等徑攪拌樁和釘形變徑攪拌樁復合地基加固鐵路軟基試驗研究

閻家祥

摘要：針對等徑攪拌樁和釘形變徑攪拌樁的不同特點，對釘形樁加固鐵路深厚軟土地基進行了試驗研究，并進行了技術和經濟比較。通過鐵路深厚軟基加固現場試驗，分別進行了樁基施工擾動及承載力分析；進行了路基填筑過程中的剖面沉降、分層沉降、深層水平位移和孔隙水壓力監測。從加固效果、荷載傳遞、工作性狀等方面，對等徑和釘形變徑攪拌樁復合地基加固鐵路軟基進行了對比試驗研究，論證了釘形變徑攪拌樁加固鐵路軟基的優越性和經濟性。結果表明，釘形攪拌樁在鐵路軟基處理工程中具有很好的應用前景，豐富了軟土路基地基處理技術與工程實踐。

關鍵詞：攪拌樁；釘形變徑攪拌樁；復合地基；鐵路軟基；現場試驗

Key words：deep mixing pile；T-shaped variable diameter mixingpile；composite foundation；railway soft ground；Experimental study

水泥土攪拌樁具有施工簡便、振動小、工期短、造價低等優點，在軟土地基處理工程中得到了廣泛應用。但在實際應用過程中，由于人、機、料、法、環等各方面的原因，容易產生成樁均勻性差、冒漿、沉樁、加固深度不足等工程質量問題，造成對水泥土攪拌樁成樁質量及其對軟土地基的處理效果產生懷疑，許多鐵路工程對水泥土攪拌樁施工技術持慎用、限用的態度。針對目前傳統的水泥攪拌樁施工中易出現的樁體完整性、均勻性和強度問題，東南大學巖土工程研究所開發了雙向等徑和變徑水泥土攪拌樁施工工藝和施工機械，這種新型攪拌樁處理深度深、樁體強度均勻、施工質量可靠，采用大直徑（≥90cm]變徑樁的型式后可以降低工程造價。

某新建鐵路路基為典型海相軟土地基，現場地質條件適宜采用攪拌樁復合地基加固。為探究攪拌樁加固參數、加固機理及驗證加固效果，試驗工點設置了常規單向攪拌樁、雙向等徑和變徑攪拌樁復合地基加固區進行樁基施工和路基填筑過程中的對比試驗。本文通過現場試驗、室內試驗和理論分析，從加固效果、荷載傳遞、工作性狀等方面，對雙向等徑和釘形變徑攪拌樁復合地基加固鐵路軟基進行了對比試驗研究。

1.等徑和變徑雙向攪拌樁簡介

雙向攪拌樁是針對傳統單向攪拌樁的不足，提出的從工藝到設備一整套革新性的工法。雙向攪拌樁在充分考慮樁土協調的情況下，又可分為等徑和變徑兩種形式。雙向攪拌樁是指在成樁過程中，采用同心雙軸鉆桿，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、反方向雙向旋轉攪拌水泥土形成的水泥土攪拌樁。攪拌頭采用固定長度葉片時成等徑樁；采用可變長度折疊葉片（反向旋轉控制伸縮）時可成變徑樁，根據變徑位置可以成擴底樁、中字形樁和釘形樁。通過采用釘形樁加固可以充分利用表層硬殼層的承載能力，協調樁土變形，提高復合地基的承載力。

2.試驗工點概況

2.1工點地層條件

試驗工點位于濱海平原區，地勢寬廣平坦，線路在本段以填方通過。地基屬第四系全新統沖海積層，表層為黏土，層厚1.0～2.3m；其下為淤泥，深黑色，流塑，厚9.8～12.0m；下臥層為粉土、粘土、粉砂及粉質粘土等地層。軟土位于埋深約2～12m的范圍內，天然密度16.2kN/m3，天然含水量64.5%，天然孔隙比1.80。軟土層具有深厚、含水量高、孔隙率高、壓縮性大、強度低等特點，屬典型的海相軟土。

2.2試驗方案及儀器布設

為對比試驗研究干法和濕法攪拌樁，常規攪拌樁和雙向攪拌樁（等徑及釘形），試驗工點設置了3個試驗分區。1區為常規等徑攪拌樁加固區，樁長14m、間距1.2m、樁徑0.5m、梅花形布置；2區為雙向釘形攪拌樁加固區，樁長14m、間距1.6m、樁徑0.9m+0.5m、梅花形布置；3區為雙向等徑攪拌樁加固區，樁長14m、間距1.2m、樁徑0.5m、梅花形布置。針對各階段的施工特點及監測重點，布置相應的儀器設備。基樁施工階段主要監測攪拌樁的施工對樁周土的擾動，在加固區及下臥層中不同深度布置了孔隙水壓力計用以監測施工前后及施工過程中的孔隙水壓力變化；路基填筑一靜置階段主要監測復合地基樁土相互作用、荷載分擔傳遞、加固區及下臥層變形固結，在孔壓計的基礎上又布置了壓力盒、應變計、磁環沉降管、剖面沉降管和測斜管用以反饋填土的荷載和沉降變形情況。

2.3施工工藝對比

雙向等徑攪拌樁的主要工藝流程為“兩攪一噴”（圖1），即在下鉆時將設計用量的水泥一次性均勻噴完，同時，在下鉆噴粉（漿）的過程中進行正、反兩個方向的攪拌，在提升過程中再進行正、反兩個方向的攪拌。而常規單向攪拌樁工藝是“四攪兩噴”施工效率較低。

雙向釘形變徑攪拌樁是在雙向等徑攪樁的基礎上，通過帶有可變長度折疊葉片的鉆頭實現釘形樁頂部擴大頭復噴復攪，如圖2所示，其施工工藝為“四攪三噴”。

3.樁基施工擾動

為分析常規攪拌樁和雙向攪拌樁（等徑和釘形）施工過程中對樁周土的擾動情況，現場在典型斷面布設了各深度孔壓計及測斜管（坡角位置），并對監測儀器預估受影響范圍內的樁基施工進行由遠及近監測，以監測樁基施工的擾動程度和范圍。

3.1孔隙水壓力變化

為分析基樁施工前后及施工過程中的樁周土孔壓擾動情況，對1區、2區和3區進行對比試驗研究。由孔壓監測結果可知，施工時釘形變徑攪拌樁超靜孔壓變化幅值最大，常規等徑攪拌樁次之，雙向等徑攪拌樁最小，但是各樁型孔隙水壓力消散速率無明細差異。由孔壓變化和擾動范圍監測分析可知，常規等徑攪拌樁的施工影響范較雙向等徑攪拌樁的影響略大，雙向等徑攪拌樁在施工過程中，對周邊土體施加方向相反的兩個力矩，二者相互抵消，可以減少對樁周土的影響；釘形變徑攪拌樁的施工影響明顯大于等徑攪拌樁，這主要是由于釘形樁上部樁徑大于等徑攪拌樁的緣故。

3.2深層水平位移變化

通過坡腳外1m處設置的測斜管，可以監測基樁施工前后，地層的深層水平位移變化情況。監測結果顯示，雙向攪拌樁最大水平位移發生在軟土層中部范圍內，大小在13mm左右，隨著孔壓消散，位移回彈后最大水平位移穩定在8mm左右。常規單向攪拌樁由于采用“四噴兩攪”的施工工藝，施工擾動較大導致深層水平位移最大值較雙向攪拌樁略大。

由于攪拌樁工藝為就地攪拌成樁，自身擠土效應不明顯。擠土程度主要由地層情況、噴射壓力、樁機施工參數及施工順序等因素影響。攪拌樁樁周土由于受施工擾動，施工后的樁周0.5m范圍內的土體強度比樁基施工前有所降低，隨著齡期的增加，土體強度逐漸恢復。

4.成樁質量分析

4.1取芯及無側限抗壓強度

成樁28d后對各樁形攪拌樁在1/4樁徑處全樁長范圍內鉆孔取芯，觀察其完整性、均勻性。取不同深度的3個試樣進行無側限抗壓強度試驗。由檢測結果可知，雙向等徑攪拌樁的28d無側限抗壓強度最大，且樣品的標準差最小、質量最穩定，釘形變徑攪拌樁次之，常規等徑攪拌樁最小。為監測樁身強度的增長情況，60d后對三種樁型再次進行全樁長取芯，并進行無側限抗壓強度試驗。試驗結果表明隨著水泥土強度增長雙攪樁強度好于常規單攪樁；釘形變徑樁由于直徑較大樁頭采用“四攪三噴”，頂段擴大頭位置強度增長較快。

4.2荷載試驗

試驗工點攪拌樁成樁28d后，選取4根常規等徑樁、3根雙向等徑樁和4根釘形變徑樁，采用慢速維持荷載法進行單樁靜載試驗。由荷載試驗可知：在設計承載力的范圍內（97kN），釘形變徑攪拌樁的沉降明顯小于等徑攪拌樁，前者在97kN下的沉降在5mm左右，后者則在10mm左右；釘形變徑攪拌樁的Q-S曲線上有明顯的由緩變陡的過程，而等徑攪拌樁的Q-S曲線則相對地近似于一條直線；雙向等徑攪拌樁的Q-S曲線與常規等徑攪拌樁相類似；在承載力范圍內，雙向等徑攪拌樁的沉降略小于常規等徑攪拌樁，但大于釘形變徑樁。

5.路堤荷載下加固效果分析

為對比雙向等徑和釘形變徑攪拌樁，在路基填筑過程中的沉降、水平位移及孔隙水壓力的演化情況，通過預先埋設剖面管、磁環沉降管、測斜管和孔壓計等儀器設備采集相關數據，進行路堤荷載下的路基穩定性分析。

5.1剖面沉降

為對比分析等徑和釘形變徑攪拌樁在路基填筑過程中的剖面沉降情況，在釘形變徑樁加固區和等徑樁加固區進行樁頭和樁間土剖面沉降監測（圖3）。

由監測結果可以看出：監測斷面剖面沉降曲線均呈現出“凹”型，即兩端沉降小，中間沉降大，且隨著時間增加，沉降越來越大；釘形變徑樁300d的樁頂最大沉降量為9cm，樁間土最大沉降量接近10cm，樁間土沉降大于樁頂沉降；等徑樁348d的樁頂最大沉降量為8.5cm，樁間土最大沉降量接近9.5cm，樁間土沉降大于樁頂沉降；相同攪拌體積情況下釘形變徑樁采用1.6m的樁間距，可以達到1.2m樁間距等徑樁的沉降控制效果，且樁基數量減少43.75%，施工效率可以提高27.68%（表1）。

5.2磁環分層沉降

通過路基填筑前在路基中部引孔埋設磁環沉降管，實現在路基填筑過程中監測加固區及下臥層的壓縮變形演變情況。由分層監測結果可知：0～4m頂段加固區釘形樁和等徑樁兩者沉降量基本相同；4m以下加固區和下臥層壓縮沉降，釘形變徑樁區域明顯小于等徑樁區域，說明釘形樁能夠更好地協調樁土變形，減少路基沉降。

5.3土體深層水平位移

通過坡腳測斜管，監測路堤填筑過程中地層的深層水平位移變化情況。監測結果顯示：等徑和釘形變徑攪拌樁下臥層水平位移較小，加固區水平位移稍大，但都小于15mm；釘形樁加固區最大水平位移為10mm左右，雙向等徑樁加固區最大水平位移為12mm左右；釘形樁加固區水平豎向位移比為0.1，雙向等徑樁加固區水平豎向位移比為0.13，前者穩定性優于后者。由對比監測可以看出：在相近高度的路堤荷載作用下，釘形變徑樁加固區的水平位移要小于雙向等徑樁加固區；合理的變徑樁頭設計優化了樁土協調變形，減小了樁間土的水平附加應力，所以采用釘形變徑攪拌樁復合地基加固的路基穩定性較高。

5.4超靜孔隙水壓力

由孔隙水壓力的檢測結果，結合地下水位的情況，計算超靜孔隙水壓力。路堤分層填筑時，樁土協調變形，樁土應力重新分配，在填土較低時土拱未形成或不穩定，造成樁間土附加應力增加，通過監測加固區超靜孔壓的增加反映出變化情況。待靜置一段時間后，由填土荷載引起的超靜孔壓逐漸消散轉換為土體的有效附加應力，土體沉降固結。當深度達到13m以上時，由于填土高度較低，土中的超靜孔壓基本不變。

6.經濟對比分析

由試驗工點各型攪拌樁經濟及施工效率分析對比情況（表1）得出：在相同經濟指標條件下釘形變徑攪拌樁施工效率最高；在相同功耗條件下，釘形變徑攪拌樁經濟指標最高；可見釘形樁可以提高地基處理效率，降低工程造價。

7.結論

通過某新建鐵路試驗工點，對常規單向等徑、雙向等徑及雙向釘形變徑攪拌樁復合地基加固鐵路軟土路基進行了現場監測及分析研究。總結后得到以下結論：

（1）樁基施工階段，通過對試驗區段超靜孔隙水壓力和深層水平位移的變化監測表明，常規等徑攪拌樁的施工影響范圍較雙向等徑攪拌樁的影響略大。由于釘形樁上部擴大變徑，雙向釘形變徑攪拌樁的施工影響明顯大于雙向等徑攪拌樁。攪拌樁樁周土由于受施工擾動，施工后的樁周附近土體強度比樁基施工前有所降低，隨著齡期的增加，土體強度逐漸恢復。

（2）雙向攪拌樁的“兩攪一噴”工藝優于常規單向攪拌樁的“四攪兩噴”，能保證樁身強度均勻性；雙向釘形攪拌樁在雙向攪拌樁的工藝基礎上，上部變徑段增加了復噴復攪工序，整個施工工藝為“四攪三噴”。通過取芯無側限試驗及荷載試驗表明，樁身強度和承載力雙向釘形變徑攪拌樁最大，雙向等徑攪拌樁次之，常規等徑攪拌樁最小。

（3）路基填筑過程中，對比分析雙向等徑和釘形變徑攪拌樁加固區沉降、水平位移及孔隙水壓力的演化情況，結果表明路堤荷載下采用釘形變徑攪拌樁復合地基加固的路基穩定性較雙向等徑攪拌樁高，更優于常規單向攪拌樁，有利于加快路基填筑施工速度。

（4）雙向釘形變徑攪拌樁優化了雙向等徑攪拌樁的承載特性，克服了常規單向攪拌樁的不足，可以大大節省工程造價，提高軟基加固效果。其具有很好的適用性和經濟性，豐富了海相深厚軟土路基地基處理技術與工程實踐。