市政道路设计中采用钉型双向水泥搅拌桩处理软土的分析探讨

石 谦 尹红梅 易 勇

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司 武汉 430071）

随着我国长江中下游平原区域经济的不断发展，区域内城市范围也随之不断扩张。城市周边上个世纪围湖造田形成的区域也逐渐被划入到新城建设范围当中，而这些围湖造田区域，软土分布极为广泛，且厚度不均；工程性质差，对于新城建设中市政道路项目的基础处理带来麻烦。如处理不当，短期内道路各种病害将集中爆发，导致道路使用功能受损，影响周边居民生活出行。因此市政道路项目中的软土处理是否合理，直接影响到市政道路的成败，同时也成为各级政府部门在城市建设中最为关注的重点。

1 项目概况

1.1 总体情况

武汉市汉阳四新区是武汉市发展的重点区域，武汉市汉阳四新区杨泗港快速通道是对接拟建的杨泗港长江大桥、打通汉阳四新区地区腹地的重要项目，全长约8 k m，其主线为全程高架桥，地面设置辅道，建设陶家岭、四新、拦江路3座大型互通式立交桥。主线为城市快速路，设计车速60～80 k m／h，辅道为城市次干路，设计车速40 k m／h。主线双向6车道，辅道双向4～6车道，高架桥宽26 m［1］。

1.2 不良地质情况说明

本项目场地地貌单元大部分为湖泊及湖泊堆积平原，道路范围内主要不良地质为软弱土层，该层位于新近湖积形成的藕塘中，呈灰黑色流塑状，土质软，手指轻易按入，含有机腐殖质和植物根系成分较多，具有强度低、高压缩性、力学性质差、厚度不均匀且厚度较深的特点。平均含水量71.3%，空隙比2.08，压缩系数1.8 MPa－1。地质勘查报告指出，该层未经处理不宜作为拟建道路底持力层。

2 软土处理设计比较

软土处理方法比较多，目前常用的方法有2大类：①排水固结法（如铺砂垫层或土工织物预压、袋装砂井预压、插板预压、真空预压、超载预压等）；②复合地基法（如挤密碎石桩、挤密石灰桩、二灰桩、水泥（或粉体）搅拌桩、CFG桩、预应力管桩等）。选择时应根据当地的地质、水文、材料及环境等条件进行经济及技术比较，当单一的处理方法无法满足稳定与沉降的要求时，可考虑多种方法组合使用。结合武汉地区软土地基处理的经验及习惯做法，水泥搅拌桩是武汉地区处理深层软土（厚度不大于15 m）最经济合理的方法。设计结合杨泗港快速通道项目，通过plaxis有限元软件模拟建立钉型双向水泥搅拌桩与普通水泥搅拌桩的施工模型，并分别计算2种搅拌桩方案的复合地基沉降量，从软土处理的最终效果上分析孰优孰劣。

设计选取杨泗港快速通道四新立交范围内的地面层K3＋360处作为典型横断面进行设计研究，道路顶宽50 m、高3 m。根据勘查资料，地基土层由①人工填土层、②-1淤泥层、②-2粘土层、③-1粉质粘土层组成，人工填土层平均厚度2.5 m，淤泥层平均厚度5.5 m。其主要物理力学性质指标见表1。

表1 地基土层主要物理力学性质指标表

2.1 普通水泥搅拌桩方案

桩间距1.5 m，桩径0.5 m，平均深度8.5 m，等边三角形布置。采用plaxis软件建立模型，对位移边界条件作如下假定：模型的左、右边界水平方向位移为0，竖直方向允许发生变形；下边界任意方向的变形为0。见图1。

图1 plaxis变形网格（普通水泥搅拌桩）

2.2 钉型双向水泥搅拌桩方案

桩间距2.2 m，扩大头桩径1.0 m，扩大头长度3 m；下部桩体直径0.5 m，下部桩体长度5.5 m，等边三角形布置。同样采用plaxis软件建立模型，对位移边界条件作如下假定：模型的左、右边界水平方向位移为0，竖直方向允许发生变形；下边界任意方向的变形为0。见图2。

图2 plaxis变形网格（钉型双向水泥搅拌桩）

2.3 2种水泥搅拌桩技术经济综合比较

由于钉型双向水泥搅拌桩的桩径“上大下小”的特点，和普通水泥搅拌桩上下统一的桩径无法直接比较，设计选取了工程建设中更为注重的直接施工费用做为比较平台，综合分析可以得出，在直接施工费用相同或相当的情况下，单位面积内钉型水泥搅拌桩相较普通水泥搅拌桩，在控制复合地基沉降量方面存在一定优势，并随着软土处理深度的加大，这一优势将进一步扩大。见表2。

表2 技术经济综合分析比较表

3 钉型双向水泥搅拌桩的优点

普通水泥搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。其优点是费用较低，使用广泛，施工技术成熟，成桩时间短，能大幅提高软土地基承载力及路堤稳定性，控制工后沉降。但同时存在一些缺点，如水泥浆垂直分布不均匀（上浓下稀）；受到机械设备影响，浆体搅拌不均匀；桩间距较小破坏土体天然结构，不能充分发挥硬壳层的强度［2］；处理深度大于12 m时效果不理想等等。

钉形双向水泥搅拌桩是一种对普通水泥搅拌桩进行工艺改良的桩型，钉形水泥搅拌桩成桩过程中，由动力系统分别带动安装在同心钻杆上的内、外2组搅拌叶片同时正、反向旋转搅拌，通过搅拌叶片的伸缩使桩身上部截面扩大而形成的类似钉子形状的水泥土搅拌桩。其优点主要有：

（1）利用常规设备加工改进，易于推广。钉型双向水泥搅拌桩施工机械只需对常规设备进行改进，原施工人员进行短期指导学习即可完成施工。

（2）桩体搅拌更加均匀。普通水泥搅拌桩影响质量的最大因素就是搅拌是否均匀，而钉型双向水泥搅拌桩的独特钻头构造，使水泥浆液与土体得到充分的混合搅拌，并且由于上层叶片与下层叶片反向，可以有效杜绝冒浆现象的产生［3］。

（3）钉型双向水泥搅拌桩扩大头部分采用“四搅三喷”，下部桩体采用“两搅一喷”的施工工艺相对普通水泥搅拌桩施工工艺更利于水泥搅拌桩体的形成。

（4）桩体受力更加合理。上层填土对于下层软土的压力随着深度的增加逐渐减弱，而钉型双向水泥搅拌桩桩径“上大下小”的设计，与复合地基所受的压力能更好的匹配，使桩体从上到下受力更加均匀合理。

（5）由于扩大头作用相当于提高了土层的置换率，因此可相应增大桩间距，减少桩数量。同时由于扩大头具有类似“钉帽”的作用，扩大了受力面积，搅拌桩顶部所需的垫层厚度可以相应减少。

（6）工程造价更加经济。由于桩间距的加大，桩数量的减少，单位面积软土处理工程量随之减小，以及垫层厚度的减薄，直接节省工程造价，且随着处理深度的加深，这一优势更加突出。

（7）处理深度更大。根据已建成项目获得的相关数据，采用钉型双向水泥搅拌桩处理软土深度可达20 m。

4 钉型双向水泥搅拌桩的问题及解决方法

4.1 桥头过渡段布桩间距问题

在桥头过渡段处理时，由于规范对于桥头区域沉降要求高于一般路段，因此布桩时应考虑采用桩间距渐变放大的形式，以利于解决不均匀沉降的问题，通过大量工程实例证明，对于沉降要求较高的区域，采用渐变放大桩间距，比统一间距经济性更好。

4.2 水泥搅拌桩的施工质量问题

水泥搅拌桩在我国投入生产后，以其低廉的价格、较快的施工速度、灵活的布桩形式，在大量项目处理软土中得到了广泛应用，节省了巨额的投资。但是水泥搅拌桩的成败关键是水泥和土搅拌的均匀程度，稍有不慎，就会出现水泥富集块或桩身不连续的质量问题，从而导致工程事故并造成严重后果，使其不断受到业主和建设主管部门的质疑。因此必须加强现场质量管理，采取桩身浆液流量自动监测仪、严格控制水灰比，施工时采取旁站监督等措施，严格控制施工质量。

5 结语

通过武汉市杨泗港快速通道软土处理的实际设计案例，提出采用钉型水泥搅拌桩处理软土的方法，该方法在提高水泥搅拌桩工程质量的同时也降低了工程费用，可为需要进行软土处理的市政道路项目提供参考。

［1］ 陈东波.武汉市杨泗港快速通道四新段工程总体设计［J］.中国市政工程，2013（3）：16-18.

［2］ 王 刚.钉型桩在市政道路工程中的应用［J］.西部交通科技，2010（5）：34-37.

［3］ 朱志铎，刘松玉，席培胜.钉型水泥土双向搅拌桩加固软土地基的效果分析［J］.岩土力学，2009（7）：2064-2067.