钉型搅拌桩处理软土地基应用研究

李云霄

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原 030006）

随着我国经济的快速发展，我国基础建设尤其是公路的发展取得了很大的成就，同时也出现不少问题。由于我国幅员辽阔，存在很多具有强度低、含水率高、孔隙率大等软土地基，如果处理不当，修筑其上的道路极易产生工后沉降过大、桥头跳车严重等现象，极大地降低了道路的服务质量和安全性能[1]。现有一工程实例：某公路全长9.2 km，设计车速为60 km/h，在修筑过程中发现桩号K7+200—K8+860段处于软土范围，全长有1660 m，表1为该路段土物理力学性质情况表。为了增加该路段的稳定性并减少工后沉降，需要对该工程路段进行加固处理。笔者拟采用钉型搅拌桩的方法进行软基处理，分别从加固机理、方案设计、现场试验及效果分析等方面对其进行研究，以期得到最佳的软基处理效果。

表1 土主要物理力学性质表

1 加固机理

虽然钉型搅拌桩的桩体结构仍然是水泥桩，但是与常规的水泥搅拌桩不同的是，钉型搅拌桩桩体结构属于变截面形式，桩体采用变截面形式可以提高截面下部的强度控制能力，增加上部荷载产生的围压，从而提高下部桩体的竖向承载能力。变截面形式的桩体使得其桩身的荷载传递规律也发生变化，变截面的桩体可以更好地协调桩体变形，使得共同承担上部的荷载，进而形成一种等效于复合地基承载特性的形式。

从钉型搅拌桩的施工机械来看，其是在常规的水泥土搅拌桩的基础上改进而成的。主要是增加了双向搅拌桩动力箱体设备、同心双轴钻杆以及多功能钻头，再利用传统的水泥搅拌桩机械作为机架，最终通过钻杆上的正反转向形成最终的桩体，正是由于其外观为钉型，故称为钉型搅拌桩。从钉型搅拌桩的荷载传递规律来看，由于钉型搅拌桩的桩身刚度较大，使得桩侧的摩阻力随着桩体打入深度的增加而减小，且减小的幅度较大，再加上搅拌桩头的叶片可以调节伸缩量，故施工范围较易控制，可以避免过度的扰动从而降低工后沉降。

2 加固方案与试验监测方案

2.1 施工方案

为了更好地提高桩体竖向极限承载力并减少工后沉降，采用钉型搅拌桩的方法对该路段软基进行处理。在施工过程中决定采用42.5级水泥类型，具体的施工技术参数见表2。

表2 钉型搅拌桩主要施工技术参数

在钉型搅拌桩具体施工过程中应该采取科学有序的施工方案，由于施工钉型搅拌桩的上部桩体为扩大头，故为了达到最佳的处治效果，施工上、下桩体是分别采用四搅三喷和二搅一喷施工工艺，具体的施工工艺流程为：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。

2.2 单桩载荷试验方案设计

对单桩载荷试验是为了方便后期桩身的质量检测，并通过现场桩身试样的室内无侧限抗压强度以及现场标贯试验，来综合评价钉型搅拌桩处理软基后桩身的质量情况。

为了更好地测定荷载作用下单桩的轴力[2]分布以及变截面荷载分布情况，需要布置单桩荷载试验相关的仪器，主要为应变片。为了得到更好的结果，应变片在变截面应进行加密处理，每隔0.5 m设置一个测点，设置成120°方位构成环形，并在桩体中心竖向轴线方向也设置，表3为采用的应变片技术参数。在具体安装应变片时，应该先沿着钉型搅拌桩中心竖向轴线钻出一个钻孔，钻孔直径为130 mm，将应变片粘贴在直径为90 mm的PVC管上，然后将带有应变片的PVC管下到设计钻孔深度，最后向PVC管及周围空隙填充，填充的材料为水泥土浆液，具体的配比是水∶黏土∶水泥为0.8∶02∶1，最后加入掺量为10%的膨胀剂，这样可以满足搅拌桩与填充水泥土浆之间的协同变形要求。当浆液从管中涌出时则停止注浆，若空隙中的浆液面下降则继续进行补浆处理。

表3 应变片的技术参数

2.3 沉降监测方案设计

为了更好地研究钉型搅拌桩处理软基及减少工后沉降的效果，需要对其进行沉降监测[3]，科学的监测方案设计是关键部分。在监测沉降中采用的仪器为沉降仪以及磁感应环，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置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，即可以有效确定地基分层的沉降量，同时也可以确定各土层之间的相对压缩量并计算工后沉降。

沉降计的埋设是沉降观测最关键的部分。现场实验选用的沉降计参数见表4，与传统的磁环沉降测量相比，该种沉降计更加适用于软土地基的沉降测量，尤其是分层沉降测量，其最大的优势是不受路堤填筑和压实的影响，而且更加适合长期监测，在记录时也较为方便，采用自动化测量。

表4 沉降计技术参数

沉降计在埋设时要按照规定的步骤严格进行，即确定安装试件→布点→安装前全面检查→钻孔→安装沉降计→灌浆→回填压实→导入观测井。在具体埋设的时候要注意以下几个方面。

a）要根据实际现场施工的具体天气及环境情况来确定安装时间，如若下雨、雪等应在天气放晴后几天再安装，在安装前要平整场地并清理好。

b）在安装前进行全面检查时主要对三方面进行检查，首先对位移传感器进行校准并确定完好；其次是检查安装工具如PVC钢丝软管、水泥浆、扳手、灌浆工具等；最后应对安装附件进行全面仔细的检查。在钻孔阶段应在规定部位以铅垂方向进行钻孔，尽量保证孔口的平整性。

c）在安装沉降计时为了配齐主管需要根据实际的孔深计算出需要加长的杆长度，并在安装后将沉降计的测杆拉至最长并安装定位销。为了保证参与测量的沉降计都能够保持最佳且最大量程的状态，在将各沉降计送入各层的指定位置后，应该对各层的单点沉降计进行全程的监控，当不符合要求时及时进行纠偏处置。

d）在灌浆时为方便锚固底层锚头，应该从灌浆管灌入到底部的锚头，再由其上的孔流入到孔底以达到最佳效果。为了方便后期观测，应该将测试线从观测箱的一侧进行开挖，目的是将导线引出路基再导入路基旁边的观测井中。

3 现场加载试验及质量控制

3.1 现场加载试验

现场加载试验前要对桩头进行处理，处理的方式主要有移除桩头松散层并在露出桩体后找平，从而减少搅拌桩成桩时，由于冒浆的现象而使得浆液在桩顶凝固后形成松散层，以确保现场试验的有效进行。加载时采用油压千斤顶来施加荷载，并采用慢速维持荷载法进行逐级加载。

当在加载某级荷载时，如果桩顶沉降量是上一级的2倍或者桩顶沉降量达到60～80 mm且荷载-沉降曲线为变缓逐渐趋向稳定时可以停止加载。为了更好地监测沉降，在施加完每一级荷载后分别记录百分表的读数，时间分别为加载后5 min、15 min、30 min、45 min、60 min，之后每隔 30 min 读数一次即可，直到沉降趋于稳定，判断的标准是在每级加载后连续两次在1 h内桩顶的沉降量均在0.1 mm以内。

3.2 质量控制要点

为了保证施工过程的质量及钉型搅拌桩加固软基的效果，在按照施工工艺流程进行施工时要对施工质量进行控制[4]，要点如下：

a）严格控制搅拌桩的垂直度和桩位偏差，前者应控制在1%以内，后者控制在5 cm以内，这样可以保证吊起设备的平整度以及搅拌桩的垂直度，获得良好的施工效果。

b）在喷浆施工的过程中，如果发现中断情况应立即进行补浆，有效时间为3 h以内，超过3 h后，由于先前的浆液强度已经形成，使得与补浆部分的强度相差较大，对后期软基的加固作用有减弱影响，故该种情况下应重新打桩。同时为了更好地控制喷浆的深度以及泥浆喷入量以达到设计值，需要严格对下钻速度、下浆面以及喷浆深度进行控制和检查，且规定每米的用浆量误差控制在5%以内。

c）在配置水泥浆时要严格按照设计配合比进行配置，考虑到浆液强度的形成时间应该在3 h以内对桩体进行浇筑，保证配置的浆液量能够至少浇筑1根桩。要经常检查输浆管以保证注浆的连续性，尤其注意管道的堵塞和泄漏情况。

4 加固效果分析

为了对钉型搅拌桩处理软基效果有足够的认识，通过现场试验结合试验数据进行效果分析，主要从桩身质量检测以及荷载-沉降情况进行分析。

4.1 桩身质量检测分析

对于桩身质量的检测可以很好地反映钉型搅拌桩的施工质量以及软基处理的施工效果。为了综合评价钉型搅拌桩的质量[5]情况，从现场抽取两个代表性的龄期为90 d的水泥搅拌桩，分别从室内无侧限抗压强度和现场标贯试验对桩体质量进行综合评价。

钻取芯样，对芯样的无侧限抗压强度试验fcu进行研究，得到结果见表5，为了直观显示芯样无侧限抗压强度随深度变化情况，绘制相应变换图见图1。

表5 芯样无侧限抗压强度沿深度检测结果 MPa

图1 芯样无侧限抗压强度沿深度变化图

从表5和图1可知，除了桩B在1 m处深度的无侧限抗压强度为0.8 MPa外，桩A和桩B两个代表性搅拌桩的无侧限抗压强度的范围均在1～5 MPa范围内，而且均满足设计强度0.6 MPa，满足设计要求，表明桩体质量良好。而对于无侧限抗压强度小于1 MPa的部分，主要原因是在施工过程出现少量的浆液浮出，造成浆液在桩身外面的部分松散，而本应处于桩体的浆液含量降低，最终造成强度下降。

图2 桩身标贯数沿深度分布图

从图2可知，桩A和桩B两个代表桩除了在深度为1 m处的标贯数较低外，其他深度各点处的桩身标贯数均大于30次，表明桩身强度质量良好。而在深度为1 m左右处标贯数较低的原因是钉型搅拌桩在浅部扩大口，该过程在施工时不能够提供足够的侧压力从而造成浆液扩散和流失，最终使得该处的水泥浆量减少，强度也随着降低，标贯数次数较少。

4.2 沉降效果分析

从沉降效果分析的思路是，先根据测量数据绘出沉降-时间（s-lgt）关系曲线确定各代表桩的极限荷载，再由各桩对应的荷载-沉降（Q-s）关系曲线确定在极限荷载下的累计沉降量，进而评价钉型搅拌桩处理软基的效果。图3和图4分别为A桩的s-lgt曲线和Q-s曲线图。

图3 A桩的沉降-时间（s-lgt）曲线图

图4 A桩的荷载-沉降（Q-s）曲线图

从图3可知，随着时间的变化，桩体在荷载310～410 kN范围内的沉降没有巨大的变化，较为均匀且稳定，但是当逐级加载至460 kN时，桩体的沉降量在lg（80 min）以后的沉降量剧增，表明施加的荷载超过了桩体的极限荷载值，故取得桩体的极限荷载为410 kN。结合图4可知，当极限荷载为410 kN时，对应的累计沉降深度约为3.41 mm。

同理，图5和图6分别表示B桩的s-lgt曲线和Q-s曲线图。

图5 B桩的沉降-时间（s-lgt）曲线图

从图5可知，随着时间的变化，桩体在荷载360～460 kN范围内的沉降没有巨大的变化，较为均匀且稳定，但是当逐级加载至510 kN时，桩体的沉降量在lg（87 min）以后的沉降量剧增，表明施加的荷载超过了桩体的极限荷载值，故取得桩体的极限荷载为460 kN。结合图6可知，当极限荷载为460 kN时，对应的累计沉降深度约为4.12 mm。

综合A桩和B桩两个代表桩体的荷载-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3.41 mm和4.12 mm，表明采用钉型搅拌桩处理软基效果明显。

图6 B桩的荷载-沉降（Q-s）曲线图

5 结语

从工程实例出发，为解决道路工程中软土地基道路工后沉降较大的问题，采用钉型搅拌桩法进行处理，分别从加固机理、方案设计、现场试验及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3.41 mm和4.12 mm，沉降量显著降低，符合规范设计要求。在针对不同工程采用该法时，要结合具体地质条件及其他条件要求具体分析，以便达到最佳效果。