钉形水泥土搅拌桩复合地基现场试验研究

钱宏春

宁波市市政公用工程安全质量监督站 浙江 宁波 315012

0 研究的缘起

随着我国经济技术的快速发展，基建规模也在不断扩大，在交通和铁道等土木工程建设中，不良地基的处理问题也层出不穷，如果不对这些地基进行处理，就不能满足各种建（构）筑物的要求，且容易引发各种工程事故。整个工程质量、进度和投资也和地基处理是否恰当有着密切关系[1]。因此，为了保证工程的安全，并降低工程造价，人们越来越重视地基处理问题以及合理地选择地基处理方法。

水泥土搅拌桩复合地基加固土体是目前应用最为广泛的一种地基处理方法。但工程应用中仍存在不少缺点[2]：水泥掺入量及地面冒浆达不到设计要求；桩身强度沿竖向分布不均匀；沿水平面分布上的桩身强度不均匀；桩土共同作用难以协调，桩间距较小且造价相对较高。因而，根据目前常规的水泥土搅拌桩桩身质量差、有效处理深度浅及桩土相互作用一致性较差等缺点，并结合双向搅拌桩及变截面搅拌桩的优点，提出了钉形水泥土搅拌桩这一新的地基加固技术。

跟常规的水泥土搅拌桩加固法相比，钉形水泥土搅拌桩加固软土地基是一种新的软土地基加固技术，在实际工程中已有较成功的应用和施工技术。

对于复合地基，Alamgir等[3]认为柔性基础下复合地基的沉降并不满足等应变假设，桩土的沉降并不具有一致性，并基于单元体分析模型提出了通过假设的位移模式来求解柔性基础下复合地基加固区的沉降。

朱芝华[4]在现场试验的基础上，通过结合理论分析与数值模拟，详细分析了钉形水泥土双向搅拌桩单桩承载力特性。

和礼红等[5]通过桩身标准贯入试验和室内无侧限抗压强度试验，得到了桩身标准贯入击数与无侧限抗压强度及桩体分段深度的关系，同时深入分析了桩身强度不一致的现象，提出采用加权平均值作为桩身强度设计和检测的标准更为妥当。

YI Y等[6]通过室内模型试验模拟了路堤下的钉形桩软土复合地基，并与传统搅拌桩做了比较分析研究，发现由于有扩大头，相比于传统搅拌桩，钉形桩承载了更多的应力荷载，导致土壤应力较小。这种效应降低了土体的沉降和地基不均匀沉降，并提高了土体的固结速度。

易耀林等[7]在现场试验的基础上，通过三维数值模拟对路堤荷载下钉形搅拌桩和传统水泥搅拌桩在复合地基中的工作性状进行对比分析，结果表明，由于钉形搅拌桩的扩大头作用，钉形搅拌桩的桩体荷载分担比高于后者。

肖超[8]用Plaxis软件模拟了某地区钉形搅拌桩复合地基各阶段施工工序，通过模拟数据分析了各施工阶段该复合地基的沉降变化规律，从而优化了该项目的施工。胡焕校等[9]通过试验及仿真模拟研究了不同上下桩径比的钉形桩复合地基的轴力及侧摩阻力。许原骑等[10]结合大直径钉形搅拌桩复合地基的失稳事故，从扩大头高度、直径、桩径比及桩间距等影响因素，分析复合地基承载力的影响规律，得出其最大影响因素为桩间距。

本文以宁波市轨道交通3号线某车辆段综合基地工程为背景，对钉形水泥土搅拌桩在复合地基的应用进行了现场试验，包括钉形水泥土搅拌桩单桩桩身荷载传递性状、搅拌桩桩身质量评价、钉形水泥土搅拌桩复合地基承载力等，并对测试数据进行了分析，研究了其变化规律。因此，本文对宁波地区深厚软土地区钉形水泥土搅拌桩复合地基承载力特性的研究成果，可为钉形水泥土搅拌桩在这一地区的推广设计和应用提供参考。

1 工程概况及现场试验方案

1.1 工程概况

现场试验段位于浙江省宁波市轨道交通3号线某车辆段综合基地，其软土层主要为淤泥质软土。显然，天然地基只有通过路基加固后才能满足轨道交通的设计承载力和工后沉降要求。场地内各土层从上至下依次为：①2黏土、①3淤泥质黏土、②1黏土、②2a淤泥、②2b淤泥质黏土、③2粉质黏土、④1淤泥质粉质黏土、④2黏土、⑤4粉质黏土、⑤6砾砂、⑥2粉质黏土、⑥4粉砂、⑥5砾砂。

试验段涉及的地表水主要河流为内河及水渠，河道较窄，河道现状宽8～20 m，河水位、流量主要受季节和大气降水的控制，勘察期间河水面高程1.00～1.20 m。孔隙潜水主要位于表部填土和浅部黏土、淤泥质土中。

该试验段库外碎石道床及库内除检修地沟与整体道床以外的室内地面均采用钉形水泥土双向搅拌桩加固，段内钉形桩正三角布置，桩径1 000/600 mm（即扩大头直径1 000 mm，下部桩径600 mm），桩间距1.8 m，扩大头高度6 m，桩长18 m。水泥采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量不小于被加固湿土质量的18%，水泥浆水灰比为0.55。

1.2 试验内容

1.2.1 桩静载荷试验

钉形水泥土搅拌桩设置后，对龄期为60 d时的试桩进行单桩静载荷试验和复合地基静载荷试验。沿桩身布设若干应变计〔图1（a）〕，应变计附在PVC管上以测试桩身轴力的传递规律。加载方式为慢速维持荷载法。

图1 桩静载荷试验示意

单桩复合地基静载荷试验承载板按照1根桩的分担处理面积计算，桩顶布设100～150 mm的砂垫层，试验方法参照JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》的要求。沿桩身布设应变计〔图1（b）〕，测试静载荷试验过程中桩身荷载传递规律。桩顶和土层埋设压力盒，测试桩、土应力分担比。

1.2.2 桩钻孔取芯试验

根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》，对达到龄期后的桩进行钻孔取芯。主要进行桩身完整性检测、桩身强度检测，确定水泥土搅拌桩桩身水泥土无侧限抗压强度是否达到设计强度。

钻孔位置应选在每根检测桩桩径方向1/4处、桩长范围内垂直钻孔取芯。钻机设备安装必须符合要求，钻进时，应确保钻孔内有持续的内循环水，同时按照回水颜色及含砂量调整钻进速度，每回次进尺控制在1.5 m内。提钻卸取芯样时，不得敲打卸芯。

1.3 试验仪器布置

为了研究钉形水泥土搅拌桩复合地基的承载特性及其荷载传递规律，釆用埋设应变计的方法，通过现场的静载试验测得桩体在加载过程中荷载的传递规律，从而研究钉形桩的承载特性及其荷载传递机理，贴设应变计的位置为表层土以下1.1、3.0、5.9、10.2、14.4、17.9 m，共6个（图2）。在进行单桩复合地基静载荷试验时进行土压力盒埋设。土压力盒在桩顶埋设1个，在桩间土对称埋设2个（图3）。单桩静载荷试验加载利用反力加载装置，采用慢速维持荷载法。

图2 应变计埋设剖面示意

图3 土压力盒平面布置

2 试验结果分析

2.1 荷载沉降曲线分析

在单桩的静载荷试验Q-s曲线（图4）中可以看出，Q-s曲线有明显的陡降段，表现出较为明显的整体剪切破坏。比较单桩的Q-s曲线，从复合地基静载试验P-s曲线（图5）中可以看出，单桩线变化较平稳，没有明显的陡降段，说明钉形搅拌桩复合地基是通过桩与桩间土共同承担上部荷载，且有相互协调过程。通过比较可以得出，单桩的破坏具有突然性，而搅拌桩复合地基的破坏则是渐进性的。

图4 单桩静载试验Q-s曲线

图5 单桩复合地基静载试验P-s曲线

试验结果表明，钉形水泥土搅拌桩单桩承载力极限值达到320 kN；单桩复合地基承载力达到156 kPa，复合地基承载力达到了设计值（150 kPa），说明较大桩间距下搅拌桩复合地基能够达到理想的处理效果。

2.2 钻孔取芯试验分析

钻孔取芯结果（图6）显示，受检桩搅拌局部欠均匀，芯样中上部基本完整，呈长-短柱状及碎块状，连续性和胶结性从稍差至较好，桩身完整性一般，桩长不满足要求。桩顶以下12.0～18.0 m芯样强度低，无法取样进行强度验证。

图6 钉形搅拌桩取芯

根据上述检测结果，钉形水泥土双向搅拌桩的桩身强度自顶至底是不一致的，存在较大离散性。

当桩身长度超过6.0 m，即扩大头以下，随着桩体深度的变化，钉形水泥土双向搅拌桩的桩身强度难以保持稳定，且呈阶梯性逐渐衰减。而当桩身长度超过12 m时，芯样无法取得。

当搅拌桩达到一定深度时，由于土压力以及孔隙水压力的明显升高，不能忽略两者对出浆压力的平衡和削弱，这一现象将造成搅拌桩体喷浆的充分度和搅拌的均匀度不够，并且随着深度的增加愈加明显。

2.3 桩身芯样无侧限抗压强度分析

通过室内的无侧限抗压强度试验得到桩身在4.6 m及9.2 m处水泥土应力-应变曲线（图7、图8）。

图7 桩身4.6 m处水泥土应力-应变曲线

图8 桩身9.2 m处水泥土 应力-应变曲线

综合分析图7、图8试样的应力-应变曲线可知，现场钉形水泥土搅拌桩的水泥土试样的应力-应变曲线基本可以分为4个阶段。第1阶段为初始加载阶段，在加载过程中水泥土处于压密阶段，但由于水泥土内部存在间隙，使得应力很小，几乎为0 MPa，随后应变逐渐增加；第2阶段的水泥土试样的应变随应力增加呈现线性增长；第3阶段的应变随应力增加呈现非线性增长，直至达到水泥土试样的峰值；第4阶段为破坏阶段，应力-应变曲线先急剧下降，然后逐渐变缓。

从试验试样的峰值及变形模量来说，4.6 m处黏土的最大，而9.2 m处淤泥质黏土的最小。因此，可以根据水泥土搅拌桩复合地基的搅拌土质条件来判断桩身强度。

2.4 桩身轴力传递性状分析

由随深度变化下的桩身各量测断面桩身轴力情况（图9、图10）可知，桩身轴力随深度的增加逐渐减小，桩体变截面以上的轴力衰减较下部更快；同一深度的桩身轴力随着荷载增加而增大，扩大头以上的桩身轴力增加较多，而下部桩体的增加较小。在扩大头以下，桩身应力随深度增加逐渐减小。

图9 单桩桩身轴力传递曲线

图10 单桩复合地基桩身 轴力传递曲线

2.5 桩侧摩阻力发挥性状分析

对桩身各量测断面桩身轴力随深度变化情况（图11）进行分析可知，桩土相对位移随着荷载增大而逐渐增大。荷载越大，桩身侧摩阻力的分层越明显。在桩顶至9 m左右深度的区域里，桩体侧摩阻力变化剧烈，阻力最大处为变截面处偏上的地方，而在变截面处则急剧减小。这说明钉形水泥土搅拌桩扩大头翼缘下的土体支撑作用很强，而在桩体9 m以下，桩体的侧摩阻力很小。

图11 桩身侧摩阻力深度曲线

3 结论

本文依托宁波市轨道交通3号线某车辆段综合基地工程，通过钉形水泥土搅拌桩在复合地基的现场试验，对钉形水泥土搅拌桩单桩桩身荷载传递性状、搅拌桩桩身质量评价以及钉形水泥土搅拌桩复合地基承载力进行研究，结论如下：

1）钉形水泥土双向搅拌桩桩身轴力主要集中于扩大头处，扩大头是单桩承载力的主要来源。由于扩大头的作用，桩身轴力在变截面处有较大衰减，反映了扩大头翼缘下部土体的支撑作用[11]。

2）试验结果表明，钉形水泥土搅拌桩单桩承载力极限值达到320 kN；单桩复合地基承载力达到156 kPa。

3）钻孔取芯试验结果表明，当桩身长度超过6.0 m，即扩大头以下时，钉形水泥土双向搅拌桩的桩身强度呈阶梯性逐渐衰减。

4）桩身轴力测试结果表明，桩身轴力随深度的增加逐步减小；变截面以上桩体的轴力较下部桩身，衰减更快。

5）由于钉形水泥土搅拌桩的桩身结构更为合理，故与传统水泥土搅拌桩相比，其加固效果更佳。