钉形水泥搅拌桩处置软土地基及工后沉降预测

邵瑾琨

（中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡214028）

随着我国国家级干线公路网规划战略的提出，高速公路建设里程持续增长，交通事业总体上实现了持续、快速和有序的发展。于此同时，公路建设中各类工程技术难题也相继增多，软土地基就是其中之一。我国幅员辽阔，地形地貌复杂，软土地基在沿海地区广泛存在。软土地基强度低、压缩量高，处理不当将会对公路工程整体结构的稳定性带来极大危害。随公路工程施工水平和技术的不断创新，软土地基处置方式也不断更新和完善。其中，水泥搅拌桩由于其施工效率高、处置效果优异等显著优势，在复合地基在软土地基处理中得到了广泛应用[1-3]。本文针对依托工程中广泛分布的软土地基，采用钉形双向水泥搅拌桩进行加固，对其桩身强度、复合地基承载力进行检测，同时采用不同模型对其工后沉降进行预测，验证了使用钉形水泥搅拌桩处置软土地基的有效性及模型预测的准确性。

1 工程概况

某高速公路地处平原与丘陵之间，区域大面积分布软土及松软土层，在K243 + 400.00-K379+150.00 段以粉质黏土、淤泥质粉质黏土为主，地基共分3 层，不同层的土质参数如表1 所示。根据工程现场的地质调查结果，决定采用水泥搅拌桩对软土地基进行加固处理，起讫桩号K243+400.00-K379+150.00，搅拌桩均采用双向水泥搅拌工艺，搅拌桩呈正三角形不知，搅拌桩设计参数如表2 所示。

表1 不同路基土层软土物理参数

表2 搅拌桩设计参数

2 钉形水泥搅拌桩施工工艺

钉形水泥搅拌桩施工流程如图1 所示，其中喷浆切土下沉及提升搅拌为关键环节，在切土下沉时完成后需要收缩搅拌机叶片进行提升，目的为改变旋向保证充分搅拌。最终完成扩大头部位施工后，继续提升钻机至超过桩顶标高50cm 后方可停止搅拌叶片运转。

图1 钉形水泥搅拌桩施工流程图

3 成桩质量监测

除需严格把控施工过程中的各项指标外，依据《公路工程水泥搅拌桩成桩质量检测规程》（DB32/T 2283-2012），成桩28 天后还需对桩体强度、复合地基承载力等指标进行检测，确保其处置效果达到要求。

3.1 桩身强度

待达到规范要求的养护龄期后，依据《土工试验方 法 标 准 》GB/T 50123-2019，在现场通过钻芯取样法钻取搅拌桩芯样，芯样必须完整且连续，芯样长度为10-30cm。待取完芯样后，将其密封包装好至试验室测试28d 无侧限抗压强度，选取5 根待测桩体进行检测，每根桩体钻取5 个芯样，无侧限抗压强度取其平均值，检测结果如图2 所示。分析检测数据可知，5 根检测桩体28 天无侧线抗压强度均达到规范值（1.0MPa）以上，说明成桩质量良好，达到规范使用要求。同时，为评价桩身均匀性，计算5 根检测桩体不同深度处桩身强度的标准差，结果见图3 所示。分析数据可以看出，5 根桩体的强度标准差均小于0.1，说明不同深度处强度测试数据离散性较小，反应了整体桩身稳定性及均一性优异。

图2 桩体无侧限抗压强度检测结果

图3 桩体无侧限抗压强度值标准差

3.2 复合地基承载力

参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）对复合地基承载力进行检测，检测方法为现场载荷试验。试验过程中，测试每一次加载时荷载板的稳定沉降量，加载次数一般为8-10 次，当测试区域的土体被明显挤出或者承压板四周隆起，同时沉降量猛增时即可停止试验。根据测试得到的压力值及对应的沉降值试验结果绘制压力-沉降（Q-S）曲线及其对数曲线，如图4所示。根据Q-S 曲线可以判断，当加载超过160KN 时，1-1、1-2、1-3 断面处的Q-S 曲线开始陡降，说明此时为极限荷载，而1-4断面处Q-S 曲线陡降起点为180KN，因而其复合地基承载力值为180KN。通过lgQ-S 同样可以推断出四个断面处的复合地基承载力极限值。现场测试的复合地基承载力值均高于设计值，满足设计要求。

图4 现场荷载试验结果

4 基于曲线模型及BP 神经网路模型的工后沉降预测

预测处置后的软土地基在使用过程中的永久变形(工后沉降) 对于软土地基处置设计及保证后续地基稳定性均有重要影响。采用基于曲线拟合的双曲线法和星野法来预测软土地基的工后沉降在工程中得到广泛应用。其中，双曲线法是一种经验方法，计算简单，实用性较强，它假定软土地基下沉的平均速率以双曲线形式减少，双曲线法计算的沉降量s 与时间t 的关系见图5。计算公式如下：

式中：St为t 时刻的沉降量，S0为初期沉降量，α、β 为系数（求解过程见图6）。

采用星野法预测沉降的基本原理在于工程总沉降值与沉降时间的平方根呈现正比关系，星野法沉降预测公式为：

图5 双曲线s-t 关系[4]

图6 双曲线α、β 参数确定模型[4]

式中，St为t 时刻的沉降量，S0为初期沉降量，A、K 为待定系数。

星野法预测沉降量的步骤为：（1）根据现场实测沉降值绘制(t-t0)/(St-S0)2与(t-t0)的关系曲线；（2）根据线性关系曲线求取A、K；（3）将系数代入公式进行沉降量计算。采用双曲线法及星野法计算的沉降量与实测沉降量结果见表3 所示。

表3 双曲线法与星野法沉降量预测结果与实测值对比

分析双曲线法和星野法的误差值可以看出，采用双曲线法计算得到的沉降值偏大，平均误差值为7.28%，而采用星野法预测的沉降值与实测值相差较小，其误差值也较小，平均误差仅为1.36%，因而采用星野法预测沉降值更为准确。

软土地基的沉降受到诸多因素如地质条件、气候环境等的影响，沉降随时间的变化关系复杂，很难仅用数学函数关系表示。神经网络模型在处理非线性问题中有独特的优越性，它能将传统的函数关系转变成为高维的映射，因而近年来用BP 神经网络模型预测地基沉降已经成为研究热点，诸多研究成果表明其预测结果良好。参考尹利华[5]建立的基于BP 神经网络的软土地基沉降预测模型对水泥搅拌桩的工后沉降进行预测，网络模型见图7 所示。这一模型的网络输入层参数多样，涵盖了影响地基沉降的诸多共有因素。模型设置了8 个网络输入层，13个隐含层和1 个最终输出层。

图7 基于BP 神经网络的软土地基沉降预测模型

借助MATLAB 软件，通过输入参数计算不同断面处的沉降值，预测结果与实测结果对照见表4 所示。可以看出，实测的沉降量与预测沉降量最大误差仅为3.62%，平均误差为2.07%，明显小于双曲线法预测的误差值，且预测结果稍偏大，对工程安全有利，总体说明采用BP 神经网络模型可较好预测软土地基沉降值。

表4 BP 神经网络模型参数及沉降预测结果

综上，采用星野法及BP 神经网络法均能较为准确地预测工后沉降，因此拟采用以上两种方法对15 年后的工后沉降值进行预测，验证其是否满足工后沉降标准，预测结果见表5 所示。

表5 15 年工后沉降预测值

5 结论

5.1 采用钉形水泥搅拌桩处置软土地基效果良好，其桩身强度及复合地基承载力检测值均达到设计要求；

5.2 双曲线法预测工后沉降值较实际沉降监测值偏大，误差值远高于采用星野法及BP 神经网络模型的预测误差值；

5.3 采用星野法及BP 神经网络模型对15 年后的工后沉降进行预测，结果符合规范要求，再次验证钉形水泥搅拌桩处置软土地基的可靠性。