釘形水泥攪拌樁處置軟土地基及工后沉降預測

邵瑾琨

（中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫214028）

隨著我國國家級干線公路網規劃戰略的提出，高速公路建設里程持續增長，交通事業總體上實現了持續、快速和有序的發展。于此同時，公路建設中各類工程技術難題也相繼增多，軟土地基就是其中之一。我國幅員遼闊，地形地貌復雜，軟土地基在沿海地區廣泛存在。軟土地基強度低、壓縮量高，處理不當將會對公路工程整體結構的穩定性帶來極大危害。隨公路工程施工水平和技術的不斷創新，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、處置效果優異等顯著優勢，在復合地基在軟土地基處理中得到了廣泛應用[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行加固，對其樁身強度、復合地基承載力進行檢測，同時采用不同模型對其工后沉降進行預測，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測的準確性。

1 工程概況

某高速公路地處平原與丘陵之間，區域大面積分布軟土及松軟土層，在K243 + 400.00-K379+150.00 段以粉質黏土、淤泥質粉質黏土為主，地基共分3 層，不同層的土質參數如表1 所示。根據工程現場的地質調查結果，決定采用水泥攪拌樁對軟土地基進行加固處理，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，攪拌樁設計參數如表2 所示。

表1 不同路基土層軟土物理參數

表2 攪拌樁設計參數

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鍵環節，在切土下沉時完成后需要收縮攪拌機葉片進行提升，目的為改變旋向保證充分攪拌。最終完成擴大頭部位施工后，繼續提升鉆機至超過樁頂標高50cm 后方可停止攪拌葉片運轉。

圖1 釘形水泥攪拌樁施工流程圖

3 成樁質量監測

除需嚴格把控施工過程中的各項指標外，依據《公路工程水泥攪拌樁成樁質量檢測規程》（DB32/T 2283-2012），成樁28 天后還需對樁體強度、復合地基承載力等指標進行檢測，確保其處置效果達到要求。

3.1 樁身強度

待達到規范要求的養護齡期后，依據《土工試驗方 法 標 準 》GB/T 50123-2019，在現場通過鉆芯取樣法鉆取攪拌樁芯樣，芯樣必須完整且連續，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 無側限抗壓強度，選取5 根待測樁體進行檢測，每根樁體鉆取5 個芯樣，無側限抗壓強度取其平均值，檢測結果如圖2 所示。分析檢測數據可知，5 根檢測樁體28 天無側線抗壓強度均達到規范值（1.0MPa）以上，說明成樁質量良好，達到規范使用要求。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度的標準差，結果見圖3 所示。分析數據可以看出，5 根樁體的強度標準差均小于0.1，說明不同深度處強度測試數據離散性較小，反應了整體樁身穩定性及均一性優異。

圖2 樁體無側限抗壓強度檢測結果

圖3 樁體無側限抗壓強度值標準差

3.2 復合地基承載力

參照《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）對復合地基承載力進行檢測，檢測方法為現場載荷試驗。試驗過程中，測試每一次加載時荷載板的穩定沉降量，加載次數一般為8-10 次，當測試區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。根據測試得到的壓力值及對應的沉降值試驗結果繪制壓力-沉降（Q-S）曲線及其對數曲線，如圖4所示。根據Q-S 曲線可以判斷，當加載超過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合地基承載力極限值。現場測試的復合地基承載力值均高于設計值，滿足設計要求。

圖4 現場荷載試驗結果

4 基于曲線模型及BP 神經網路模型的工后沉降預測

預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計及保證后續地基穩定性均有重要影響。采用基于曲線擬合的雙曲線法和星野法來預測軟土地基的工后沉降在工程中得到廣泛應用。其中，雙曲線法是一種經驗方法，計算簡單，實用性較強，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（求解過程見圖6）。

采用星野法預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正比關系，星野法沉降預測公式為：

圖5 雙曲線s-t 關系[4]

圖6 雙曲線α、β 參數確定模型[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。

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

表3 雙曲線法與星野法沉降量預測結果與實測值對比

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%，因而采用星野法預測沉降值更為準確。

軟土地基的沉降受到諸多因素如地質條件、氣候環境等的影響，沉降隨時間的變化關系復雜，很難僅用數學函數關系表示。神經網絡模型在處理非線性問題中有獨特的優越性，它能將傳統的函數關系轉變成為高維的映射，因而近年來用BP 神經網絡模型預測地基沉降已經成為研究熱點，諸多研究成果表明其預測結果良好。參考尹利華[5]建立的基于BP 神經網絡的軟土地基沉降預測模型對水泥攪拌樁的工后沉降進行預測，網絡模型見圖7 所示。這一模型的網絡輸入層參數多樣，涵蓋了影響地基沉降的諸多共有因素。模型設置了8 個網絡輸入層，13個隱含層和1 個最終輸出層。

圖7 基于BP 神經網絡的軟土地基沉降預測模型

借助MATLAB 軟件，通過輸入參數計算不同斷面處的沉降值，預測結果與實測結果對照見表4 所示。可以看出，實測的沉降量與預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測的誤差值，且預測結果稍偏大，對工程安全有利，總體說明采用BP 神經網絡模型可較好預測軟土地基沉降值。

表4 BP 神經網絡模型參數及沉降預測結果

綜上，采用星野法及BP 神經網絡法均能較為準確地預測工后沉降，因此擬采用以上兩種方法對15 年后的工后沉降值進行預測，驗證其是否滿足工后沉降標準，預測結果見表5 所示。

表5 15 年工后沉降預測值

5 結論

5.1 采用釘形水泥攪拌樁處置軟土地基效果良好，其樁身強度及復合地基承載力檢測值均達到設計要求；

5.2 雙曲線法預測工后沉降值較實際沉降監測值偏大，誤差值遠高于采用星野法及BP 神經網絡模型的預測誤差值；

5.3 采用星野法及BP 神經網絡模型對15 年后的工后沉降進行預測，結果符合規范要求，再次驗證釘形水泥攪拌樁處置軟土地基的可靠性。