釘型攪拌樁加固鐵路軟土路基分析

朱興運 陶明安

中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300308

釘型攪拌樁是復合地基在加固體結構優化方面發展出的一種土體置換變截面樁基礎［1］，作為一種新型地基處理方式在公路、機場軟土地基和含水率較大的泵站、沖積平原區［2-4］被廣泛使用，但是在鐵路軟土路基中的應用還比較少。

《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》已經明確了2035 年全國鐵路運營里程將達到20 萬公里左右，其中高速鐵路里程7 萬公里左右，鐵路工程建設任務仍然很重。而在軟土地區進行工程建設時必然面臨軟土地基承載力不足、地基沉降量大等問題，需要進行地基處理。

使用水泥攪拌樁對軟土地基進行處理的方法在我國已有三十余年的發展歷史［5］，在長期大量的工程實踐中發現傳統水泥攪拌樁存在均勻性差、樁體強度低、容易冒漿、有效加固深度受限、施工效率低等問題。國內外學者和工程技術人員對其做了大量的研究工作。

卞保寬［3］在蘇北某鐵路項目上提出了一種釘型攪拌樁承載力及工后沉降的計算方法以及在深厚軟土地基中釘型攪拌樁的設計思路。王弛等［6］在處理深厚軟土路基時，討論了采用混凝土芯水泥土攪拌樁的加固效果、荷載分布與傳遞規律。易耀林等［7］在現場試驗的基礎上分析研究了釘型攪拌樁設置擴大頭后對單樁承載力及樁側摩阻力的影響，提出釘型攪拌樁擴大頭設置高度存在最優解。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題，采用了釘型攪拌樁的設計方案，從設計方案、現場試驗和工程監測等方面進行研究，發現使用釘型攪拌樁可以有效控制工后沉降。鄭剛等［9］通過模型試驗和軸對稱有限元、無窮元耦合分析，研究了基礎、樁長和墊層對水泥攪拌樁復合地基荷載傳遞的影響。段繼偉等［10］系統分析了水泥攪拌樁的荷載傳遞規律，并在現場進行了足尺原位試驗，并提出樁體的變形、軸力和側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］研究了東門渡節制閘建基面持力層使用釘型攪拌樁進行地基處理的情況。顧素恩等［12］研究了變截面雙向水泥攪拌樁在機場軟土地基中的應用，并發現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］通過對水泥砂漿樁的無側限抗壓強度進行試驗，分析了摻砂量和養護齡期對水泥砂漿樁強度的影響。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，評價了單樁的加固效果。

綜上，對于釘型攪拌樁的系統性研究仍然較少，可供查閱的資料較少。本文以某鐵路工程為背景，從理論計算、數值模擬、現場試驗三個方面系統性展開釘型攪拌樁對鐵路路基沉降控制的研究，同時增加水泥土攪拌樁、雙向水泥攪拌樁、水泥砂漿樁等傳統樁型的橫向對比分析研究，在實際工程應用上具有較好的參考價值。

1 工程概況

1.1 工程地質情況

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，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見表1。

表1 各土層物理力學參數

1.2 工程設計方案

路堤基床表層填筑0.5m 厚級配碎石和0.1 m 厚的中、粗砂，并于中粗砂中間全斷面鋪設一層復合土工膜（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。

為對比釘型攪拌樁相對于傳統樁型的技術優劣性，本文在該路段內設計4 種樁型，處理深度均為12 m，正方形布置，地基處理設計方案見表2。

表2 各土層物理力學參數

2 理論計算與數值模擬

2.1 理論計算

2.1.1 加固區沉降量計算

加固區沉降采用復合模量法［15］計算，依據各向同性均質線性變形體理論，按式（1）計算。

式中：s為地基最終變形量；s'為按分層總和法計算出的地基變形量；n為劃分的土層數；Ecsi為基底第i層土的復合壓縮模量；p0為路堤基底附加應力；zi為第i層土深度；zi－1為第i-1 層土深度；分別為路堤基底計算點至第i層土、第i-1 層土底面范圍內平均附加應力系數；ψs為沉降計算經驗系數，見表3。其中為變形計算深度范圍內壓縮模量的當量值，計算式為

表3 沉降計算經驗系數ψs

式中：Ai為第i層土附加應力系數沿土層厚度的積分。

復合模量Ecs可通過面積加權平均法確定，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。本文取附加應力與自重應力比為0.2的深度作為計算土體深度。

2.1.2 下臥區附加應力計算

依據Boussinesq［15］理論，在條形荷載作用下，地基中心點下任一點深度z處的附加應力（σz0）計算式為

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

作用在下臥層頂面的荷載計算式為

式中：σz為下臥層頂面的荷載平均應力；B為復合土體上加載寬度；L為復合土體上加載長度；h為加固區深度；θ為應力擴散角。

下臥層荷載分布如圖2 所示。其中pb是加固區深度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力。均勻分布條形荷載作用下土中應力（σu）和三角形分布荷載作用下土中應力（σs）計算式為

式中：αu為矩形面積上條形均布荷載作用下的豎向附加應力系數；n1為條形均布荷載長度與條形均布荷載寬度的比值；m1為計算點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力系數。

取附加應力與自重應力比為0.2確定壓縮層計算厚度，應用以上公式計算得到各個樁型沉降量的理論計算結果見表4。對比4種樁型地基沉降計算結果，發現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，常規水泥攪拌樁效果最差。

表4 各樁型總沉降量

2.2 數值模擬

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

經計算，數值模擬所得不同樁型地基處理后路基沉降規律與理論計算結果一致。不同樁型地基沉降量見圖3。可知：路基中心到兩側的地基沉降量逐漸減小，到坡腳以后，這種遞減趨勢逐漸減弱。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圖4。可知：復合地基最大水平位移一般發生在路堤坡腳附近。從整體水平位移量控制效果看，常規水泥攪拌樁、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 現場試驗

3.1 試驗布置

本試驗在不同樁型試驗段埋設了分層沉降計，用于觀測不同樁型下加固區樁底及地基各地層的沉降量差異。在線路中心埋設沉降板，觀測地基表面的單點沉降量；在實測之前對傳感器進行標定，確保傳感器讀數在合理范圍內。在地基處理完成后路堤填筑前，在觀測斷面左側坡腳處（地基處理范圍外2.0 m）埋設定點式測斜儀，埋設深度至理論計算壓縮層底部以上10 m。地面以下1 m 處以及沿深度每3.0 m 布設一個傳感器，固定于被測體預埋好的測斜管內，控制其斜度不大于l°，觀測路堤填筑過程中及填筑完成后水平變形。同時還選取不同樁型的巖心樣進行了單軸壓縮試驗。

3.2 試驗結果

3.2.1 試驗樁體力學性能

對4 種樁型12 根樁不同深度的樁身芯樣進行無側限抗壓強度平行試驗，試驗結果見圖5。可知：各樁型樁身上部強度明顯高于下部，樁身強度由上至下呈遞減趨勢，樁身強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、常規水泥攪拌樁。

圖5 各樁型單樁芯樣抗壓強度

根據復合地基載荷試驗結果，以常規水泥攪拌樁為基準，按照樁土置換率折算后，對于復合地基承載力特征值，常規水泥攪拌樁為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（κ）反映各種樁型的綜合性能，具體表現為系數越高，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與水泥用量成反比，與單樁極限承載力和加固影響區面積成正比，κ的計算式為

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

各樁型單樁承載力指標以及樁基加固有效性系數的計算結果見表5。

表5 各樁型單樁承載力指標性結果

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，常規水泥攪拌樁綜合性能最差。以常規水泥攪拌樁為基準，按照樁土置換率折算后，對于單樁承載力，常規水泥攪拌樁為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，樁端阻力和側摩阻力均較大，因此單樁承載力最高。

3.2.2 位移變化試驗結果

分層沉降計測得各層沉降情況，見圖6。可知：整個壓縮層范圍內沒有出現過大沉降的土層，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，常規水泥攪拌樁加固效果最差。

監測過程中4 種不同樁型水平位移變化情況見圖7。可知：常規水泥攪拌樁、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，控制了應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，釘型攪拌樁更加節省材料，可節約工程造價。從整體位移水平上可以發現，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在不斷減小。

圖7 不同深度下各樁水平位移情況

4 結論與建議

本文從理論計算、數值模擬、現場試驗三個方面對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劣。主要結論如下：

1）4 種樁型復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，當考慮釘型攪拌樁樁頂擴大頭的作用面積后釘型攪拌樁的單樁承載力最高，對整個工程而言可節約水泥用量。

2）數值分析結果和現場試驗數據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置于較好的地層中，起到了樁端承載的作用，在實際施工過程中，變截面設置的位置應充分考慮地層性狀，合理設置才能達到最好的效果，既節省投資，又能夠有效控制工后沉降。