变截面双向水泥土桩在箱涵深厚软基处理中的应用

■叶 琼

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

双向水泥土桩作为目前常用的软土地基加固方法，其采用同芯双轴竖杆正反双向同时旋转两组搅拌叶片，边喷浆边搅拌成桩。 与单向水泥土桩基本原理相同，双向水泥土桩通过搅拌机械边钻边往软土中喷射固化剂，就地将固化剂与软土进行混合搅拌，从而形成整体性好、强度高的水泥土主体，实现加固软土地基的目的[1]。 大量实践工程表明，该方法虽然具备加固效果好、施工工艺简单、适用性广等优越性，但也存在一定的不足，如桩径无法根据地基应力状态相应变化、不能充分发挥硬壳层自身强度、桩间距较小破坏了土体的天然结构[2]、以及桩间距较小导致的造价相对较高等。 因此，朱志铎等[3]从施工技术和复合地基思路方面进行了探索，对双向水泥土桩进行了进一步的改进，提出了变截面双向水泥土搅拌桩。 该方法能根据不同受力特性沿深度形成不同截面尺寸的桩径，大大提高了地基的承载能力。 并且可以根据实际工程需要，对桩身的任意部位进行变径，如在顶部扩大，则形成了类似锚钉形状的钉形水泥土桩；如为了充分发挥土体本身强度，重点加固土层中土壤特性最差的部位，则形成了变截面双向水泥土桩[4]。 目前针对变截面双向水泥土桩的现场试验、施工工艺、质量控制等方面的研究均取得了一定的成果。 杨俊杰等[5]通过室内模型试验探讨了变截面双向水泥土桩的抗压承载特性，通过对比等截面水泥土桩以及不同个数扩大盘的变截面双向水泥土桩，发现相较于直径相等的等截面桩，变截面双向水泥土桩承载力能够得到显著提高，并且其扩大盘的数量及间距对桩侧及桩端荷载分担值影响很小。 易耀林等[6]把钉形水泥土双向搅拌桩应用于苏州吴江的高速公路中，并对现场试验段进行对比研究，结果表明钉形水泥土双向搅拌桩处理后，复合地基承载力可达常规水泥搅拌桩的1.6 倍。 同时，研究表明，相较于等截面双向水泥土桩处理软土地基时有效加固深度一般不超过15 m，变截面双向水泥土桩由于其有效加固深度主要与施工机械水平有关， 其有效加固深度可达25 m，其主要适用条件[7-8]为：（1）适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、软粘性土及无流动地下水的松散砂土等软弱地基；（2）在处理泥炭土、有机质土、塑性指数大于25 的粘性土和具有腐蚀性的地下水时，必须通过现场试验确定其适用性后，方可采用；（3）桩长应根据变形要求进行确定，宜穿透软土层，适用于深厚软土地基的处理，但处理深度不宜超过25 m。 鉴于变截面双向水泥土桩的显著优势，本文依托福州市某市政道路实体工程， 拟对变截面双向水泥土桩在箱涵底深厚软基处理中的应用展开研究。

1 工程基本情况

1.1 工程概述

福州市某市政道路， 全长1.44 km， 设计时速50 km/h，红线宽度40 m，为双向4 车道的城市主干道，沿线共布置5 道涵洞。其中K1+131 处道路跨越现状8 m 宽水系， 根据周边汇水面积及现场调研，该处设置2 孔净跨径5 m，高2 m 的箱涵，能满足现场排水需要，箱涵总体布置如图1 所示。

图1 箱涵总体布置（单位：cm）

1.2 工程地质

拟建场地位于福州市马尾琅岐镇，地貌单元主要为剥蚀丘陵、冲海积平原，整体地势起伏不大。 场地地层结构及岩性特征自上而下分层描述如下：①素填土：褐黄、杂色，松散为主，局部稍密，稍湿～湿，主要成分为粘土， 局部含碎石等， 粒径约为3～10 cm，堆填年代＞5 年，硬杂质含量＞20%，成分杂、均匀性差。 ②淤泥：局部相变为淤泥质土，深灰色，饱和，流塑状态，含腐殖质，有臭味，局部含少量粉、细砂，摇振反应慢，捻面较光滑，有光泽，干强度及韧性中等， 属高压缩性软弱土层， 层厚约在10.0～19.60 m；③粉质粘土：浅灰色，稍密为主，局部松散、中密，饱和状态。 主要成分以细粉粒，石英颗粒为主，含有少量泥质，不均匀系数较大，级配不良，厚度约在10.80～36.60 m。 该层进行了标贯试验，其平均值为13.8（修正击数为10.5），范围值在7～24（修正击数为6.0～17.2）。

表1 地基土层物理力学性质指标

1.3 箱涵底深厚软基处理设计

根据箱涵结构设计计算， 涵底最大压应力为125 kPa，位于②淤泥层，其承载力基本容许值仅为40 kPa，无法满足要求，且淤泥深19.5 m，为深厚淤泥层，深度大于15 m。因此，本项目箱涵底软基处理采用变截面双向水泥土桩（图2），总桩长L=21 m，扩大头直径D=100 cm， 高度H=4 m， 下部直径d=60 cm，桩间距S=2.2 m，平面采用三角形布置（图3），桩体水灰比为1∶0.55，28 d 桩体强度≥1.5 MPa，根据钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程（苏JG/T024-2007）[8]， 计算得单桩承载力特征值为342 kN，复合地基承载力特征值为135 kPa，满足涵底最大压应力要求。

图2 变截面双向水泥土桩结构示意图

图3 变截面双向水泥土桩平面布置图

2 现场试验

2.1 单桩复合地基承载力试验

基于《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）[9]进行单桩复合地基承载力试验， 荷载板采用1680 mm×1680 mm 正方形钢板，试验加载等级分8 级，每级荷载增量为63.2 kN，图4 为箱涵底左右幅及路中3 个点的p-s 曲线。

图4 变截面双向水泥土桩应力-位移变化曲线

试验过程中未出现沉降突变、荷载板周围土体隆起等异常现场，取s/b=0.006 所对应的压力，及沉降位移s=10.08 mm 对应的压力作为承载力特征值。特征值分别为138、136、158 kPa，以上承载力特征值均大于涵底最大压应力125 kPa。

2.2 芯样强度试验

龄期28 d 后对箱涵底变截面双向水泥土桩进行了取芯试验，如图5 所示。 同时对芯样进行无侧限抗压强度试验， 得到不同深度芯样的28 d 无侧限抗压强度，如图6 所示。

图5 变截面双向水泥桩现场取芯

图6 不同深度芯样28 d 无侧限抗压强度

现场取芯结果显示，变截面双向水泥土桩的桩身完整性、取芯深度、水泥土固结程度均较好，并达到设计要求，表明变截面双向水泥土桩由于具有双向搅拌的特点，较好地解决了一般水泥搅拌桩深层处理不到位、成桩不理想、取芯不完整等问题。 同时，芯样28 d 无侧限抗压强度均＞1.5 MPa，满足设计要求。 从桩体不同深度的芯样强度来看，0～4 m范围内 （上部扩径深度）qu平均值为1.89 MPa，5～15 m 范围内（中部深度）qu平均值为1.87 MPa，16～21 m 范围内qu平均值为2.16 MPa。由此可见，深度范围内的桩体强度比上部扩径及中部深度范围内都大，主要原因可能是现场施工时，在判断桩体是否进入持力层时下降较缓，同时桩端到位后又保持喷浆10 s 以上， 超过了其他深度范围内的水泥掺量。 由此可见，变截面双向水泥土桩的桩体强度的均匀性较好， 也保证了深度范围内桩体的质量，较好地发挥了整桩共同受力的效能。

3 经济效益

由前文可知， 采用变截面双向水泥土桩时，总桩长L=21 m，扩大头直径D=100 cm，扩大头高度H=4 m，下部直径d=60 cm，采用三角形布置，桩间距S=2.2 m。 为了对比变截面和等截面水泥搅拌桩的经济性，控制两者条件（仅桩间距不同）相同，进行桩的设计和成本计算 （按软基处理面积为4000 m2），具体对比如表2 所示。

表2 不同软基处理方案的经济性对比

由表2 可知， 相较于等截面双向水泥土搅拌桩，变截面双向水泥土桩在进行深厚软基处理时具有显著的经济优势。 这是因为在相同地质条件下，由于扩大头的存在，变截面双向水泥土搅拌桩无论是单桩承载力和还是复合地基承载力均有显著提高，所以其桩间距可适当增大，相同面积所需要桩的数量相应减少，从而降低工程总造价。

4 结语

本文依托福州市某市政道路，分别从复合地基承载力、桩身强度及经济效益等方面，对变截面双向水泥土桩在箱涵深厚软基处理的应用效果进性研究，得出以下结论：（1）变截面双向水泥土桩由于具有双向搅拌工艺及扩大头的存在， 桩身完整性、强度及承载力得到大幅度地提高，特别是深度范围内桩体的质量整体较好。 （2）相较于等截面双向水泥土搅拌桩，变截面双向水泥土桩在进行深厚软基处理时，可适当增大桩间距，具有显著的经济优势。（3）建议现场可根据不同地质层特点，选择在不同深度范围内进行扩径来对土体进行加固，以拓展变截面双向水泥土桩的应用。