釘型攪拌樁加固鐵路軟土路基分析

朱興運(yùn) 陶明安

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308

釘型攪拌樁是復(fù)合地基在加固體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面發(fā)展出的一種土體置換變截面樁基礎(chǔ)［1］，作為一種新型地基處理方式在公路、機(jī)場(chǎng)軟土地基和含水率較大的泵站、沖積平原區(qū)［2-4］被廣泛使用，但是在鐵路軟土路基中的應(yīng)用還比較少。

《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》已經(jīng)明確了2035 年全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到20 萬(wàn)公里左右，其中高速鐵路里程7 萬(wàn)公里左右，鐵路工程建設(shè)任務(wù)仍然很重。而在軟土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)必然面臨軟土地基承載力不足、地基沉降量大等問(wèn)題，需要進(jìn)行地基處理。

使用水泥攪拌樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處理的方法在我國(guó)已有三十余年的發(fā)展歷史［5］，在長(zhǎng)期大量的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)水泥攪拌樁存在均勻性差、樁體強(qiáng)度低、容易冒漿、有效加固深度受限、施工效率低等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)其做了大量的研究工作。

卞保寬［3］在蘇北某鐵路項(xiàng)目上提出了一種釘型攪拌樁承載力及工后沉降的計(jì)算方法以及在深厚軟土地基中釘型攪拌樁的設(shè)計(jì)思路。王弛等［6］在處理深厚軟土路基時(shí)，討論了采用混凝土芯水泥土攪拌樁的加固效果、荷載分布與傳遞規(guī)律。易耀林等［7］在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析研究了釘型攪拌樁設(shè)置擴(kuò)大頭后對(duì)單樁承載力及樁側(cè)摩阻力的影響，提出釘型攪拌樁擴(kuò)大頭設(shè)置高度存在最優(yōu)解。李云霄［8］為了解決道路工程中遇到軟土地基如何降低工后沉降的問(wèn)題，采用了釘型攪拌樁的設(shè)計(jì)方案，從設(shè)計(jì)方案、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)使用釘型攪拌樁可以有效控制工后沉降。鄭剛等［9］通過(guò)模型試驗(yàn)和軸對(duì)稱有限元、無(wú)窮元耦合分析，研究了基礎(chǔ)、樁長(zhǎng)和墊層對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基荷載傳遞的影響。段繼偉等［10］系統(tǒng)分析了水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了足尺原位試驗(yàn)，并提出樁體的變形、軸力和側(cè)摩阻力主要分布在臨界深度以上部分樁體，超出臨界深度后作用較小。王清林［11］研究了東門渡節(jié)制閘建基面持力層使用釘型攪拌樁進(jìn)行地基處理的情況。顧素恩等［12］研究了變截面雙向水泥攪拌樁在機(jī)場(chǎng)軟土地基中的應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)變截面雙向水泥攪拌樁具有較好的地基承載能力，且其工后沉降滿足要求。阮波等［13］通過(guò)對(duì)水泥砂漿樁的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，分析了摻砂量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥砂漿樁強(qiáng)度的影響。曹洋等［14］使用ABAQUS 有限元軟件分析了群樁條件下的樁身軸力、彎矩和剪力，評(píng)價(jià)了單樁的加固效果。

綜上，對(duì)于釘型攪拌樁的系統(tǒng)性研究仍然較少，可供查閱的資料較少。本文以某鐵路工程為背景，從理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)三個(gè)方面系統(tǒng)性展開(kāi)釘型攪拌樁對(duì)鐵路路基沉降控制的研究，同時(shí)增加水泥土攪拌樁、雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁等傳統(tǒng)樁型的橫向?qū)Ρ确治鲅芯浚趯?shí)際工程應(yīng)用上具有較好的參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

本文研究的路段位于某鐵路工程DK338 + 200—DK338 + 400 段，線路以路堤填方通過(guò)，線路中心最大填高6.81 m，邊坡最大高度6.02 m。各土層基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 工程設(shè)計(jì)方案

路堤基床表層填筑0.5m 厚級(jí)配碎石和0.1 m 厚的中、粗砂，并于中粗砂中間全斷面鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜（600 g/m2）；基床底層上部填筑改良土，厚0.5 m，基床底層下部填筑C 組土并加強(qiáng)碾壓，厚1.4 m，基床以下填筑C組土，路基橫斷面如圖1所示。

為對(duì)比釘型攪拌樁相對(duì)于傳統(tǒng)樁型的技術(shù)優(yōu)劣性，本文在該路段內(nèi)設(shè)計(jì)4 種樁型，處理深度均為12 m，正方形布置，地基處理設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2 理論計(jì)算與數(shù)值模擬

2.1 理論計(jì)算

2.1.1 加固區(qū)沉降量計(jì)算

加固區(qū)沉降采用復(fù)合模量法［15］計(jì)算，依據(jù)各向同性均質(zhì)線性變形體理論，按式（1）計(jì)算。

式中：s為地基最終變形量；s'為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量；n為劃分的土層數(shù)；Ecsi為基底第i層土的復(fù)合壓縮模量；p0為路堤基底附加應(yīng)力；zi為第i層土深度；zi－1為第i-1 層土深度；分別為路堤基底計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1 層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見(jiàn)表3。其中為變形計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值，計(jì)算式為

表3 沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs

式中：Ai為第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分。

復(fù)合模量Ecs可通過(guò)面積加權(quán)平均法確定，即

式中：m為樁土體積置換率；Ep為樁體壓縮模量；Es為土體壓縮模量；Vp為樁的體積；V為樁周復(fù)合土體單元體積。

由于釘型攪拌樁是變截面，Vp等于上部樁體積與下部樁體積之和。本文取附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比為0.2的深度作為計(jì)算土體深度。

2.1.2 下臥區(qū)附加應(yīng)力計(jì)算

依據(jù)Boussinesq［15］理論，在條形荷載作用下，地基中心點(diǎn)下任一點(diǎn)深度z處的附加應(yīng)力（σz0）計(jì)算式為

式中：αz0為地基附加應(yīng)力系數(shù)；p為條形均布荷載；n0為地基中心點(diǎn)下任一點(diǎn)深度與條形均布荷載寬度的比值，n0=z/b，b為條形基礎(chǔ)底邊寬度。

作用在下臥層頂面的荷載計(jì)算式為

式中：σz為下臥層頂面的荷載平均應(yīng)力；B為復(fù)合土體上加載寬度；L為復(fù)合土體上加載長(zhǎng)度；h為加固區(qū)深度；θ為應(yīng)力擴(kuò)散角。

下臥層荷載分布如圖2 所示。其中pb是加固區(qū)深度h處的均布荷載。

圖2 下臥層荷載分布

梯形路基本體下地基土中附加應(yīng)力可看作均勻分布條形荷載和三角形分布條形荷載作用下土中應(yīng)力。均勻分布條形荷載作用下土中應(yīng)力（σu）和三角形分布荷載作用下土中應(yīng)力（σs）計(jì)算式為

式中：αu為矩形面積上條形均布荷載作用下的豎向附加應(yīng)力系數(shù)；n1為條形均布荷載長(zhǎng)度與條形均布荷載寬度的比值；m1為計(jì)算點(diǎn)距離樁端平面垂直距離與荷載均布寬度的比值；αs為矩形面積上三角形分布荷載作用下的豎向附加應(yīng)力系數(shù)。

取附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比為0.2確定壓縮層計(jì)算厚度，應(yīng)用以上公式計(jì)算得到各個(gè)樁型沉降量的理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)比4種樁型地基沉降計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)釘形樁地基處理效果最好，其次是水泥砂漿樁和雙向水泥攪拌樁，常規(guī)水泥攪拌樁效果最差。

表4 各樁型總沉降量

2.2 數(shù)值模擬

采用總剛度等效原則［16］將模型簡(jiǎn)化為二維進(jìn)行計(jì)算。本次數(shù)值模擬計(jì)算了4種樁型在同等荷載作用下路基沉降及水平位移。

經(jīng)計(jì)算，數(shù)值模擬所得不同樁型地基處理后路基沉降規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果一致。不同樁型地基沉降量見(jiàn)圖3?？芍郝坊行牡絻蓚?cè)的地基沉降量逐漸減小，到坡腳以后，這種遞減趨勢(shì)逐漸減弱。地基總體最大沉降量由小到大依次為釘型攪拌樁、雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁、常規(guī)水泥攪拌樁，其中水泥砂漿樁與雙向水泥攪拌樁的沉降量基本相等。地基處理后，土體沉降量明顯得到控制，以釘型攪拌樁為例，地基處理后沉降量為98.92 mm，而未加固處理時(shí)地基沉降量為131.2 mm，沉降量減小了24.6%。

圖3 不同樁型地基處理后沉降量（單位：m）

不同樁型下地基水平位移見(jiàn)圖4?？芍簭?fù)合地基最大水平位移一般發(fā)生在路堤坡腳附近。從整體水平位移量控制效果看，常規(guī)水泥攪拌樁、釘型攪拌樁、雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁的最大水平位移分別為44.5、17.5、43.8、44.7 mm，釘型攪拌樁對(duì)水平向位移的控制效果最好，其余3 種地基處理方式下地基水平位移控制效果相近。

圖4 不同樁型地基水平向位移（單位：m）

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)布置

本試驗(yàn)在不同樁型試驗(yàn)段埋設(shè)了分層沉降計(jì)，用于觀測(cè)不同樁型下加固區(qū)樁底及地基各地層的沉降量差異。在線路中心埋設(shè)沉降板，觀測(cè)地基表面的單點(diǎn)沉降量；在實(shí)測(cè)之前對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確保傳感器讀數(shù)在合理范圍內(nèi)。在地基處理完成后路堤填筑前，在觀測(cè)斷面左側(cè)坡腳處（地基處理范圍外2.0 m）埋設(shè)定點(diǎn)式測(cè)斜儀，埋設(shè)深度至理論計(jì)算壓縮層底部以上10 m。地面以下1 m 處以及沿深度每3.0 m 布設(shè)一個(gè)傳感器，固定于被測(cè)體預(yù)埋好的測(cè)斜管內(nèi)，控制其斜度不大于l°，觀測(cè)路堤填筑過(guò)程中及填筑完成后水平變形。同時(shí)還選取不同樁型的巖心樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 試驗(yàn)樁體力學(xué)性能

對(duì)4 種樁型12 根樁不同深度的樁身芯樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5?？芍焊鳂缎蜆渡砩喜繌?qiáng)度明顯高于下部，樁身強(qiáng)度由上至下呈遞減趨勢(shì)，樁身強(qiáng)度由高到低依次為雙向水泥攪拌樁、釘型水泥攪拌樁、水泥砂漿樁、常規(guī)水泥攪拌樁。

圖5 各樁型單樁芯樣抗壓強(qiáng)度

根據(jù)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果，以常規(guī)水泥攪拌樁為基準(zhǔn)，按照樁土置換率折算后，對(duì)于復(fù)合地基承載力特征值，常規(guī)水泥攪拌樁為187.5 kPa，釘型攪拌樁為210.4 kPa，雙向水泥攪拌樁為225 kPa，水泥砂漿樁為260.7 kPa。

為綜合比較不同樁型的加固效果，本文使用樁基加固有效性系數(shù)（κ）反映各種樁型的綜合性能，具體表現(xiàn)為系數(shù)越高，單樁承載能力越高，加固范圍越廣，水泥用量越少。樁基加固有效性系數(shù)與水泥用量成反比，與單樁極限承載力和加固影響區(qū)面積成正比，κ的計(jì)算式為

式中：ξ為綜合相關(guān)系數(shù)；Q為單樁極限承載力；S為加固影響區(qū)的面積；V水泥為水泥用量。

各樁型單樁承載力指標(biāo)以及樁基加固有效性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各樁型單樁承載力指標(biāo)性結(jié)果

由表5可知：4種不同樁型中釘型攪拌樁的綜合性能最好，依次是水泥砂漿樁、雙向水泥攪拌樁，常規(guī)水泥攪拌樁綜合性能最差。以常規(guī)水泥攪拌樁為基準(zhǔn)，按照樁土置換率折算后，對(duì)于單樁承載力，常規(guī)水泥攪拌樁為315 kN，釘型攪拌樁為786.0 kN，雙向水泥攪拌樁為405 kN，水泥砂漿樁為608.8 kN。釘型攪拌樁由于上端樁徑較大，樁端阻力和側(cè)摩阻力均較大，因此單樁承載力最高。

3.2.2 位移變化試驗(yàn)結(jié)果

分層沉降計(jì)測(cè)得各層沉降情況，見(jiàn)圖6?？芍赫麄€(gè)壓縮層范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大沉降的土層，整體沉降比較均勻。釘型攪拌樁、雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁及常規(guī)水泥攪拌樁的地基總沉降量分別為100.7、107.0、113.2、124.0 mm，其中加固區(qū)沉降占總沉降的比例分別為48.0%、50.5%、62.1%、49.5%。

圖6 各樁分層沉降曲線

綜上，釘型攪拌樁的加固效果最好，依次是雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁，常規(guī)水泥攪拌樁加固效果最差。

監(jiān)測(cè)過(guò)程中4 種不同樁型水平位移變化情況見(jiàn)圖7。可知：常規(guī)水泥攪拌樁、釘型攪拌樁、雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁的最大水平位移分別為30、13、45、12 mm，釘型攪拌樁與水泥砂漿樁的水平位移控制效果較好，主要在于釘型攪拌樁的上部樁體直徑較大和水泥砂漿樁整體剛度較強(qiáng)，控制了應(yīng)力的水平方向的傳遞，從而限制住了不同深度土體的水平向位移。與其他3種樁型相比，釘型攪拌樁更加節(jié)省材料，可節(jié)約工程造價(jià)。從整體位移水平上可以發(fā)現(xiàn)，上部土體水平位移較大，而隨著深度的不斷增大，土體的水平位移趨勢(shì)在不斷減小。

圖7 不同深度下各樁水平位移情況

4 結(jié)論與建議

本文從理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)三個(gè)方面對(duì)比分析了釘型攪拌樁與其他樁型在單樁承載力方面和控制工后沉降方面的優(yōu)劣。主要結(jié)論如下：

1）4 種樁型復(fù)合地基的沉降控制效果從好到差依次為：釘型攪拌樁、雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁、常規(guī)水泥攪拌樁，其中釘型攪拌樁的加固效果最好。相同水泥用量條件下雙向水泥攪拌樁單樁承載力最高，當(dāng)考慮釘型攪拌樁樁頂擴(kuò)大頭的作用面積后釘型攪拌樁的單樁承載力最高，對(duì)整個(gè)工程而言可節(jié)約水泥用量。

2）數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明釘型攪拌樁水平位移控制效果較好。原因主要在于釘型攪拌樁的上部樁體直徑較大，有效控制了水平方向的應(yīng)力，從而限制了不同深度土體的水平向變形。從整體位移水平上看，各樁型上部土體水平位移較大，而隨著深度的不斷增大，土體的水平位移趨勢(shì)在不斷減小。

釘型攪拌樁提高地基承載能力是由于變截面位置設(shè)置于較好的地層中，起到了樁端承載的作用，在實(shí)際施工過(guò)程中，變截面設(shè)置的位置應(yīng)充分考慮地層性狀，合理設(shè)置才能達(dá)到最好的效果，既節(jié)省投資，又能夠有效控制工后沉降。