等径搅拌桩和钉形变径搅拌桩复合地基加固铁路软基试验研究

阎家祥

摘要：针对等径搅拌桩和钉形变径搅拌桩的不同特点，对钉形桩加固铁路深厚软土地基进行了试验研究，并进行了技术和经济比较。通过铁路深厚软基加固现场试验，分别进行了桩基施工扰动及承载力分析；进行了路基填筑过程中的剖面沉降、分层沉降、深层水平位移和孔隙水压力监测。从加固效果、荷载传递、工作性状等方面，对等径和钉形变径搅拌桩复合地基加固铁路软基进行了对比试验研究，论证了钉形变径搅拌桩加固铁路软基的优越性和经济性。结果表明，钉形搅拌桩在铁路软基处理工程中具有很好的应用前景，丰富了软土路基地基处理技术与工程实践。

关键词：搅拌桩；钉形变径搅拌桩；复合地基；铁路软基；现场试验

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

水泥土搅拌桩具有施工简便、振动小、工期短、造价低等优点，在软土地基处理工程中得到了广泛应用。但在实际应用过程中，由于人、机、料、法、环等各方面的原因，容易产生成桩均匀性差、冒浆、沉桩、加固深度不足等工程质量问题，造成对水泥土搅拌桩成桩质量及其对软土地基的处理效果产生怀疑，许多铁路工程对水泥土搅拌桩施工技术持慎用、限用的态度。针对目前传统的水泥搅拌桩施工中易出现的桩体完整性、均匀性和强度问题，东南大学岩土工程研究所开发了双向等径和变径水泥土搅拌桩施工工艺和施工机械，这种新型搅拌桩处理深度深、桩体强度均匀、施工质量可靠，采用大直径（≥90cm]变径桩的型式后可以降低工程造价。

某新建铁路路基为典型海相软土地基，现场地质条件适宜采用搅拌桩复合地基加固。为探究搅拌桩加固参数、加固机理及验证加固效果，试验工点设置了常规单向搅拌桩、双向等径和变径搅拌桩复合地基加固区进行桩基施工和路基填筑过程中的对比试验。本文通过现场试验、室内试验和理论分析，从加固效果、荷载传递、工作性状等方面，对双向等径和钉形变径搅拌桩复合地基加固铁路软基进行了对比试验研究。

1.等径和变径双向搅拌桩简介

双向搅拌桩是针对传统单向搅拌桩的不足，提出的从工艺到设备一整套革新性的工法。双向搅拌桩在充分考虑桩土协调的情况下，又可分为等径和变径两种形式。双向搅拌桩是指在成桩过程中，采用同心雙轴钻杆，由动力系统带动分别安装在内、外同心钻杆上的两组搅拌叶片，同时正、反方向双向旋转搅拌水泥土形成的水泥土搅拌桩。搅拌头采用固定长度叶片时成等径桩；采用可变长度折叠叶片（反向旋转控制伸缩）时可成变径桩，根据变径位置可以成扩底桩、中字形桩和钉形桩。通过采用钉形桩加固可以充分利用表层硬壳层的承载能力，协调桩土变形，提高复合地基的承载力。

2.试验工点概况

2.1工点地层条件

试验工点位于滨海平原区，地势宽广平坦，线路在本段以填方通过。地基属第四系全新统冲海积层，表层为黏土，层厚1.0～2.3m；其下为淤泥，深黑色，流塑，厚9.8～12.0m；下卧层为粉土、粘土、粉砂及粉质粘土等地层。软土位于埋深约2～12m的范围内，天然密度16.2kN/m3，天然含水量64.5%，天然孔隙比1.80。软土层具有深厚、含水量高、孔隙率高、压缩性大、强度低等特点，属典型的海相软土。

2.2试验方案及仪器布设

为对比试验研究干法和湿法搅拌桩，常规搅拌桩和双向搅拌桩（等径及钉形），试验工点设置了3个试验分区。1区为常规等径搅拌桩加固区，桩长14m、间距1.2m、桩径0.5m、梅花形布置；2区为双向钉形搅拌桩加固区，桩长14m、间距1.6m、桩径0.9m+0.5m、梅花形布置；3区为双向等径搅拌桩加固区，桩长14m、间距1.2m、桩径0.5m、梅花形布置。针对各阶段的施工特点及监测重点，布置相应的仪器设备。基桩施工阶段主要监测搅拌桩的施工对桩周土的扰动，在加固区及下卧层中不同深度布置了孔隙水压力计用以监测施工前后及施工过程中的孔隙水压力变化；路基填筑一静置阶段主要监测复合地基桩土相互作用、荷载分担传递、加固区及下卧层变形固结，在孔压计的基础上又布置了压力盒、应变计、磁环沉降管、剖面沉降管和测斜管用以反馈填土的荷载和沉降变形情况。

2.3施工工艺对比

双向等径搅拌桩的主要工艺流程为“两搅一喷”（图1），即在下钻时将设计用量的水泥一次性均匀喷完，同时，在下钻喷粉（浆）的过程中进行正、反两个方向的搅拌，在提升过程中再进行正、反两个方向的搅拌。而常规单向搅拌桩工艺是“四搅两喷”施工效率较低。

双向钉形变径搅拌桩是在双向等径搅桩的基础上，通过带有可变长度折叠叶片的钻头实现钉形桩顶部扩大头复喷复搅，如图2所示，其施工工艺为“四搅三喷”。

3.桩基施工扰动

为分析常规搅拌桩和双向搅拌桩（等径和钉形）施工过程中对桩周土的扰动情况，现场在典型断面布设了各深度孔压计及测斜管（坡角位置），并对监测仪器预估受影响范围内的桩基施工进行由远及近监测，以监测桩基施工的扰动程度和范围。

3.1孔隙水压力变化

为分析基桩施工前后及施工过程中的桩周土孔压扰动情况，对1区、2区和3区进行对比试验研究。由孔压监测结果可知，施工时钉形变径搅拌桩超静孔压变化幅值最大，常规等径搅拌桩次之，双向等径搅拌桩最小，但是各桩型孔隙水压力消散速率无明细差异。由孔压变化和扰动范围监测分析可知，常规等径搅拌桩的施工影响范较双向等径搅拌桩的影响略大，双向等径搅拌桩在施工过程中，对周边土体施加方向相反的两个力矩，二者相互抵消，可以减少对桩周土的影响；钉形变径搅拌桩的施工影响明显大于等径搅拌桩，这主要是由于钉形桩上部桩径大于等径搅拌桩的缘故。

3.2深层水平位移变化

通过坡脚外1m处设置的测斜管，可以监测基桩施工前后，地层的深层水平位移变化情况。监测结果显示，双向搅拌桩最大水平位移发生在软土层中部范围内，大小在13mm左右，随着孔压消散，位移回弹后最大水平位移稳定在8mm左右。常规单向搅拌桩由于采用“四喷两搅”的施工工艺，施工扰动较大导致深层水平位移最大值较双向搅拌桩略大。

由于搅拌桩工艺为就地搅拌成桩，自身挤土效应不明显。挤土程度主要由地层情况、喷射压力、桩机施工参数及施工顺序等因素影响。搅拌桩桩周土由于受施工扰动，施工后的桩周0.5m范围内的土体强度比桩基施工前有所降低，随着龄期的增加，土体强度逐渐恢复。

4.成桩质量分析

4.1取芯及无侧限抗压强度

成桩28d后对各桩形搅拌桩在1/4桩径处全桩长范围内钻孔取芯，观察其完整性、均匀性。取不同深度的3个试样进行无侧限抗压强度试验。由检测结果可知，双向等径搅拌桩的28d无侧限抗压强度最大，且样品的标准差最小、质量最稳定，钉形变径搅拌桩次之，常规等径搅拌桩最小。为监测桩身强度的增长情况，60d后对三种桩型再次进行全桩长取芯，并进行无侧限抗压强度试验。试验结果表明随着水泥土强度增长双搅桩强度好于常规单搅桩；钉形变径桩由于直径较大桩头采用“四搅三喷”，顶段扩大头位置强度增长较快。

4.2荷载试验

试验工点搅拌桩成桩28d后，选取4根常规等径桩、3根双向等径桩和4根钉形变径桩，采用慢速维持荷载法进行单桩静载试验。由荷载试验可知：在设计承载力的范围内（97kN），钉形变径搅拌桩的沉降明显小于等径搅拌桩，前者在97kN下的沉降在5mm左右，后者则在10mm左右；钉形变径搅拌桩的Q-S曲线上有明显的由缓变陡的过程，而等径搅拌桩的Q-S曲线则相对地近似于一条直线；双向等径搅拌桩的Q-S曲线与常规等径搅拌桩相类似；在承载力范围内，双向等径搅拌桩的沉降略小于常规等径搅拌桩，但大于钉形变径桩。

5.路堤荷载下加固效果分析

为对比双向等径和钉形变径搅拌桩，在路基填筑过程中的沉降、水平位移及孔隙水压力的演化情况，通过预先埋设剖面管、磁环沉降管、测斜管和孔压计等仪器设备采集相关数据，进行路堤荷载下的路基稳定性分析。

5.1剖面沉降

为对比分析等径和钉形变径搅拌桩在路基填筑过程中的剖面沉降情况，在钉形变径桩加固区和等径桩加固区进行桩头和桩间土剖面沉降监测（图3）。

由监测结果可以看出：监测断面剖面沉降曲线均呈现出“凹”型，即两端沉降小，中间沉降大，且随着时间增加，沉降越来越大；钉形变径桩300d的桩顶最大沉降量为9cm，桩间土最大沉降量接近10cm，桩间土沉降大于桩顶沉降；等径桩348d的桩顶最大沉降量为8.5cm，桩间土最大沉降量接近9.5cm，桩间土沉降大于桩顶沉降；相同搅拌体积情况下钉形变径桩采用1.6m的桩间距，可以达到1.2m桩间距等径桩的沉降控制效果，且桩基数量减少43.75%，施工效率可以提高27.68%（表1）。

5.2磁环分层沉降

通过路基填筑前在路基中部引孔埋设磁环沉降管，实现在路基填筑过程中监测加固区及下卧层的压缩变形演变情况。由分层监测结果可知：0～4m顶段加固区钉形桩和等径桩两者沉降量基本相同；4m以下加固区和下卧层压缩沉降，钉形变径桩区域明显小于等径桩区域，说明钉形桩能够更好地协调桩土变形，减少路基沉降。

5.3土体深层水平位移

通过坡脚测斜管，监测路堤填筑过程中地层的深层水平位移变化情况。监测结果显示：等径和钉形变径搅拌桩下卧层水平位移较小，加固区水平位移稍大，但都小于15mm；钉形桩加固区最大水平位移为10mm左右，双向等径桩加固区最大水平位移为12mm左右；钉形桩加固区水平竖向位移比为0.1，双向等径桩加固区水平竖向位移比为0.13，前者稳定性优于后者。由对比监测可以看出：在相近高度的路堤荷载作用下，钉形变径桩加固区的水平位移要小于双向等径桩加固区；合理的变径桩头设计优化了桩土协调变形，减小了桩间土的水平附加应力，所以采用钉形变径搅拌桩复合地基加固的路基稳定性较高。

5.4超静孔隙水压力

由孔隙水压力的检测结果，结合地下水位的情况，计算超静孔隙水压力。路堤分层填筑时，桩土协调变形，桩土应力重新分配，在填土较低时土拱未形成或不稳定，造成桩间土附加应力增加，通过监测加固区超静孔压的增加反映出变化情况。待静置一段时间后，由填土荷载引起的超静孔压逐渐消散转换为土体的有效附加应力，土体沉降固结。当深度达到13m以上时，由于填土高度较低，土中的超静孔压基本不变。

6.经济对比分析

由试验工点各型搅拌桩经济及施工效率分析对比情况（表1）得出：在相同经济指标条件下钉形变径搅拌桩施工效率最高；在相同功耗条件下，钉形变径搅拌桩经济指标最高；可见钉形桩可以提高地基处理效率，降低工程造价。

7.结论

通過某新建铁路试验工点，对常规单向等径、双向等径及双向钉形变径搅拌桩复合地基加固铁路软土路基进行了现场监测及分析研究。总结后得到以下结论：

（1）桩基施工阶段，通过对试验区段超静孔隙水压力和深层水平位移的变化监测表明，常规等径搅拌桩的施工影响范围较双向等径搅拌桩的影响略大。由于钉形桩上部扩大变径，双向钉形变径搅拌桩的施工影响明显大于双向等径搅拌桩。搅拌桩桩周土由于受施工扰动，施工后的桩周附近土体强度比桩基施工前有所降低，随着龄期的增加，土体强度逐渐恢复。

（2）双向搅拌桩的“两搅一喷”工艺优于常规单向搅拌桩的“四搅两喷”，能保证桩身强度均匀性；双向钉形搅拌桩在双向搅拌桩的工艺基础上，上部变径段增加了复喷复搅工序，整个施工工艺为“四搅三喷”。通过取芯无侧限试验及荷载试验表明，桩身强度和承载力双向钉形变径搅拌桩最大，双向等径搅拌桩次之，常规等径搅拌桩最小。

（3）路基填筑过程中，对比分析双向等径和钉形变径搅拌桩加固区沉降、水平位移及孔隙水压力的演化情况，结果表明路堤荷载下采用钉形变径搅拌桩复合地基加固的路基稳定性较双向等径搅拌桩高，更优于常规单向搅拌桩，有利于加快路基填筑施工速度。

（4）双向钉形变径搅拌桩优化了双向等径搅拌桩的承载特性，克服了常规单向搅拌桩的不足，可以大大节省工程造价，提高软基加固效果。其具有很好的适用性和经济性，丰富了海相深厚软土路基地基处理技术与工程实践。