錢宏春

寧波市市政公用工程安全質(zhì)量監(jiān)督站 浙江 寧波 315012

0 研究的緣起

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，基建規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，在交通和鐵道等土木工程建設(shè)中，不良地基的處理問題也層出不窮，如果不對這些地基進(jìn)行處理，就不能滿足各種建（構(gòu)）筑物的要求，且容易引發(fā)各種工程事故。整個(gè)工程質(zhì)量、進(jìn)度和投資也和地基處理是否恰當(dāng)有著密切關(guān)系[1]。因此，為了保證工程的安全，并降低工程造價(jià)，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(fù)合地基加固土體是目前應(yīng)用最為廣泛的一種地基處理方法。但工程應(yīng)用中仍存在不少缺點(diǎn)[2]：水泥摻入量及地面冒漿達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；樁身強(qiáng)度沿豎向分布不均勻；沿水平面分布上的樁身強(qiáng)度不均勻；樁土共同作用難以協(xié)調(diào)，樁間距較小且造價(jià)相對較高。因而，根據(jù)目前常規(guī)的水泥土攪拌樁樁身質(zhì)量差、有效處理深度淺及樁土相互作用一致性較差等缺點(diǎn)，并結(jié)合雙向攪拌樁及變截面攪拌樁的優(yōu)點(diǎn)，提出了釘形水泥土攪拌樁這一新的地基加固技術(shù)。

跟常規(guī)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(shù)，在實(shí)際工程中已有較成功的應(yīng)用和施工技術(shù)。

對于復(fù)合地基，Alamgir等[3]認(rèn)為柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基的沉降并不滿足等應(yīng)變假設(shè)，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(shè)的位移模式來求解柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基加固區(qū)的沉降。

朱芝華[4]在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬，詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到了樁身標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及樁體分段深度的關(guān)系，同時(shí)深入分析了樁身強(qiáng)度不一致的現(xiàn)象，提出采用加權(quán)平均值作為樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)和檢測的標(biāo)準(zhǔn)更為妥當(dāng)。

YI Y等[6]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M了路堤下的釘形樁軟土復(fù)合地基，并與傳統(tǒng)攪拌樁做了比較分析研究，發(fā)現(xiàn)由于有擴(kuò)大頭，相比于傳統(tǒng)攪拌樁，釘形樁承載了更多的應(yīng)力荷載，導(dǎo)致土壤應(yīng)力較小。這種效應(yīng)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(jié)速度。

易耀林等[7]在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過三維數(shù)值模擬對路堤荷載下釘形攪拌樁和傳統(tǒng)水泥攪拌樁在復(fù)合地基中的工作性狀進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，由于釘形攪拌樁的擴(kuò)大頭作用，釘形攪拌樁的樁體荷載分擔(dān)比高于后者。

肖超[8]用Plaxis軟件模擬了某地區(qū)釘形攪拌樁復(fù)合地基各階段施工工序，通過模擬數(shù)據(jù)分析了各施工階段該復(fù)合地基的沉降變化規(guī)律，從而優(yōu)化了該項(xiàng)目的施工。胡煥校等[9]通過試驗(yàn)及仿真模擬研究了不同上下樁徑比的釘形樁復(fù)合地基的軸力及側(cè)摩阻力。許原騎等[10]結(jié)合大直徑釘形攪拌樁復(fù)合地基的失穩(wěn)事故，從擴(kuò)大頭高度、直徑、樁徑比及樁間距等影響因素，分析復(fù)合地基承載力的影響規(guī)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(fù)合地基的應(yīng)用進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，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(zhì)量評價(jià)、釘形水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力等，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了其變化規(guī)律。因此，本文對寧波地區(qū)深厚軟土地區(qū)釘形水泥土攪拌樁復(fù)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(qū)的推廣設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 工程概況及現(xiàn)場試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

現(xiàn)場試驗(yàn)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(zhì)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(shè)計(jì)承載力和工后沉降要求。場地內(nèi)各土層從上至下依次為：①2黏土、①3淤泥質(zhì)黏土、②1黏土、②2a淤泥、②2b淤泥質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④2黏土、⑤4粉質(zhì)黏土、⑤6礫砂、⑥2粉質(zhì)黏土、⑥4粉砂、⑥5礫砂。

試驗(yàn)段涉及的地表水主要河流為內(nèi)河及水渠，河道較窄，河道現(xiàn)狀寬8～20 m，河水位、流量主要受季節(jié)和大氣降水的控制，勘察期間河水面高程1.00～1.20 m?？紫稘撍饕挥诒聿刻钔梁蜏\部黏土、淤泥質(zhì)土中。

該試驗(yàn)段庫外碎石道床及庫內(nèi)除檢修地溝與整體道床以外的室內(nèi)地面均采用釘形水泥土雙向攪拌樁加固，段內(nèi)釘形樁正三角布置，樁徑1 000/600 mm（即擴(kuò)大頭直徑1 000 mm，下部樁徑600 mm），樁間距1.8 m，擴(kuò)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(zhì)量的18%，水泥漿水灰比為0.55。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 樁靜載荷試驗(yàn)

釘形水泥土攪拌樁設(shè)置后，對齡期為60 d時(shí)的試樁進(jìn)行單樁靜載荷試驗(yàn)和復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。沿樁身布設(shè)若干應(yīng)變計(jì)〔圖1（a）〕，應(yīng)變計(jì)附在PVC管上以測試樁身軸力的傳遞規(guī)律。加載方式為慢速維持荷載法。

圖1 樁靜載荷試驗(yàn)示意

單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)承載板按照1根樁的分擔(dān)處理面積計(jì)算，樁頂布設(shè)100～150 mm的砂墊層，試驗(yàn)方法參照J(rèn)GJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的要求。沿樁身布設(shè)應(yīng)變計(jì)〔圖1（b）〕，測試靜載荷試驗(yàn)過程中樁身荷載傳遞規(guī)律。樁頂和土層埋設(shè)壓力盒，測試樁、土應(yīng)力分擔(dān)比。

1.2.2 樁鉆孔取芯試驗(yàn)

根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》，對達(dá)到齡期后的樁進(jìn)行鉆孔取芯。主要進(jìn)行樁身完整性檢測、樁身強(qiáng)度檢測，確定水泥土攪拌樁樁身水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

鉆孔位置應(yīng)選在每根檢測樁樁徑方向1/4處、樁長范圍內(nèi)垂直鉆孔取芯。鉆機(jī)設(shè)備安裝必須符合要求，鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)確保鉆孔內(nèi)有持續(xù)的內(nèi)循環(huán)水，同時(shí)按照回水顏色及含砂量調(diào)整鉆進(jìn)速度，每回次進(jìn)尺控制在1.5 m內(nèi)。提鉆卸取芯樣時(shí)，不得敲打卸芯。

1.3 試驗(yàn)儀器布置

為了研究釘形水泥土攪拌樁復(fù)合地基的承載特性及其荷載傳遞規(guī)律，釆用埋設(shè)應(yīng)變計(jì)的方法，通過現(xiàn)場的靜載試驗(yàn)測得樁體在加載過程中荷載的傳遞規(guī)律，從而研究釘形樁的承載特性及其荷載傳遞機(jī)理，貼設(shè)應(yīng)變計(jì)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(gè)（圖2）。在進(jìn)行單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行土壓力盒埋設(shè)。土壓力盒在樁頂埋設(shè)1個(gè)，在樁間土對稱埋設(shè)2個(gè)（圖3）。單樁靜載荷試驗(yàn)加載利用反力加載裝置，采用慢速維持荷載法。

圖2 應(yīng)變計(jì)埋設(shè)剖面示意

圖3 土壓力盒平面布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載沉降曲線分析

在單樁的靜載荷試驗(yàn)Q-s曲線（圖4）中可以看出，Q-s曲線有明顯的陡降段，表現(xiàn)出較為明顯的整體剪切破壞。比較單樁的Q-s曲線，從復(fù)合地基靜載試驗(yàn)P-s曲線（圖5）中可以看出，單樁線變化較平穩(wěn)，沒有明顯的陡降段，說明釘形攪拌樁復(fù)合地基是通過樁與樁間土共同承擔(dān)上部荷載，且有相互協(xié)調(diào)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(fù)合地基的破壞則是漸進(jìn)性的。

圖4 單樁靜載試驗(yàn)Q-s曲線

圖5 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)P-s曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，釘形水泥土攪拌樁單樁承載力極限值達(dá)到320 kN；單樁復(fù)合地基承載力達(dá)到156 kPa，復(fù)合地基承載力達(dá)到了設(shè)計(jì)值（150 kPa），說明較大樁間距下攪拌樁復(fù)合地基能夠達(dá)到理想的處理效果。

2.2 鉆孔取芯試驗(yàn)分析

鉆孔取芯結(jié)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(xù)性和膠結(jié)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(qiáng)度低，無法取樣進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證。

圖6 釘形攪拌樁取芯

根據(jù)上述檢測結(jié)果，釘形水泥土雙向攪拌樁的樁身強(qiáng)度自頂至底是不一致的，存在較大離散性。

當(dāng)樁身長度超過6.0 m，即擴(kuò)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(qiáng)度難以保持穩(wěn)定，且呈階梯性逐漸衰減。而當(dāng)樁身長度超過12 m時(shí)，芯樣無法取得。

當(dāng)攪拌樁達(dá)到一定深度時(shí)，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(xiàn)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(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

通過室內(nèi)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到樁身在4.6 m及9.2 m處水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖7、圖8）。

圖7 樁身4.6 m處水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 樁身9.2 m處水泥土 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

綜合分析圖7、圖8試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，現(xiàn)場釘形水泥土攪拌樁的水泥土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本可以分為4個(gè)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(nèi)部存在間隙，使得應(yīng)力很小，幾乎為0 MPa，隨后應(yīng)變逐漸增加；第2階段的水泥土試樣的應(yīng)變隨應(yīng)力增加呈現(xiàn)線性增長；第3階段的應(yīng)變隨應(yīng)力增加呈現(xiàn)非線性增長，直至達(dá)到水泥土試樣的峰值；第4階段為破壞階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線先急劇下降，然后逐漸變緩。

從試驗(yàn)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(zhì)黏土的最小。因此，可以根據(jù)水泥土攪拌樁復(fù)合地基的攪拌土質(zhì)條件來判斷樁身強(qiáng)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(kuò)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(kuò)大頭以下，樁身應(yīng)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(fù)合地基樁身 軸力傳遞曲線

2.5 樁側(cè)摩阻力發(fā)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(jìn)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(cè)摩阻力的分層越明顯。在樁頂至9 m左右深度的區(qū)域里，樁體側(cè)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(kuò)大頭翼緣下的土體支撐作用很強(qiáng)，而在樁體9 m以下，樁體的側(cè)摩阻力很小。

圖11 樁身側(cè)摩阻力深度曲線

3 結(jié)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(fù)合地基的現(xiàn)場試驗(yàn)，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(zhì)量評價(jià)以及釘形水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

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

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，釘形水泥土攪拌樁單樁承載力極限值達(dá)到320 kN；單樁復(fù)合地基承載力達(dá)到156 kPa。

3）鉆孔取芯試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)樁身長度超過6.0 m，即擴(kuò)大頭以下時(shí)，釘形水泥土雙向攪拌樁的樁身強(qiáng)度呈階梯性逐漸衰減。

4）樁身軸力測試結(jié)果表明，樁身軸力隨深度的增加逐步減?。蛔兘孛嬉陨蠘扼w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(jié)構(gòu)更為合理，故與傳統(tǒng)水泥土攪拌樁相比，其加固效果更佳。