钉型搅拌桩加固铁路软土路基分析

朱兴运 陶明安

中国铁路设计集团有限公司， 天津 300308

钉型搅拌桩是复合地基在加固体结构优化方面发展出的一种土体置换变截面桩基础［1］，作为一种新型地基处理方式在公路、机场软土地基和含水率较大的泵站、冲积平原区［2-4］被广泛使用，但是在铁路软土路基中的应用还比较少。

《新时代交通强国铁路先行规划纲要》已经明确了2035 年全国铁路运营里程将达到20 万公里左右，其中高速铁路里程7 万公里左右，铁路工程建设任务仍然很重。而在软土地区进行工程建设时必然面临软土地基承载力不足、地基沉降量大等问题，需要进行地基处理。

使用水泥搅拌桩对软土地基进行处理的方法在我国已有三十余年的发展历史［5］，在长期大量的工程实践中发现传统水泥搅拌桩存在均匀性差、桩体强度低、容易冒浆、有效加固深度受限、施工效率低等问题。国内外学者和工程技术人员对其做了大量的研究工作。

卞保宽［3］在苏北某铁路项目上提出了一种钉型搅拌桩承载力及工后沉降的计算方法以及在深厚软土地基中钉型搅拌桩的设计思路。王弛等［6］在处理深厚软土路基时，讨论了采用混凝土芯水泥土搅拌桩的加固效果、荷载分布与传递规律。易耀林等［7］在现场试验的基础上分析研究了钉型搅拌桩设置扩大头后对单桩承载力及桩侧摩阻力的影响，提出钉型搅拌桩扩大头设置高度存在最优解。李云霄［8］为了解决道路工程中遇到软土地基如何降低工后沉降的问题，采用了钉型搅拌桩的设计方案，从设计方案、现场试验和工程监测等方面进行研究，发现使用钉型搅拌桩可以有效控制工后沉降。郑刚等［9］通过模型试验和轴对称有限元、无穷元耦合分析，研究了基础、桩长和垫层对水泥搅拌桩复合地基荷载传递的影响。段继伟等［10］系统分析了水泥搅拌桩的荷载传递规律，并在现场进行了足尺原位试验，并提出桩体的变形、轴力和侧摩阻力主要分布在临界深度以上部分桩体，超出临界深度后作用较小。王清林［11］研究了东门渡节制闸建基面持力层使用钉型搅拌桩进行地基处理的情况。顾素恩等［12］研究了变截面双向水泥搅拌桩在机场软土地基中的应用，并发现变截面双向水泥搅拌桩具有较好的地基承载能力，且其工后沉降满足要求。阮波等［13］通过对水泥砂浆桩的无侧限抗压强度进行试验，分析了掺砂量和养护龄期对水泥砂浆桩强度的影响。曹洋等［14］使用ABAQUS 有限元软件分析了群桩条件下的桩身轴力、弯矩和剪力，评价了单桩的加固效果。

综上，对于钉型搅拌桩的系统性研究仍然较少，可供查阅的资料较少。本文以某铁路工程为背景，从理论计算、数值模拟、现场试验三个方面系统性展开钉型搅拌桩对铁路路基沉降控制的研究，同时增加水泥土搅拌桩、双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩等传统桩型的横向对比分析研究，在实际工程应用上具有较好的参考价值。

1 工程概况

1.1 工程地质情况

本文研究的路段位于某铁路工程DK338 + 200—DK338 + 400 段，线路以路堤填方通过，线路中心最大填高6.81 m，边坡最大高度6.02 m。各土层基本物理参数见表1。

表1 各土层物理力学参数

1.2 工程设计方案

路堤基床表层填筑0.5m 厚级配碎石和0.1 m 厚的中、粗砂，并于中粗砂中间全断面铺设一层复合土工膜（600 g/m2）；基床底层上部填筑改良土，厚0.5 m，基床底层下部填筑C 组土并加强碾压，厚1.4 m，基床以下填筑C组土，路基横断面如图1所示。

为对比钉型搅拌桩相对于传统桩型的技术优劣性，本文在该路段内设计4 种桩型，处理深度均为12 m，正方形布置，地基处理设计方案见表2。

表2 各土层物理力学参数

2 理论计算与数值模拟

2.1 理论计算

2.1.1 加固区沉降量计算

加固区沉降采用复合模量法［15］计算，依据各向同性均质线性变形体理论，按式（1）计算。

式中：s为地基最终变形量；s'为按分层总和法计算出的地基变形量；n为划分的土层数；Ecsi为基底第i层土的复合压缩模量；p0为路堤基底附加应力；zi为第i层土深度；zi－1为第i-1 层土深度；分别为路堤基底计算点至第i层土、第i-1 层土底面范围内平均附加应力系数；ψs为沉降计算经验系数，见表3。其中为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，计算式为

表3 沉降计算经验系数ψs

式中：Ai为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分。

复合模量Ecs可通过面积加权平均法确定，即

式中：m为桩土体积置换率；Ep为桩体压缩模量；Es为土体压缩模量；Vp为桩的体积；V为桩周复合土体单元体积。

由于钉型搅拌桩是变截面，Vp等于上部桩体积与下部桩体积之和。本文取附加应力与自重应力比为0.2的深度作为计算土体深度。

2.1.2 下卧区附加应力计算

依据Boussinesq［15］理论，在条形荷载作用下，地基中心点下任一点深度z处的附加应力（σz0）计算式为

式中：αz0为地基附加应力系数；p为条形均布荷载；n0为地基中心点下任一点深度与条形均布荷载宽度的比值，n0=z/b，b为条形基础底边宽度。

作用在下卧层顶面的荷载计算式为

式中：σz为下卧层顶面的荷载平均应力；B为复合土体上加载宽度；L为复合土体上加载长度；h为加固区深度；θ为应力扩散角。

下卧层荷载分布如图2 所示。其中pb是加固区深度h处的均布荷载。

图2 下卧层荷载分布

梯形路基本体下地基土中附加应力可看作均匀分布条形荷载和三角形分布条形荷载作用下土中应力。均匀分布条形荷载作用下土中应力（σu）和三角形分布荷载作用下土中应力（σs）计算式为

式中：αu为矩形面积上条形均布荷载作用下的竖向附加应力系数；n1为条形均布荷载长度与条形均布荷载宽度的比值；m1为计算点距离桩端平面垂直距离与荷载均布宽度的比值；αs为矩形面积上三角形分布荷载作用下的竖向附加应力系数。

取附加应力与自重应力比为0.2确定压缩层计算厚度，应用以上公式计算得到各个桩型沉降量的理论计算结果见表4。对比4种桩型地基沉降计算结果，发现钉形桩地基处理效果最好，其次是水泥砂浆桩和双向水泥搅拌桩，常规水泥搅拌桩效果最差。

表4 各桩型总沉降量

2.2 数值模拟

采用总刚度等效原则［16］将模型简化为二维进行计算。本次数值模拟计算了4种桩型在同等荷载作用下路基沉降及水平位移。

经计算，数值模拟所得不同桩型地基处理后路基沉降规律与理论计算结果一致。不同桩型地基沉降量见图3。可知：路基中心到两侧的地基沉降量逐渐减小，到坡脚以后，这种递减趋势逐渐减弱。地基总体最大沉降量由小到大依次为钉型搅拌桩、双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩、常规水泥搅拌桩，其中水泥砂浆桩与双向水泥搅拌桩的沉降量基本相等。地基处理后，土体沉降量明显得到控制，以钉型搅拌桩为例，地基处理后沉降量为98.92 mm，而未加固处理时地基沉降量为131.2 mm，沉降量减小了24.6%。

图3 不同桩型地基处理后沉降量（单位：m）

不同桩型下地基水平位移见图4。可知：复合地基最大水平位移一般发生在路堤坡脚附近。从整体水平位移量控制效果看，常规水泥搅拌桩、钉型搅拌桩、双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩的最大水平位移分别为44.5、17.5、43.8、44.7 mm，钉型搅拌桩对水平向位移的控制效果最好，其余3 种地基处理方式下地基水平位移控制效果相近。

图4 不同桩型地基水平向位移（单位：m）

3 现场试验

3.1 试验布置

本试验在不同桩型试验段埋设了分层沉降计，用于观测不同桩型下加固区桩底及地基各地层的沉降量差异。在线路中心埋设沉降板，观测地基表面的单点沉降量；在实测之前对传感器进行标定，确保传感器读数在合理范围内。在地基处理完成后路堤填筑前，在观测断面左侧坡脚处（地基处理范围外2.0 m）埋设定点式测斜仪，埋设深度至理论计算压缩层底部以上10 m。地面以下1 m 处以及沿深度每3.0 m 布设一个传感器，固定于被测体预埋好的测斜管内，控制其斜度不大于l°，观测路堤填筑过程中及填筑完成后水平变形。同时还选取不同桩型的岩心样进行了单轴压缩试验。

3.2 试验结果

3.2.1 试验桩体力学性能

对4 种桩型12 根桩不同深度的桩身芯样进行无侧限抗压强度平行试验，试验结果见图5。可知：各桩型桩身上部强度明显高于下部，桩身强度由上至下呈递减趋势，桩身强度由高到低依次为双向水泥搅拌桩、钉型水泥搅拌桩、水泥砂浆桩、常规水泥搅拌桩。

图5 各桩型单桩芯样抗压强度

根据复合地基载荷试验结果，以常规水泥搅拌桩为基准，按照桩土置换率折算后，对于复合地基承载力特征值，常规水泥搅拌桩为187.5 kPa，钉型搅拌桩为210.4 kPa，双向水泥搅拌桩为225 kPa，水泥砂浆桩为260.7 kPa。

为综合比较不同桩型的加固效果，本文使用桩基加固有效性系数（κ）反映各种桩型的综合性能，具体表现为系数越高，单桩承载能力越高，加固范围越广，水泥用量越少。桩基加固有效性系数与水泥用量成反比，与单桩极限承载力和加固影响区面积成正比，κ的计算式为

式中：ξ为综合相关系数；Q为单桩极限承载力；S为加固影响区的面积；V水泥为水泥用量。

各桩型单桩承载力指标以及桩基加固有效性系数的计算结果见表5。

表5 各桩型单桩承载力指标性结果

由表5可知：4种不同桩型中钉型搅拌桩的综合性能最好，依次是水泥砂浆桩、双向水泥搅拌桩，常规水泥搅拌桩综合性能最差。以常规水泥搅拌桩为基准，按照桩土置换率折算后，对于单桩承载力，常规水泥搅拌桩为315 kN，钉型搅拌桩为786.0 kN，双向水泥搅拌桩为405 kN，水泥砂浆桩为608.8 kN。钉型搅拌桩由于上端桩径较大，桩端阻力和侧摩阻力均较大，因此单桩承载力最高。

3.2.2 位移变化试验结果

分层沉降计测得各层沉降情况，见图6。可知：整个压缩层范围内没有出现过大沉降的土层，整体沉降比较均匀。钉型搅拌桩、双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩及常规水泥搅拌桩的地基总沉降量分别为100.7、107.0、113.2、124.0 mm，其中加固区沉降占总沉降的比例分别为48.0%、50.5%、62.1%、49.5%。

图6 各桩分层沉降曲线

综上，钉型搅拌桩的加固效果最好，依次是双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩，常规水泥搅拌桩加固效果最差。

监测过程中4 种不同桩型水平位移变化情况见图7。可知：常规水泥搅拌桩、钉型搅拌桩、双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩的最大水平位移分别为30、13、45、12 mm，钉型搅拌桩与水泥砂浆桩的水平位移控制效果较好，主要在于钉型搅拌桩的上部桩体直径较大和水泥砂浆桩整体刚度较强，控制了应力的水平方向的传递，从而限制住了不同深度土体的水平向位移。与其他3种桩型相比，钉型搅拌桩更加节省材料，可节约工程造价。从整体位移水平上可以发现，上部土体水平位移较大，而随着深度的不断增大，土体的水平位移趋势在不断减小。

图7 不同深度下各桩水平位移情况

4 结论与建议

本文从理论计算、数值模拟、现场试验三个方面对比分析了钉型搅拌桩与其他桩型在单桩承载力方面和控制工后沉降方面的优劣。主要结论如下：

1）4 种桩型复合地基的沉降控制效果从好到差依次为：钉型搅拌桩、双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩、常规水泥搅拌桩，其中钉型搅拌桩的加固效果最好。相同水泥用量条件下双向水泥搅拌桩单桩承载力最高，当考虑钉型搅拌桩桩顶扩大头的作用面积后钉型搅拌桩的单桩承载力最高，对整个工程而言可节约水泥用量。

2）数值分析结果和现场试验数据均表明钉型搅拌桩水平位移控制效果较好。原因主要在于钉型搅拌桩的上部桩体直径较大，有效控制了水平方向的应力，从而限制了不同深度土体的水平向变形。从整体位移水平上看，各桩型上部土体水平位移较大，而随着深度的不断增大，土体的水平位移趋势在不断减小。

钉型搅拌桩提高地基承载能力是由于变截面位置设置于较好的地层中，起到了桩端承载的作用，在实际施工过程中，变截面设置的位置应充分考虑地层性状，合理设置才能达到最好的效果，既节省投资，又能够有效控制工后沉降。