樁13 m埋深處出現(xiàn)最大的超靜孔壓，分別為106.7 kPa、151.8 kPa。對于采用擴大頭設計的釘型樁來說，拉大的樁間距使得其在相同加固效果中的施工擾動較小。同時，試驗發(fā)現(xiàn)存在無明顯差異的各樁型孔隙水壓力消散速率。

圖2 樁周土擾動孔壓監(jiān)測示意

2.3 深層水平位移變化分析

基于測斜管的設置，可對地層深層水平位移在基樁施工前后的變化進行監(jiān)測。結合監(jiān)測結果可以發(fā)現(xiàn)，軟土層中部范圍內(nèi)出現(xiàn)雙向攪拌樁最大水平位移，存在13 mm左右的位移，孔壓消散后，最大水平位移在位移回彈后穩(wěn)定在8 mm左右。采用“四噴兩攪”工藝的常規(guī)單向攪拌樁存在較大的施工擾動，使雙向攪拌樁的深層水平位移最大值稍小于常規(guī)單向攪拌樁。就地攪拌成樁存在不明顯的自身擠土效應，施工順序、樁機施工參數(shù)、噴射壓力、地層情況等因素會對擠土程度造成影響。受施工擾動影響，0.5 m范圍內(nèi)攪拌樁樁周土的強度會出現(xiàn)一定降低，土體強度會隨著齡期的增加而逐漸恢復。

3 成樁質(zhì)量分析

3.1 取芯及無側限抗壓強度

成樁28 d后鉆孔取芯，部位為1/4樁徑處，以此觀察均勻性和完整性。取3個試驗（不同深度）開展無側限抗壓強度試驗，以此對比不同工藝。結合具體對比可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量最穩(wěn)定、標準差最小、28d無側限抗壓強度最大的樣品來自雙向等徑攪拌樁，其次為釘形變徑攪拌樁，最次為常規(guī)等徑攪拌樁。為明確樁身強度變化，全樁長取芯在60 d后進行，同樣開展無側限抗壓強度試驗，通過針對性對比可以發(fā)現(xiàn)，雙攪樁隨著水泥土強度增長明顯優(yōu)于常規(guī)單攪樁，采用“四攪三噴”工藝的釘形變徑樁存在強度增長較快的頂段擴大頭位置[3]。

3.2 荷載試驗

在成樁28 d后，選取等徑單向樁3根、釘形變徑樁3根、等徑雙向樁2根開展單樁靜載試驗，試驗采用慢速維持荷載法?；谠囼灲Y果進行分析發(fā)現(xiàn)，在97 kN的設計承載力范圍內(nèi)，等徑攪拌樁的沉降明顯大于釘形變徑攪拌樁，等徑攪拌樁在97 kN下存在10 mm左右的沉降，釘形變徑攪拌樁為5 mm左右。常規(guī)等徑攪拌樁在承載力范圍內(nèi)的沉降略大于雙向等徑攪拌樁，釘形變徑樁的沉降略小于雙向等徑攪拌樁。靜載試驗釘形樁、雙向等徑攪拌樁、常規(guī)等徑攪拌樁的累計沉降量最大值分別為17 mm、22 mm、24 mm。

4 加固效果分析

4.1 加固效果分析途徑

為對比路基填筑過程中釘形變徑攪拌樁和雙向等徑攪拌樁的孔隙水壓力、水平位移、沉降、樁土荷載分擔演化情況，采用預先埋設土壓力盒、孔壓計、測斜管、磁環(huán)沉降管、剖面管等儀器設備的方式，以此對相關數(shù)據(jù)進行采集，完成路堤荷載下路基穩(wěn)定性研究。

4.2 剖面沉降

為對比路基填筑過程中釘形變徑攪拌樁和等徑攪拌樁的剖面沉降情況，樁頭和樁間土剖面沉降監(jiān)測基于釘形變徑樁④區(qū)、等徑樁⑧區(qū)的加固區(qū)進行?；诒O(jiān)測結果可以發(fā)現(xiàn)，存在明顯的“凹”形沉降曲線，沉降隨著時間增加而不斷變大。釘形變徑樁④區(qū)樁頂、樁間土的最大沉降分別為9.0 cm、10.0 cm，等徑樁⑧區(qū)樁頂、樁間土的最大沉降分別為8.5 cm、9.5 cm。通過對比可以發(fā)現(xiàn)釘形變徑樁在相同攪拌體積情況下1.6 m樁間距的沉降控制效果等同于等徑樁1.2 m樁間距的效果，可實現(xiàn)43.75%的樁基數(shù)量減少，27.68%的施工效率提升。

4.3 磁環(huán)分層沉降

通過將磁環(huán)沉降管埋設于路基中部引孔，即可對比釘形變徑攪拌樁、等徑攪拌樁的分層沉降。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在復合地基總沉降基本相同情況下，在14.0 m樁底處，釘形樁④區(qū)下臥層總沉降、等徑樁⑧區(qū)下臥層總沉降分別為4.3 cm、7.8 cm，可見擁有擴大頭的釘形樁可更多的相軟基表層硬殼層傳遞樁頂荷載，實現(xiàn)樁土協(xié)調(diào)變形的充分調(diào)動。

4.4 土體深層水平位移

對比深層水平位移可以發(fā)現(xiàn)，釘形變徑攪拌樁和等徑攪拌樁均存在較小的下臥層水平位移，同時存在稍大的加固區(qū)水平位移，但均在13 mm內(nèi)。雙向等徑樁加固區(qū)、釘形樁加固區(qū)分別擁有12 mm、10 mm左右的最大水平位移。雙向等徑樁加固區(qū)、釘形樁加固區(qū)分別有0.13、0.10的水平豎向位移比，可見釘形樁的穩(wěn)定性更好。綜合對比可以發(fā)現(xiàn)，相近高度的路堤荷載作用下，雙向等徑樁加固區(qū)的水平位移大于釘形變徑樁加固區(qū)，這是由于樁土協(xié)調(diào)變形優(yōu)化通過合理的變徑樁頭設計實現(xiàn)，樁間土水平附加應力因此減小，鐵路海相軟土地基在應用釘形變徑攪拌樁復合地基處理后具備更高的穩(wěn)定性。

4.5 超靜孔隙水壓力

基于地下水位情況和孔隙水壓力的檢測結果，針對性開展超靜孔隙水壓力計算。對于分層填筑的路堤來說，協(xié)調(diào)變形的樁土會導致應力重新分配，土拱在填土較低時因不穩(wěn)定或未形成將導致樁間土附加應力增加，為反映變化情況，可對加固區(qū)超靜孔壓的增加進行監(jiān)測。在經(jīng)過一段時間靜置后，土體的有效附加應力將逐步取代填土荷載帶來的超靜孔壓，此時存在沉降固結的土體。對于13 m以上的深度，高度較低的填土對應基本不變的土中超靜孔壓。

4.6 樁土荷載

對比釘形變徑攪拌樁和等徑攪拌樁荷載分擔比監(jiān)測曲線可以發(fā)現(xiàn)，釘形樁荷載分擔比隨著填土荷載增加線增大后減小，最終穩(wěn)定在51%。雙向等徑樁荷載分擔比隨著填土荷載增加最終穩(wěn)定在83%，二者均大于常規(guī)等徑攪拌樁，可見在樁體荷載分擔能力方面，雙攪樁身均勻的強度使得上部荷載向樁體轉(zhuǎn)移更為有效，樁間土的沉降和附加應力得以減小。釘形變徑樁在體積置換率相似條件下可基于擴大頭充分發(fā)揮樁土協(xié)調(diào)變形作用，因此存在更為合理的樁土應力，雙向等徑攪拌樁在小間距下的沉降控制效果可由更大間距的變徑樁更經(jīng)濟高效的實現(xiàn)。

4.7 經(jīng)濟對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，釘形變徑攪拌樁在相同經(jīng)濟指標條件下?lián)碛凶罡叩氖┕ば剩以谙嗤臈l件下?lián)碛凶罡叩慕?jīng)濟指標，因此其在工程造價降低、地基處理效率提升方面具備顯著優(yōu)勢。

5 結論

綜上所述，釘形變徑攪拌樁可較好服務于鐵路海相軟基處理。本文涉及的試驗對比，則直觀展示了釘形變徑攪拌樁的優(yōu)勢所在。為更好應用處理鐵路海相軟基，具體施工過程在的設備優(yōu)選、質(zhì)量控制同樣需要引起重視。