基于AHP法的钉型搅拌桩处理软基应用

杨建国

(山西省交通科学研究院　太原　030006)

基于AHP法的钉型搅拌桩处理软基应用

杨建国

(山西省交通科学研究院太原030006)

摘要为解决我国道路软基工后沉降过大的状况，同时避免主观因素造成软基处理方法不当，进而处理效果不佳的问题，结合工程实例，利用层次分析法模型确定采用钉型搅拌桩法进行软基处理，并从方案设计和效果分析等方面进行研究。结果表明，钉型搅拌桩处理后的代表桩A、B成桩质量较好，且累计沉降量分别为3.57 mm和3.98 mm，沉降量显著降低，符合规范设计要求。

关键词钉型搅拌桩软土地基层次分析法

我国软土分布广泛，在道路建设时经常遇到软基处理[1]的问题，如何针对特定的道路修筑要求而采用更加环保、经济、安全的软基处理方式成为亟待解决的问题。道路软基处理的方法[2]选择面很广，通常可以按照处理软土的深度来划分浅层、中层和深层软基处理方法，其对应的处理深度范围分别为0~3，3~15 m，以及15 m以上。在实际采用软基处理方法时，通常是根据经验来决定,这就带来了很大的盲目和主观性，最终造成建设成本的增加或者处置效果差的后果。为减少这种问题的出现,笔者结合工程实例,采用层次分析法对处理方案进行最优选取,以期能够在软基处理方案上为相关工程问题提供合理的方法。

1软基处理方案确定

1.1　工程实例

现有一条设计速度为80 km/h的高速公路，全长8.5 km，经过前期地质勘查后，发现桩号为K6+230~K7+880段地基存在大量软土层，通过钻孔取样得到下层软土主要的物理力学性质，具体见表1。

表1　软土主要物理力学性质表

由表1可见，该段软土分布厚度较厚，高达16.7 m，处置难度较大。由于该建设路段属于连通两地市的重要路段，对该公路工后沉降要求高，因此，面对软基处理众多方法，选择何种方法做为该路段处理软基的最优方法对该工程有着至关重要的作用。

1.2　方案初选

该工程需要进行软基处理的深度为16.7 m，处理深度较深，应选择处理深度较大的方案；再考虑到该工程项目对工后沉降的要求很高，通过相关资料[2]了解到，满足这2个条件的常用软基处理方法大概有4种，分别为真空联合堆载预压法(C1)、CFG桩法(C2)、水泥搅拌桩法(C3)和钉型搅拌桩法(C4)，现拟将这4种方法作为备选方案。

1.3　层次分析模型构建

结合该工程实例，在构建层次分析模型时主要从3个方面的因素进行考虑,即造价、技术和环境。结合现场技术人员的相关意见，特构造5个要素层元素,分别为技术难度(B1)、施工工期(B2)、加固效果(B3)、施工灵活度(B4)及环境影响(B5)，图1为具体的层次结构模型。其中：C1方案是真空联合堆载预压法；C2方案是CFG桩法；C3方案是水泥搅拌桩法；C4方案是钉型搅拌桩法。

图1　道路软基处理方案优选层次分析模型

1.4　构造判断矩阵

通过专家调查和经验可得，A层与B层相对重要性A-B矩阵，如式(2)。

(2)

同理将C层各方按两两比较可得到关于B层因素B1，B2，B3，B4和B5的相对重要性矩阵，具体如下。

1.5　矩阵结果汇总

为了方便运算使问题简单化,采用yaahp层次分析软件对构造的数据进行处理和分析,可分别得到A-B和B-C相关的矩阵权重信息，分别见表2~表7。

表2　A-B层次判断矩阵计算结果

注：λmax=5.028 1，CR=0.006 3，满足检验。

表3　B1-C层次判断矩阵计算结果

注：λmax=4.040 9，CR=0.015 3，满足检验。

表4　B2-C层次判断矩阵计算结果

注：λmax=4.014 5，CR=0.005 4，满足检验。

表5　B3-C层次判断矩阵计算结果

注：λmax=4.060 5，CR=0.022 7，满足检验。

表6　B4-C层次判断矩阵计算结果

注：λmax=4.059 7，CR=0.022 3，满足检验。

表7　B5-C层次判断矩阵计算结果

注：λmax=4.064 7，CR=0.024 2，满足检验。

1.6　确定最优方案

汇总表2及表7结果，可得方案C的层次总排序计算结果，见表8。

表8　方案C的层次总排序计算结果

注：CR=0.075，满足检验

由表8可知，方案C1，C2，C3和C4的总排序权重分别为0.206 7，0.242 8，0.235 5，0.315 0，其中方案C4的权值最高，故决定采用的最优的软基处理方案为C4(钉型搅拌桩法)。

2软基处理方案设计

钉型搅拌桩[3]的桩体是变截面形式，能够提高下部的强度控制能力和竖向承载能力。在方案设计时，主要从施工方案设计、单桩载荷试验设计以及沉降检测方案设计等方面进行考虑。

2.1　施工方案设计

施工采用严格的施工工艺流程：桩机就位→喷浆搅拌下沉→变径喷浆搅拌下沉→搅拌提升→变径喷浆搅拌提升→重复喷桩搅拌→搅拌提升→桩机移位，该流程可以适应桩体上部的扩大头，从而产生最佳的处置效果。同时为了提高桩体竖向极限承载力，决定采用42.5级水泥类型，其具体施工技术参数见表9。

表9　钉型搅拌桩主要施工技术参数

2.2　单桩载荷试验方案设计

单桩载荷试验的关键是利用应变片来测定单桩的轴力变化情况和变截面的荷载分布情况，可用于后期的桩身质量检测[4]。应变片布置在变截面上，间隔0.5 m即设置1个测点。具体安装应变片时，先在竖向中心轴线钻直径为130 mm的孔，在直径为90 mm的PVC管上粘贴应变片，之后将管下到设计深度后用填充料将管周围填充即可。

2.3　沉降监测方案设计

在监测沉降中采用的仪器为沉降仪[5]，以及磁感应环，其主要通过沉降仪与环之间的感应来确定深度，通常将磁感应环安装至预计测量土层的设计深度，同时将专用的PVC管下放至预定的位置，这一套沉降测量系统可以根据感应环的高程变化而确定每一土层上部的沉降量，即可有效确定地基分层的沉降量，同时也可确定各土层之间的相对压缩量并计算工后沉降。

3加固效果分析

基于层次分析法建立的结构模型，最终选择了钉型搅拌桩法，为了评价最终的加固效果，我们从现场沉降效果进行分析。具体的思路是：首先根据实测数据将沉降-时间(s-lgt)关系曲线图绘出，通过该曲线图可以确定各个代表桩的极限荷载；再者通过极限荷载与对应沉降的关系曲线(Q-s)来确定在极限荷载下的累计沉降量，而从累计沉降量的具体情况可以大致判断采用钉型搅拌桩处理软基的效果，采用的代表桩记为A和B，2桩的位置均位于路基中线处。

图2和图3分别为代表桩A的沉降-时间(s-lgt)曲线和极限荷载-沉降(Q-s)曲线图。

图2A桩的沉降-时间图3A桩的荷载-沉降

(s-lgt)曲线图(Q-s)曲线图

由图2可见，在桩体受到加载的荷载值不变时，桩体的沉降变化较为缓慢，没有巨大的变化，较为稳定；当逐级加载桩体荷载时，沉降量也随着增大，不过增长率较为缓慢，比较稳定；当加载为460 kN时，沉降量在lg 80 min以内都比较稳定，但是在 lg 80 min后沉降出现了大幅度的增大，这表明桩体在460 kN外出现了突变，超过了桩体的极限荷载，桩体受到破坏，故由此可以确定A桩体的极限荷载值为410 kN。再结合图4可知其对应的累计沉降深度值为3.57 mm，故A代表桩的累计沉降深度为3.57 mm。同理，B桩的s-lgt曲线和Q-s曲线图见图4和图5。

图4B桩的沉降-时间图5B桩的荷载-沉降

(s-lgt)曲线图(Q-s)曲线图

由图4可见，在桩体受到加载的荷载值不变时，桩体的沉降变化较为缓慢，较为稳定；当逐级加载桩体荷载时，沉降量也随着增大，不过增长率较为缓慢；当加载为510 kN时，沉降量在lg 84 min以内都比较稳定，但是在lg 84 min后沉降出现了大幅度的增大，这表明桩体在510 kN外出现了突变，超过了桩体的极限荷载，桩体受到破坏，故由此可以确定B桩体的极限荷载值为460 kN。结合图5可知其对应的累计沉降深度值为3.98 mm，故B代表桩的累计沉降深度为3.98 mm。

综合A桩和B桩2个代表桩体的荷载-沉降(Q-s)关系曲线图可知，经过钉型搅拌桩处理后的软基承载力有了明显的改善，而且极限荷载下的累计沉降量也分别仅为3.57 mm和3.98 mm，表明采用钉型搅拌桩处理软基效果明显。

4结语

结合工程实例，为满足实际工程对沉降控制的要求，同时避免由于主观经验造成的处置效果不佳的问题，采用层次分析法(AHP)对4种备选方案(真空联合堆载预压法、CFG桩法、水泥搅拌桩法和钉型搅拌桩法进行综合分析，最终确定采用钉型搅拌桩法进行该工程项目的软基处理，并且分别从方案设计和效果分析等方面对其进行研究。研究结果表明：钉型搅拌桩处理后的代表桩A、B成桩质量较好，且累计沉降量也分别仅为3.57 mm和3.98 mm，沉降量显著降低，符合规范设计要求。

参考文献

[1]刘刚，吴卫华.公路工程软土地基处理[J].黑龙江交通科技，2007，30(12)：180-181.

[2]王若愚.软土地基工程特性与地基处理方法适用性讨论[J].天津城市建设学院学报，2009(3)：195-198.

[3]易耀林.钉型搅拌桩单桩承载力及荷载传递特性的数值模拟研究[J].岩土力学，2009，30(6)：21-24.

[4]朱健.钉型水泥搅拌桩的质量控制及承载力研究[J].中华民居，2014(8)：223-224.

[5]白永林.路基沉降预测及其应用[J].山西交通科技，2009(1)：40-42.

Treatment of Soft Foundation by Using Screw

Type Mixing Pile Method Based on AHP

YangJianguo

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

Abstract：To solve the problem of the too large post-construction sedimentation in soft soil roadbed and to avoid the bad strengthening effect caused by the inappropriate soft foundation treatment method for subjective factors, combined with practical engineering, the screw type mixing pile is adopted based on the analytic hierarchy process (AHP) model, and the scheme design and effect analysis are studied. The results show that the quality of representative piles (A and B) is better after the screw type mixing pile processing, and the cumulative settlement are respectively 3.57mm and 3.98mm, which have been significantly reduced and can comply with the design requirements of specification.

Key words:screw type mixing pile; soft soil foundation; analytic hierarchy process

收稿日期：2015-09-28

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.023