變截面樁加固海相軟土研究

王衛斌

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司,云南 昆明 650200)

0 引言

變截面水泥土攪拌樁是在成樁過程中，由動力系統帶動分別安裝在內、外同心鉆桿上的兩組攪拌葉片，同時正、反向旋轉攪拌水泥土，通過攪拌葉片的伸縮使樁身部分截面擴大而形成具有變截面的水泥土攪拌樁。工程試驗證明了其較普通水泥土樁的優越性，并在很多地方得到應用。

1 工程概況

寧波軌道交通1號線一期工程天童莊車輛段庫內外碎石道床列車荷載采用地鐵B型車，最大軸重140 kN。要求碎石道床工后沉降不大于200 mm。場地地基土類型為軟弱場地土，場地類別為Ⅳ類，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，所屬的設計地震分組為一組，處于抗震不利地段。

2 工程地質條件

根據勘探資料，擬建場地區域地勢平坦。場地表部除支流河道、魚塘外，一般均分布有厚度0.5 m～3.0 m的硬殼層或人工填土；場地中上部主要以海相淤泥質軟土或軟土為主，厚度20 m～40 m。局部夾厚度1.5 m～5.0 m的沖海相粉、砂土；場地中部主要以海相軟塑狀粉質黏土為主，厚度2 m～25 m；場地下部則以性質較好、厚度較大的硬塑狀粉質黏土層和砂層、砂礫層為主。地基土層主要物理力學性質指標見表1。

表1 地基土層主要物理力學性質指標表

天童莊車輛基地代表斷面地質剖面圖如圖1所示。

3 地基處理設計及技術要求

3.1 設計計算

地基表層為軟弱土層，其靜力觸探比貫入阻力Ps值小于1 MPa，應進行加固，加固后地基承載力應滿足其上部荷載的要求。碎石道床區軟土路基采用變截面水泥土雙向攪拌樁復合地基加固。

經計算，摻灰量不小于被加固土體質量的15%，采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比(質量比)為0.5～0.6。荷載按土質路基等效換算，寬度3.3 m，換算土柱高為2.23 m。填土高度按3.0 m，重度γ=20 kN/m3，設計要求復合地基承載力：fak≥101.9 kPa。考慮動荷載，取fak=120 kPa。變截面攪拌樁設計采用擴大段直徑1 000 mm，長5 m，下部一般段直徑500 mm，長13 m～17 m，加固深度18 m～22 m，樁間距1.8 m，正三角形布置。加固后，復合地基承載力σsp=159.82 kPa>fak=120 kPa，滿足上部列車及軌道荷載要求；穩定計算，Fs=1.432 9,滿足規范要求的時速小于120 km/h時，Fs≥1.20；工后沉降Sτ=123 mm<200 mm，滿足上部結構對地基工后沉降的要求。變截面水泥土攪拌樁平面布置、填土剖面圖如圖2所示。

3.2 變截面水泥土攪拌樁介紹

變截面水泥土雙向攪拌樁是指在水泥土攪拌樁成樁過程中，由動力系統分別帶動安裝在同心鉆桿上的內、外兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉攪拌，通過攪拌葉片的伸縮使樁身上部截面擴大而形成的類似釘子形狀的水泥土攪拌樁。雙向攪拌工藝采用同心雙軸鉆桿，在內鉆桿上設置正向旋轉葉片并設置噴漿口，在外鉆桿上安裝反向旋轉葉片，通過外桿上葉片反向旋轉過程中的壓漿作用和正反向旋轉葉片同時雙向攪拌水泥土的作用，阻斷水泥漿上冒途徑，把水泥漿控制在兩組葉片之間，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻，確保成樁質量的施工方法[1-3]。

在某一深度范圍內，有特別軟弱的土層、滑動面的范圍較大，為更經濟合理地利用變截面樁而增大樁身的強度，其擴大頭高度可據特殊土層厚度適度加長；擴大頭的位置也可根據土層條件隨意變化。變截面樁加固效果見圖3。

4 施工過程及效果檢驗

4.1 施工工藝及參數

變截面水泥土雙向攪拌樁采用參數如下：下沉速度0.7 m/min;提升速度0.9 m/min;內鉆桿轉速不小于45 r/min；外鉆桿轉速不小于45 r/min；下沉時噴漿壓力0.40 MPa。雙向攪拌樁機械葉片寬度100 mm，葉片厚度30 mm，葉片傾角10°。

水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，摻灰量為被加固濕土質量的15%，水泥漿水灰比(質量比)為0.55，水泥漿比重1.78。施工步驟如下：

樁機定位→噴漿下沉→施工下部樁體→提升攪拌→伸展葉片→擴大頭二次噴漿復攪→完成單樁施工。

變截面水泥土攪拌樁施工工藝流程圖如圖4所示。

4.2 取芯試驗

水泥土28 d齡期無側限抗壓強度的室內試驗結果：水泥摻入比分別為15%,18%和20%時，對應水泥土無側限抗壓強度1.1 MPa,1.6 MPa,1.7 MPa。根據實驗結果，現場施工時采用18%。

28 d齡期取攪拌樁芯樣進行無側限抗壓強度試驗。其中1號樁：0.0 m～6.0 m抗壓強度1.27 MPa，6.3 m以下芯樣強度低，無法取樣進行強度驗證；3號樁0.0 m～6.0 m抗壓強度0.92 MPa,6.4 m以下芯樣強度低，無法取樣進行強度驗證。A1H05樁0.0 m～6.0 m抗壓強度0.98 MPa,12.6 m以下芯樣強度低，無法取樣進行強度驗證。A2G06樁0.0 m～6.0 m抗壓強度1.04 MPa,11.2 m以下芯樣強度低，無法取樣進行強度驗證。A2C06樁0.0 m～6.0 m抗壓強度0.93 MPa,8.4 m以下芯樣呈碎塊，無法取樣進行強度驗證[4-6]。

90 d齡期再次取芯檢測結果，檢測結果如下：J2-L28樁：1.8 m～6.0 m抗壓強度1.34 MPa,9.0 m～12.2 m抗壓強度0.49 MPa,17.8 m～18.0 m抗壓強度0.24 MPa,18.3 m以下芯樣強度低，抗壓強度0.2 MPa,芯樣破碎，夾少量泥塊、淤泥質土。HII-S22樁：1.8 m～6.0 m抗壓強度大于1.58 MPa,9.0 m～15.2 m抗壓強度大于0.53 MPa,20.0 m～20.2 m抗壓強度0.52 MPa, 20.2 m以下芯樣強度低，芯樣夾少量淤泥質黏土。HII-T11樁：1.9 m～6.0 m抗壓強度大于1.67 MPa,8.9 m～13.2 m抗壓強度大于0.66 MPa,17.2 m～17.4 m抗壓強度0.42 MPa,18.4 m以下芯樣強度低，芯樣夾少量淤泥質黏土[7]。

對比28 d齡期和90 d齡期取芯檢測，樁身后期強度增長較快，上部樁體強度平均增長1.2倍～1.8倍，下部樁體強度平均增長1.6倍～5倍，隨齡期增長強度還會增加，然后趨于穩定。

根據現場鉆芯取樣過程及芯樣無側限抗壓強度試驗結果可見，變截面水泥土攪拌樁的樁身強度在擴大段以下，隨著樁體深度的變化而減小，且難以保持在一個較為穩定的數值，且呈階梯性逐漸衰減，離散性較大[8]。

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4.3 載荷試驗及樁體彈性模量對荷載-沉降曲線的影響

現場進行單樁復合地基載荷試驗，如圖5所示。由于單樁復合地基載荷試驗中樁、載荷板均有均勻軸對稱性，故建立軸對稱有限元模型，如圖6所示。為消除邊界條件對計算結果的影響，邊界要取得足夠遠。幾何模型考慮中心線右側剖面：寬度10 m，深度50 m，包括9層地基土。由于樁體相對模型為邊界細長型，網格劃分較密。樁與土體均用實體單元模擬，樁土界面采用節點耦合。軸對稱模型左側為對稱軸，對稱軸和右側約束水平向變形，模型底部約束豎向和水平向變形。載荷板上荷載采用均布荷載來模擬，分9級加載，與單樁復合地基載荷試驗相對應[9-10]。

圖7為計算荷載-沉降曲線與現場實測曲線的對比圖。從圖7中可以看出，在各級荷載作用下，計算得到的結果與實測值S41和N28樁較為吻合，模型能夠反映現場的實際情況。

圖8(a)為樁體彈性模量變化Ep對荷載-沉降曲線的影響。Ep變化只對均布荷載小于166 kPa的荷載-沉降曲線有影響，當荷載超過166 kPa時，不同彈性模量曲線趨于重合。當均布荷載小于166 kPa，彈性模量低于250 MPa時，荷載-沉降呈現出直線型。當彈性模量超過750 MPa時，荷載-沉降呈現出拋物線型。可見，采用攪拌樁體彈性模量Ep與水泥土無側限抗壓強度之間的關系，即Ep=(120～150)qu是合理的。圖8(b)給出了其中四級荷載作用下，樁頂沉降隨樁體彈性模量Ep變化情況。可以看出，相同荷載作用下，隨著樁體彈性模量的增大，沉降變化逐漸減小。樁體彈性模量超過一定值后，單樁復合地基沉降與樁體剛度無關[11]。

通過單樁復合地基承載力試驗結果表明，變截面樁擴大頭承擔了主要的荷載，擴大頭以下承載力較低。造成擴大段以下樁體強度低，單樁復合地基承載力較低的原因，可能與攪拌機械功率小、噴漿攪拌不均勻有關。隨著深度的增加，土壓力以及孔隙水壓力的明顯升高，在攪拌樁機功率較小時，噴漿攪拌均存在較大難度。為此需要采取提高攪拌樁機功率、增加一般段攪拌次數等施工措施來提高樁體質量。

4.4 計算沉降與實測沉降對比

選取代表斷面進行沉降計算，計算沉降結果如表2所示。

表2 代表斷面加固區沉降計算結果表 mm

填土完成后，對加固區進行沉降觀測，觀測數據如表3所示。

表3 觀測斷面加固區累積沉降實測結果表 mm

累積沉降觀測數據整理曲線如圖9所示。

從表3，圖9可以看出，水泥土強度對總沉降影響很大，水泥土齡期在28 d～90 d，強度仍有較明顯的增強，90 d后，水泥土強度增長緩慢，沉降量也逐漸趨于穩定。施工完成后至運營一年以來，也未出現沉降異常情況。

5 結論

通過對寧波軌道交通1號線一期工程天童莊車輛段與綜合基地的變截面水泥土雙向攪拌樁處理軟基的單樁復合地基載荷試驗、鉆芯取樣觀察以及無側限抗壓強度試驗分析，可以得到如下結論：

1)變截面水泥土樁鉆芯取樣進行無側限抗壓強度試驗表明，樁身強度是沿深度變化的，隨著深度的增大，由于設備功率不足、固結壓力增大等因素，導致攪拌不均勻，存在樁身強度降低的現象。地基處理設計中需要考慮可能存在由于樁體強度沿樁身逐漸降低導致的單樁承載力不足；可通過提高攪拌樁機功率、增加一般段攪拌次數等施工措施來提高樁體質量。

2)對比28 d齡期和90 d齡期取芯檢測，樁身后期強度增長較快，上部樁體強度平均增長1.2倍～1.8倍，下部樁體強度平均增長1.6倍～5倍，隨齡期增長強度還會增加，然后趨于穩定。據此看來，本工程采用變截面水泥土雙向攪拌樁加固軟基，是合理有效的。

3)根據單樁復合地基載荷試驗與數值模擬對比分析可以看出，數值分析中水泥土的彈性模量可以采用其無側限抗壓強度確定。水泥土彈性模量與無側限抗壓強度qu具有線性關系，彈性模量取為(120～150)qu較為合理。

4)樁體彈性模量大小影響單樁復合地基載荷試驗荷載-沉降曲線形狀。當彈性模量取值較大時，曲線呈緩變型，反之曲線呈直線型，但在荷載超過一定值后計算曲線歸于重合，即數值分析不考慮樁-土相互作用時，僅在樁頂荷載較小時能得到合理結果。

5)本文以單一工程的單樁復合地基載荷試驗、無側限抗壓強度試驗分析得到的結論，對其他工程具有一定的參考意義。