市政道路設(shè)計(jì)中采用釘型雙向水泥攪拌樁處理軟土的分析探討

石 謙 尹紅梅 易 勇

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430071）

隨著我國長江中下游平原區(qū)域經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，區(qū)域內(nèi)城市范圍也隨之不斷擴(kuò)張。城市周邊上個(gè)世紀(jì)圍湖造田形成的區(qū)域也逐漸被劃入到新城建設(shè)范圍當(dāng)中，而這些圍湖造田區(qū)域，軟土分布極為廣泛，且厚度不均；工程性質(zhì)差，對于新城建設(shè)中市政道路項(xiàng)目的基礎(chǔ)處理帶來麻煩。如處理不當(dāng)，短期內(nèi)道路各種病害將集中爆發(fā)，導(dǎo)致道路使用功能受損，影響周邊居民生活出行。因此市政道路項(xiàng)目中的軟土處理是否合理，直接影響到市政道路的成敗，同時(shí)也成為各級(jí)政府部門在城市建設(shè)中最為關(guān)注的重點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 總體情況

武漢市漢陽四新區(qū)是武漢市發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，武漢市漢陽四新區(qū)楊泗港快速通道是對接擬建的楊泗港長江大橋、打通漢陽四新區(qū)地區(qū)腹地的重要項(xiàng)目，全長約8 k m，其主線為全程高架橋，地面設(shè)置輔道，建設(shè)陶家?guī)X、四新、攔江路3座大型互通式立交橋。主線為城市快速路，設(shè)計(jì)車速60～80 k m／h，輔道為城市次干路，設(shè)計(jì)車速40 k m／h。主線雙向6車道，輔道雙向4～6車道，高架橋?qū)?6 m［1］。

1.2 不良地質(zhì)情況說明

本項(xiàng)目場地地貌單元大部分為湖泊及湖泊堆積平原，道路范圍內(nèi)主要不良地質(zhì)為軟弱土層，該層位于新近湖積形成的藕塘中，呈灰黑色流塑狀，土質(zhì)軟，手指輕易按入，含有機(jī)腐殖質(zhì)和植物根系成分較多，具有強(qiáng)度低、高壓縮性、力學(xué)性質(zhì)差、厚度不均勻且厚度較深的特點(diǎn)。平均含水量71.3%，空隙比2.08，壓縮系數(shù)1.8 MPa－1。地質(zhì)勘查報(bào)告指出，該層未經(jīng)處理不宜作為擬建道路底持力層。

2 軟土處理設(shè)計(jì)比較

軟土處理方法比較多，目前常用的方法有2大類：①排水固結(jié)法（如鋪砂墊層或土工織物預(yù)壓、袋裝砂井預(yù)壓、插板預(yù)壓、真空預(yù)壓、超載預(yù)壓等）；②復(fù)合地基法（如擠密碎石樁、擠密石灰樁、二灰樁、水泥（或粉體）攪拌樁、CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等）。選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文、材料及環(huán)境等條件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)及技術(shù)比較，當(dāng)單一的處理方法無法滿足穩(wěn)定與沉降的要求時(shí)，可考慮多種方法組合使用。結(jié)合武漢地區(qū)軟土地基處理的經(jīng)驗(yàn)及習(xí)慣做法，水泥攪拌樁是武漢地區(qū)處理深層軟土（厚度不大于15 m）最經(jīng)濟(jì)合理的方法。設(shè)計(jì)結(jié)合楊泗港快速通道項(xiàng)目，通過plaxis有限元軟件模擬建立釘型雙向水泥攪拌樁與普通水泥攪拌樁的施工模型，并分別計(jì)算2種攪拌樁方案的復(fù)合地基沉降量，從軟土處理的最終效果上分析孰優(yōu)孰劣。

設(shè)計(jì)選取楊泗港快速通道四新立交范圍內(nèi)的地面層K3＋360處作為典型橫斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，道路頂寬50 m、高3 m。根據(jù)勘查資料，地基土層由①人工填土層、②-1淤泥層、②-2粘土層、③-1粉質(zhì)粘土層組成，人工填土層平均厚度2.5 m，淤泥層平均厚度5.5 m。其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 地基土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

2.1 普通水泥攪拌樁方案

樁間距1.5 m，樁徑0.5 m，平均深度8.5 m，等邊三角形布置。采用plaxis軟件建立模型，對位移邊界條件作如下假定：模型的左、右邊界水平方向位移為0，豎直方向允許發(fā)生變形；下邊界任意方向的變形為0。見圖1。

圖1 plaxis變形網(wǎng)格（普通水泥攪拌樁）

2.2 釘型雙向水泥攪拌樁方案

樁間距2.2 m，擴(kuò)大頭樁徑1.0 m，擴(kuò)大頭長度3 m；下部樁體直徑0.5 m，下部樁體長度5.5 m，等邊三角形布置。同樣采用plaxis軟件建立模型，對位移邊界條件作如下假定：模型的左、右邊界水平方向位移為0，豎直方向允許發(fā)生變形；下邊界任意方向的變形為0。見圖2。

圖2 plaxis變形網(wǎng)格（釘型雙向水泥攪拌樁）

2.3 2種水泥攪拌樁技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較

由于釘型雙向水泥攪拌樁的樁徑“上大下小”的特點(diǎn)，和普通水泥攪拌樁上下統(tǒng)一的樁徑無法直接比較，設(shè)計(jì)選取了工程建設(shè)中更為注重的直接施工費(fèi)用做為比較平臺(tái)，綜合分析可以得出，在直接施工費(fèi)用相同或相當(dāng)?shù)那闆r下，單位面積內(nèi)釘型水泥攪拌樁相較普通水泥攪拌樁，在控制復(fù)合地基沉降量方面存在一定優(yōu)勢，并隨著軟土處理深度的加大，這一優(yōu)勢將進(jìn)一步擴(kuò)大。見表2。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析比較表

3 釘型雙向水泥攪拌樁的優(yōu)點(diǎn)

普通水泥攪拌樁適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。其優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用較低，使用廣泛，施工技術(shù)成熟，成樁時(shí)間短，能大幅提高軟土地基承載力及路堤穩(wěn)定性，控制工后沉降。但同時(shí)存在一些缺點(diǎn)，如水泥漿垂直分布不均勻（上濃下?。?；受到機(jī)械設(shè)備影響，漿體攪拌不均勻；樁間距較小破壞土體天然結(jié)構(gòu)，不能充分發(fā)揮硬殼層的強(qiáng)度［2］；處理深度大于12 m時(shí)效果不理想等等。

釘形雙向水泥攪拌樁是一種對普通水泥攪拌樁進(jìn)行工藝改良的樁型，釘形水泥攪拌樁成樁過程中，由動(dòng)力系統(tǒng)分別帶動(dòng)安裝在同心鉆桿上的內(nèi)、外2組攪拌葉片同時(shí)正、反向旋轉(zhuǎn)攪拌，通過攪拌葉片的伸縮使樁身上部截面擴(kuò)大而形成的類似釘子形狀的水泥土攪拌樁。其優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）利用常規(guī)設(shè)備加工改進(jìn)，易于推廣。釘型雙向水泥攪拌樁施工機(jī)械只需對常規(guī)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，原施工人員進(jìn)行短期指導(dǎo)學(xué)習(xí)即可完成施工。

（2）樁體攪拌更加均勻。普通水泥攪拌樁影響質(zhì)量的最大因素就是攪拌是否均勻，而釘型雙向水泥攪拌樁的獨(dú)特鉆頭構(gòu)造，使水泥漿液與土體得到充分的混合攪拌，并且由于上層葉片與下層葉片反向，可以有效杜絕冒漿現(xiàn)象的產(chǎn)生［3］。

（3）釘型雙向水泥攪拌樁擴(kuò)大頭部分采用“四攪三噴”，下部樁體采用“兩攪一噴”的施工工藝相對普通水泥攪拌樁施工工藝更利于水泥攪拌樁體的形成。

（4）樁體受力更加合理。上層填土對于下層軟土的壓力隨著深度的增加逐漸減弱，而釘型雙向水泥攪拌樁樁徑“上大下小”的設(shè)計(jì)，與復(fù)合地基所受的壓力能更好的匹配，使樁體從上到下受力更加均勻合理。

（5）由于擴(kuò)大頭作用相當(dāng)于提高了土層的置換率，因此可相應(yīng)增大樁間距，減少樁數(shù)量。同時(shí)由于擴(kuò)大頭具有類似“釘帽”的作用，擴(kuò)大了受力面積，攪拌樁頂部所需的墊層厚度可以相應(yīng)減少。

（6）工程造價(jià)更加經(jīng)濟(jì)。由于樁間距的加大，樁數(shù)量的減少，單位面積軟土處理工程量隨之減小，以及墊層厚度的減薄，直接節(jié)省工程造價(jià)，且隨著處理深度的加深，這一優(yōu)勢更加突出。

（7）處理深度更大。根據(jù)已建成項(xiàng)目獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用釘型雙向水泥攪拌樁處理軟土深度可達(dá)20 m。

4 釘型雙向水泥攪拌樁的問題及解決方法

4.1 橋頭過渡段布樁間距問題

在橋頭過渡段處理時(shí)，由于規(guī)范對于橋頭區(qū)域沉降要求高于一般路段，因此布樁時(shí)應(yīng)考慮采用樁間距漸變放大的形式，以利于解決不均勻沉降的問題，通過大量工程實(shí)例證明，對于沉降要求較高的區(qū)域，采用漸變放大樁間距，比統(tǒng)一間距經(jīng)濟(jì)性更好。

4.2 水泥攪拌樁的施工質(zhì)量問題

水泥攪拌樁在我國投入生產(chǎn)后，以其低廉的價(jià)格、較快的施工速度、靈活的布樁形式，在大量項(xiàng)目處理軟土中得到了廣泛應(yīng)用，節(jié)省了巨額的投資。但是水泥攪拌樁的成敗關(guān)鍵是水泥和土攪拌的均勻程度，稍有不慎，就會(huì)出現(xiàn)水泥富集塊或樁身不連續(xù)的質(zhì)量問題，從而導(dǎo)致工程事故并造成嚴(yán)重后果，使其不斷受到業(yè)主和建設(shè)主管部門的質(zhì)疑。因此必須加強(qiáng)現(xiàn)場質(zhì)量管理，采取樁身漿液流量自動(dòng)監(jiān)測儀、嚴(yán)格控制水灰比，施工時(shí)采取旁站監(jiān)督等措施，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

通過武漢市楊泗港快速通道軟土處理的實(shí)際設(shè)計(jì)案例，提出采用釘型水泥攪拌樁處理軟土的方法，該方法在提高水泥攪拌樁工程質(zhì)量的同時(shí)也降低了工程費(fèi)用，可為需要進(jìn)行軟土處理的市政道路項(xiàng)目提供參考。

［1］ 陳東波.武漢市楊泗港快速通道四新段工程總體設(shè)計(jì)［J］.中國市政工程，2013（3）：16-18.

［2］ 王 剛.釘型樁在市政道路工程中的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2010（5）：34-37.

［3］ 朱志鐸，劉松玉，席培勝.釘型水泥土雙向攪拌樁加固軟土地基的效果分析［J］.巖土力學(xué)，2009（7）：2064-2067.