市政道路設計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

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司 武漢 430071）

隨著我國長江中下游平原區域經濟的不斷發展，區域內城市范圍也隨之不斷擴張。城市周邊上個世紀圍湖造田形成的區域也逐漸被劃入到新城建設范圍當中，而這些圍湖造田區域，軟土分布極為廣泛，且厚度不均；工程性質差，對于新城建設中市政道路項目的基礎處理帶來麻煩。如處理不當，短期內道路各種病害將集中爆發，導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，同時也成為各級政府部門在城市建設中最為關注的重點。

1 項目概況

1.1 總體情況

武漢市漢陽四新區是武漢市發展的重點區域，武漢市漢陽四新區楊泗港快速通道是對接擬建的楊泗港長江大橋、打通漢陽四新區地區腹地的重要項目，全長約8 k m，其主線為全程高架橋，地面設置輔道，建設陶家嶺、四新、攔江路3座大型互通式立交橋。主線為城市快速路，設計車速60～80 k m／h，輔道為城市次干路，設計車速40 k m／h。主線雙向6車道，輔道雙向4～6車道，高架橋寬26 m［1］。

1.2 不良地質情況說明

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

2 軟土處理設計比較

軟土處理方法比較多，目前常用的方法有2大類：①排水固結法（如鋪砂墊層或土工織物預壓、袋裝砂井預壓、插板預壓、真空預壓、超載預壓等）；②復合地基法（如擠密碎石樁、擠密石灰樁、二灰樁、水泥（或粉體）攪拌樁、CFG樁、預應力管樁等）。選擇時應根據當地的地質、水文、材料及環境等條件進行經濟及技術比較，當單一的處理方法無法滿足穩定與沉降的要求時，可考慮多種方法組合使用。結合武漢地區軟土地基處理的經驗及習慣做法，水泥攪拌樁是武漢地區處理深層軟土（厚度不大于15 m）最經濟合理的方法。設計結合楊泗港快速通道項目，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，并分別計算2種攪拌樁方案的復合地基沉降量，從軟土處理的最終效果上分析孰優孰劣。

設計選取楊泗港快速通道四新立交范圍內的地面層K3＋360處作為典型橫斷面進行設計研究，道路頂寬50 m、高3 m。根據勘查資料，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。其主要物理力學性質指標見表1。

表1 地基土層主要物理力學性質指標表

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，豎直方向允許發生變形；下邊界任意方向的變形為0。見圖1。

圖1 plaxis變形網格（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，擴大頭樁徑1.0 m，擴大頭長度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，豎直方向允許發生變形；下邊界任意方向的變形為0。見圖2。

圖2 plaxis變形網格（釘型雙向水泥攪拌樁）

2.3 2種水泥攪拌樁技術經濟綜合比較

由于釘型雙向水泥攪拌樁的樁徑“上大下小”的特點，和普通水泥攪拌樁上下統一的樁徑無法直接比較，設計選取了工程建設中更為注重的直接施工費用做為比較平臺，綜合分析可以得出，在直接施工費用相同或相當的情況下，單位面積內釘型水泥攪拌樁相較普通水泥攪拌樁，在控制復合地基沉降量方面存在一定優勢，并隨著軟土處理深度的加大，這一優勢將進一步擴大。見表2。

表2 技術經濟綜合分析比較表

3 釘型雙向水泥攪拌樁的優點

普通水泥攪拌樁適用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。其優點是費用較低，使用廣泛，施工技術成熟，成樁時間短，能大幅提高軟土地基承載力及路堤穩定性，控制工后沉降。但同時存在一些缺點，如水泥漿垂直分布不均勻（上濃下稀）；受到機械設備影響，漿體攪拌不均勻；樁間距較小破壞土體天然結構，不能充分發揮硬殼層的強度［2］；處理深度大于12 m時效果不理想等等。

釘形雙向水泥攪拌樁是一種對普通水泥攪拌樁進行工藝改良的樁型，釘形水泥攪拌樁成樁過程中，由動力系統分別帶動安裝在同心鉆桿上的內、外2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。其優點主要有：

（1）利用常規設備加工改進，易于推廣。釘型雙向水泥攪拌樁施工機械只需對常規設備進行改進，原施工人員進行短期指導學習即可完成施工。

（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特鉆頭構造，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象的產生［3］。

（3）釘型雙向水泥攪拌樁擴大頭部分采用“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”的設計，與復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）由于擴大頭作用相當于提高了土層的置換率，因此可相應增大樁間距，減少樁數量。同時由于擴大頭具有類似“釘帽”的作用，擴大了受力面積，攪拌樁頂部所需的墊層厚度可以相應減少。

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

（7）處理深度更大。根據已建成項目獲得的相關數據，采用釘型雙向水泥攪拌樁處理軟土深度可達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，由于規范對于橋頭區域沉降要求高于一般路段，因此布樁時應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，通過大量工程實例證明，對于沉降要求較高的區域，采用漸變放大樁間距，比統一間距經濟性更好。

4.2 水泥攪拌樁的施工質量問題

水泥攪拌樁在我國投入生產后，以其低廉的價格、較快的施工速度、靈活的布樁形式，在大量項目處理軟土中得到了廣泛應用，節省了巨額的投資。但是水泥攪拌樁的成敗關鍵是水泥和土攪拌的均勻程度，稍有不慎，就會出現水泥富集塊或樁身不連續的質量問題，從而導致工程事故并造成嚴重后果，使其不斷受到業主和建設主管部門的質疑。因此必須加強現場質量管理，采取樁身漿液流量自動監測儀、嚴格控制水灰比，施工時采取旁站監督等措施，嚴格控制施工質量。

5 結語

通過武漢市楊泗港快速通道軟土處理的實際設計案例，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量的同時也降低了工程費用，可為需要進行軟土處理的市政道路項目提供參考。

［1］ 陳東波.武漢市楊泗港快速通道四新段工程總體設計［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，2009（7）：2064-2067.