釘形水泥土攪拌樁復合地基現場試驗研究

錢宏春

寧波市市政公用工程安全質量監督站 浙江 寧波 315012

0 研究的緣起

隨著我國經濟技術的快速發展，基建規模也在不斷擴大，在交通和鐵道等土木工程建設中，不良地基的處理問題也層出不窮，如果不對這些地基進行處理，就不能滿足各種建（構）筑物的要求，且容易引發各種工程事故。整個工程質量、進度和投資也和地基處理是否恰當有著密切關系[1]。因此，為了保證工程的安全，并降低工程造價，人們越來越重視地基處理問題以及合理地選擇地基處理方法。

水泥土攪拌樁復合地基加固土體是目前應用最為廣泛的一種地基處理方法。但工程應用中仍存在不少缺點[2]：水泥摻入量及地面冒漿達不到設計要求；樁身強度沿豎向分布不均勻；沿水平面分布上的樁身強度不均勻；樁土共同作用難以協調，樁間距較小且造價相對較高。因而，根據目前常規的水泥土攪拌樁樁身質量差、有效處理深度淺及樁土相互作用一致性較差等缺點，并結合雙向攪拌樁及變截面攪拌樁的優點，提出了釘形水泥土攪拌樁這一新的地基加固技術。

跟常規的水泥土攪拌樁加固法相比，釘形水泥土攪拌樁加固軟土地基是一種新的軟土地基加固技術，在實際工程中已有較成功的應用和施工技術。

對于復合地基，Alamgir等[3]認為柔性基礎下復合地基的沉降并不滿足等應變假設，樁土的沉降并不具有一致性，并基于單元體分析模型提出了通過假設的位移模式來求解柔性基礎下復合地基加固區的沉降。

朱芝華[4]在現場試驗的基礎上，通過結合理論分析與數值模擬，詳細分析了釘形水泥土雙向攪拌樁單樁承載力特性。

和禮紅等[5]通過樁身標準貫入試驗和室內無側限抗壓強度試驗，得到了樁身標準貫入擊數與無側限抗壓強度及樁體分段深度的關系，同時深入分析了樁身強度不一致的現象，提出采用加權平均值作為樁身強度設計和檢測的標準更為妥當。

YI Y等[6]通過室內模型試驗模擬了路堤下的釘形樁軟土復合地基，并與傳統攪拌樁做了比較分析研究，發現由于有擴大頭，相比于傳統攪拌樁，釘形樁承載了更多的應力荷載，導致土壤應力較小。這種效應降低了土體的沉降和地基不均勻沉降，并提高了土體的固結速度。

易耀林等[7]在現場試驗的基礎上，通過三維數值模擬對路堤荷載下釘形攪拌樁和傳統水泥攪拌樁在復合地基中的工作性狀進行對比分析，結果表明，由于釘形攪拌樁的擴大頭作用，釘形攪拌樁的樁體荷載分擔比高于后者。

肖超[8]用Plaxis軟件模擬了某地區釘形攪拌樁復合地基各階段施工工序，通過模擬數據分析了各施工階段該復合地基的沉降變化規律，從而優化了該項目的施工。胡煥校等[9]通過試驗及仿真模擬研究了不同上下樁徑比的釘形樁復合地基的軸力及側摩阻力。許原騎等[10]結合大直徑釘形攪拌樁復合地基的失穩事故，從擴大頭高度、直徑、樁徑比及樁間距等影響因素，分析復合地基承載力的影響規律，得出其最大影響因素為樁間距。

本文以寧波市軌道交通3號線某車輛段綜合基地工程為背景，對釘形水泥土攪拌樁在復合地基的應用進行了現場試驗，包括釘形水泥土攪拌樁單樁樁身荷載傳遞性狀、攪拌樁樁身質量評價、釘形水泥土攪拌樁復合地基承載力等，并對測試數據進行了分析，研究了其變化規律。因此，本文對寧波地區深厚軟土地區釘形水泥土攪拌樁復合地基承載力特性的研究成果，可為釘形水泥土攪拌樁在這一地區的推廣設計和應用提供參考。

1 工程概況及現場試驗方案

1.1 工程概況

現場試驗段位于浙江省寧波市軌道交通3號線某車輛段綜合基地，其軟土層主要為淤泥質軟土。顯然，天然地基只有通過路基加固后才能滿足軌道交通的設計承載力和工后沉降要求。場地內各土層從上至下依次為：①2黏土、①3淤泥質黏土、②1黏土、②2a淤泥、②2b淤泥質黏土、③2粉質黏土、④1淤泥質粉質黏土、④2黏土、⑤4粉質黏土、⑤6礫砂、⑥2粉質黏土、⑥4粉砂、⑥5礫砂。

試驗段涉及的地表水主要河流為內河及水渠，河道較窄，河道現狀寬8～20 m，河水位、流量主要受季節和大氣降水的控制，勘察期間河水面高程1.00～1.20 m。孔隙潛水主要位于表部填土和淺部黏土、淤泥質土中。

該試驗段庫外碎石道床及庫內除檢修地溝與整體道床以外的室內地面均采用釘形水泥土雙向攪拌樁加固，段內釘形樁正三角布置，樁徑1 000/600 mm（即擴大頭直徑1 000 mm，下部樁徑600 mm），樁間距1.8 m，擴大頭高度6 m，樁長18 m。水泥采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量不小于被加固濕土質量的18%，水泥漿水灰比為0.55。

1.2 試驗內容

1.2.1 樁靜載荷試驗

釘形水泥土攪拌樁設置后，對齡期為60 d時的試樁進行單樁靜載荷試驗和復合地基靜載荷試驗。沿樁身布設若干應變計〔圖1（a）〕，應變計附在PVC管上以測試樁身軸力的傳遞規律。加載方式為慢速維持荷載法。

圖1 樁靜載荷試驗示意

單樁復合地基靜載荷試驗承載板按照1根樁的分擔處理面積計算，樁頂布設100～150 mm的砂墊層，試驗方法參照JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》的要求。沿樁身布設應變計〔圖1（b）〕，測試靜載荷試驗過程中樁身荷載傳遞規律。樁頂和土層埋設壓力盒，測試樁、土應力分擔比。

1.2.2 樁鉆孔取芯試驗

根據JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》，對達到齡期后的樁進行鉆孔取芯。主要進行樁身完整性檢測、樁身強度檢測，確定水泥土攪拌樁樁身水泥土無側限抗壓強度是否達到設計強度。

鉆孔位置應選在每根檢測樁樁徑方向1/4處、樁長范圍內垂直鉆孔取芯。鉆機設備安裝必須符合要求，鉆進時，應確保鉆孔內有持續的內循環水，同時按照回水顏色及含砂量調整鉆進速度，每回次進尺控制在1.5 m內。提鉆卸取芯樣時，不得敲打卸芯。

1.3 試驗儀器布置

為了研究釘形水泥土攪拌樁復合地基的承載特性及其荷載傳遞規律，釆用埋設應變計的方法，通過現場的靜載試驗測得樁體在加載過程中荷載的傳遞規律，從而研究釘形樁的承載特性及其荷載傳遞機理，貼設應變計的位置為表層土以下1.1、3.0、5.9、10.2、14.4、17.9 m，共6個（圖2）。在進行單樁復合地基靜載荷試驗時進行土壓力盒埋設。土壓力盒在樁頂埋設1個，在樁間土對稱埋設2個（圖3）。單樁靜載荷試驗加載利用反力加載裝置，采用慢速維持荷載法。

圖2 應變計埋設剖面示意

圖3 土壓力盒平面布置

2 試驗結果分析

2.1 荷載沉降曲線分析

在單樁的靜載荷試驗Q-s曲線（圖4）中可以看出，Q-s曲線有明顯的陡降段，表現出較為明顯的整體剪切破壞。比較單樁的Q-s曲線，從復合地基靜載試驗P-s曲線（圖5）中可以看出，單樁線變化較平穩，沒有明顯的陡降段，說明釘形攪拌樁復合地基是通過樁與樁間土共同承擔上部荷載，且有相互協調過程。通過比較可以得出，單樁的破壞具有突然性，而攪拌樁復合地基的破壞則是漸進性的。

圖4 單樁靜載試驗Q-s曲線

圖5 單樁復合地基靜載試驗P-s曲線

試驗結果表明，釘形水泥土攪拌樁單樁承載力極限值達到320 kN；單樁復合地基承載力達到156 kPa，復合地基承載力達到了設計值（150 kPa），說明較大樁間距下攪拌樁復合地基能夠達到理想的處理效果。

2.2 鉆孔取芯試驗分析

鉆孔取芯結果（圖6）顯示，受檢樁攪拌局部欠均勻，芯樣中上部基本完整，呈長-短柱狀及碎塊狀，連續性和膠結性從稍差至較好，樁身完整性一般，樁長不滿足要求。樁頂以下12.0～18.0 m芯樣強度低，無法取樣進行強度驗證。

圖6 釘形攪拌樁取芯

根據上述檢測結果，釘形水泥土雙向攪拌樁的樁身強度自頂至底是不一致的，存在較大離散性。

當樁身長度超過6.0 m，即擴大頭以下，隨著樁體深度的變化，釘形水泥土雙向攪拌樁的樁身強度難以保持穩定，且呈階梯性逐漸衰減。而當樁身長度超過12 m時，芯樣無法取得。

當攪拌樁達到一定深度時，由于土壓力以及孔隙水壓力的明顯升高，不能忽略兩者對出漿壓力的平衡和削弱，這一現象將造成攪拌樁體噴漿的充分度和攪拌的均勻度不夠，并且隨著深度的增加愈加明顯。

2.3 樁身芯樣無側限抗壓強度分析

通過室內的無側限抗壓強度試驗得到樁身在4.6 m及9.2 m處水泥土應力-應變曲線（圖7、圖8）。

圖7 樁身4.6 m處水泥土應力-應變曲線

圖8 樁身9.2 m處水泥土 應力-應變曲線

綜合分析圖7、圖8試樣的應力-應變曲線可知，現場釘形水泥土攪拌樁的水泥土試樣的應力-應變曲線基本可以分為4個階段。第1階段為初始加載階段，在加載過程中水泥土處于壓密階段，但由于水泥土內部存在間隙，使得應力很小，幾乎為0 MPa，隨后應變逐漸增加；第2階段的水泥土試樣的應變隨應力增加呈現線性增長；第3階段的應變隨應力增加呈現非線性增長，直至達到水泥土試樣的峰值；第4階段為破壞階段，應力-應變曲線先急劇下降，然后逐漸變緩。

從試驗試樣的峰值及變形模量來說，4.6 m處黏土的最大，而9.2 m處淤泥質黏土的最小。因此，可以根據水泥土攪拌樁復合地基的攪拌土質條件來判斷樁身強度。

2.4 樁身軸力傳遞性狀分析

由隨深度變化下的樁身各量測斷面樁身軸力情況（圖9、圖10）可知，樁身軸力隨深度的增加逐漸減小，樁體變截面以上的軸力衰減較下部更快；同一深度的樁身軸力隨著荷載增加而增大，擴大頭以上的樁身軸力增加較多，而下部樁體的增加較小。在擴大頭以下，樁身應力隨深度增加逐漸減小。

圖9 單樁樁身軸力傳遞曲線

圖10 單樁復合地基樁身 軸力傳遞曲線

2.5 樁側摩阻力發揮性狀分析

對樁身各量測斷面樁身軸力隨深度變化情況（圖11）進行分析可知，樁土相對位移隨著荷載增大而逐漸增大。荷載越大，樁身側摩阻力的分層越明顯。在樁頂至9 m左右深度的區域里，樁體側摩阻力變化劇烈，阻力最大處為變截面處偏上的地方，而在變截面處則急劇減小。這說明釘形水泥土攪拌樁擴大頭翼緣下的土體支撐作用很強，而在樁體9 m以下，樁體的側摩阻力很小。

圖11 樁身側摩阻力深度曲線

3 結論

本文依托寧波市軌道交通3號線某車輛段綜合基地工程，通過釘形水泥土攪拌樁在復合地基的現場試驗，對釘形水泥土攪拌樁單樁樁身荷載傳遞性狀、攪拌樁樁身質量評價以及釘形水泥土攪拌樁復合地基承載力進行研究，結論如下：

1）釘形水泥土雙向攪拌樁樁身軸力主要集中于擴大頭處，擴大頭是單樁承載力的主要來源。由于擴大頭的作用，樁身軸力在變截面處有較大衰減，反映了擴大頭翼緣下部土體的支撐作用[11]。

2）試驗結果表明，釘形水泥土攪拌樁單樁承載力極限值達到320 kN；單樁復合地基承載力達到156 kPa。

3）鉆孔取芯試驗結果表明，當樁身長度超過6.0 m，即擴大頭以下時，釘形水泥土雙向攪拌樁的樁身強度呈階梯性逐漸衰減。

4）樁身軸力測試結果表明，樁身軸力隨深度的增加逐步減小；變截面以上樁體的軸力較下部樁身，衰減更快。

5）由于釘形水泥土攪拌樁的樁身結構更為合理，故與傳統水泥土攪拌樁相比，其加固效果更佳。