软土地区公路路基工程中陀螺桩结合排水固结法施工技术研究

摘要 针对软土地区公路路基工程中大沉降量及应力分布问题，文章研究了陀螺桩结合排水固结法施工技术。该技术采用分层浇筑方式对陀螺桩桩身进行浇筑，并在桩间填充碎石，捣固后焊接连接网，形成整体。通过联合预压加固施工，在正负压耦合作用下加速软基土体中水体排放，实现沉降量内部与外部变形的抵消，从而达到更好地加固效果。测试结果表明，该技术能够有效减少地基沉降并改善应力分布水平，使得沉降量在0.3 mm以内，应力值保持在3.5 kPa范围内。以上结果均说明，文章设计的陀螺桩结合排水固结法施工技术具有明显优势，可用于解决软土地区路基工程中的施工难题。

关键词 软土地区；路基工程；陀螺桩；排水固结法

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0096-03

0 引言

在现代化社会飞速发展的背景下，软土地区的公路路基工程建设项目呈现出多样化的形式[1]。然而，软土的低强度特性也给公路路基工程施工带来了潜在的安全隐患。为了应对这一问题，采用软土加固方法显得尤为重要。陀螺桩复合地基作为一种有效的加固手段，具备较大的扩散角，能够实现应力的均匀扩散，提高承载力水平，进而控制沉降范围。在面对不均匀沉降现象时，陀螺桩的应用还能减轻建筑荷载重量，防止不均匀沉降的发生。

此外，为了进一步提高软土地基的稳定性，采用合理的排水通道设置以增加土体的固结程度显得至关重要。这种措施有助于排出土体中的水分，增加土体的密实度，并提升整体稳定性。同时，通过优化路基维护措施和控制材料质量，可以降低工程造价，实现经济效益的最大化。

然而，目前常用的排水固结法存在施工周期长、工艺复杂等缺点，这可能对路基施工质量造成一定影响，并导致结果无法达到预期[2]。因此，针对软土地区公路路基工程中的陀螺桩结合排水固结法施工技术进行深入研究和分析显得尤为重要。

1 工程概况

依托工程为某软土地区公路路基工程的第5标记段R匝道KG12+241～KG12+257陀螺桩试验段。根据勘测信息来看，上覆地层试验桩主要为单桩，土质为淤泥质粉质黏土，下层为素填土。试验段两层软土发育，一层厚度为3.5 m，侧摩阻力为40 kPa。软土层含腐殖质，分布长度范围为250 m。

布置4×4根单层直径为25 cm的陀螺桩基础进行有限元计算。在计算模型中需考虑土体的塑性特性，选择弹塑性模型D-K模型对陀螺桩基础整体结构进行有限元分析。

2 陀螺桩结合排水固结法施工技术

2.1 陀螺桩设计制备

在试验段中进行陀螺桩的预制工作，使用与桩型一致的胎具，确保陀螺桩的准确性和一致性。陀螺桩采用C30混凝土进行预制，确保桩身坚固耐用[3]。在桩内预先埋入接入筋，使桩靴与下部形成整体结构，同时在上部铺设0.5 mm厚垫层作为纵向排水通路，以确保排水效率。采用直径5 cm的袋装砂井进行填充，平均处理深度为6 m。桩上圆板直径为235 mm，樁脚高度为154 mm，桩身间补偿3～30 mm大小的碎石，以增加桩身的稳定性和承载能力。在陀螺桩中布设HB4d20钢筋网，并使用不同方向上的带肋钢筋进行加强，提高桩身的抗震能力和承载性能。所有外露钢筋需在表面涂沥青，以进行有效的防腐防锈处理，延长陀螺桩的使用寿命。使用JIR5210普通硅酸盐水泥和粒径在30～50 mm的石灰岩碎石进行骨料选择。搅拌用水应为对陀螺桩混凝土无害的水质，确保混凝土的质量和强度。使用RB40级、直径为13 mm钢筋作为接入筋，呈倒三角形布置，间距为2 m，以增强陀螺桩的连接性能。同时，采用塑料材质的桩靴，使陀螺桩混凝土块能够保持良好的特性，并确保与土体的有效接触。

陀螺桩块应在金属模板内成型，使接入筋和桩靴形成整体结构。安装后需仔细进行固定，确保陀螺桩的稳定性和垂直度。在制备过程中，需注入混凝土浆液，并使用振动机进行振动注入，确保混凝土的密实性和均匀性。定期进行洒水养护，保持适宜的湿度环境，促进混凝土的早期强度发展。在填土过程中，采用薄层加载的方式进行填土，填土高度应确定在2.4 m。填土速度控制在32 cm/d，以确保填土过程中对陀螺桩的影响最小化。同时，加强对地表土体的观测，及时调整桩角位移至3 mm以内，保证陀螺桩的稳定性和施工安全性。

2.2 陀螺桩施工

将预制好的陀螺桩应用于软土地区公路路基工程施工中，采用塑料固结模板进行整体浇筑，内部预埋37号螺纹钢管，确保其直径为12 m。在浇筑过程中，采用分层浇筑方式，首层使用R1型振捣棒对桩脚进行振捣，严格控制接入筋位置；第二层浇筑至陀螺桩顶面[4]。在袋装砂井处理后的垫层中布置陀螺桩，检查垫层厚度，计算压实度，并进行抹平处理。待平整后，将桩脚插入钢筋围成的方形区域，其余部分填充碎石，确保密实度达97%。压实过程中，需用力踩压碎石并用振捣棒捣固，直至表面无凹陷。填充后，碎石平面与桩体表面应达到水平线，陀螺桩铺设边缘整齐无破损，桩身不得有裂缝。若存在倾斜，需控制倾斜范围在2%以内[5]。在已压实的路基上，使用螺旋钻钻出桩靴导孔，铺设陀螺桩混凝土块，填充部分碎石，再焊接一层保护网，使所有桩块形成整体。在保持桩块强度和钢筋骨架完整的前提下，对切边的桩块进行适当切块处理[6]。整个施工过程需严谨细致，确保施工质量及安全。

2.3 联合法排水加固特性分析

应用陀螺桩结合排水固结法进行联合预压加固施工[7]，软基施工过程如图1所示。

在真空负压与土体正压的联合作用下，软基土体中的水体加速排放，水压力消散能力得以增强。这种联合加固方式在预压处理中表现出色，实现了良好的处理效果。在软基加固过程中，根据应力变化，土体在相同真空荷载作用下呈现等向固结特性，而较深层土体则表现为一层固结。当真空荷载超过土体自身土压力时，加固部分产生位移，引发土体内部形变，进而导致地基土体沉降。地基土体形变而产生的沉降量的计算公式为：

（1）

式中，p——水位深度；c——土体的有效黏力；k——土体的土压力系数；a——土体重度。在真空作用带中，对路基土体位移值进行精确计算。根据所得的位移值，可以判断地基土体的变形程度。再运用陀螺桩联合方式对软土地基进行针对性处理，有效抵消内部与外部变形，避免单一预压对土体变形的不利影响。通过这一综合方法，可实现更佳的加固效果，提升软土地区公路路基工程的稳定性与安全性。

3 实例分析

为了验证该文施工方法的应用性，在不同荷载条件下运用有限元模型计算陀螺桩沉降量结果，在相同荷载的条件下计算土体应力。预期当沉降量结果为0～0.35 mm，不同深度产生的应力值在0～3.5 kPa的范围内时为施工优化目标。为此针对该文提出的陀螺桩基础进行4次测试分析施工效果。

采用高精度参数单元对陀螺桩进行离散，为了使得计算结果更加精确需要在模型中对局部进行网格化。在实验过程中需要逐级施加荷载，在陀螺桩基础上长期保持荷载直到观测结束。根据实验室条件，运用上述模型进行计算，模型的参数设置如表1所示。

在有限元模型中，根据实际工程问题计算单元中的应力的公式为：

{R}=[T]{α}e （2）

式中，[T]——应变矩阵；α——应力参数。运用有限元进行应力计算与分析，能够精确确定结构变形程度与内力分布。

针对陀螺桩的应力应变特性，运用有限元数学模型，分别对不同荷载的陀螺桩基础进行有限元计算分析，得到陀螺桩基础在不同荷载中的沉降特征。根据有限元计算结果，得到4个小组在不同荷载作用下的沉降量结果，如图2所示。

由测试结果可以看出，在陀螺桩基础形式下，随着荷载值不断变化，4个小组的沉降量结果均在0.3 mm以内。在同等控制条件下，陀螺桩基础的最大承载力为0.064 MPa，是未处理地基的2倍。说明选择陀螺桩基础排水施工的方法能有效减少地基沉降，达到明显的抑制效果。根据上述分析，陀螺桩基础在抑制沉降过程中，能够提升地基承载力水平，使得加固效果更加明显。但是在特殊结构中需要计算在一定荷载下土体应力程度来验证陀螺桩基础的应用性。

所以，在有限元模型中，通过计算陀螺桩基础的应力分布，在荷载为0.02 MPa时，得到地基边缘以下土体的应力值结果如表2所示。

由表中数据可以看出，4个小组在荷载条件相同的情况下，不同深度产生的应力值均较小，始终保持在3.5 kPa以内。说明运用该文施工方法能够有效抑制地基沉降，土体应力分布较广且能够均匀地将上部荷载传递到下层土体中。同时，在边缘位置处的土体也能够保持应力不发生较大改变，使得陀螺桩施工后应力均匀分布水平得到改善。

綜上所述，运用该文施工方法能够有效抑制地基沉降，使得地基承载力水平得到提升。同时，在相同荷载和不同荷载的条件下，都具有较小的沉降量，应力分布较为均匀。路基在受到陀螺桩约束后，其地基的位移量也较原有的监测路段位移小，能够满足在不同地质条件下的高效施工要求。

4 结束语

该文通过对软土地区公路路基工程中陀螺桩结合排水固结法施工技术的深入研究，提供了一种有效的解决方案，以提高地基承载力和工程安全性。首先，该文介绍了工程概况，为后续分析提供了背景和基础。然后，详细阐述了陀螺桩结合排水固结法施工技术，包括陀螺桩的设计制备、施工过程以及联合法排水加固特性分析，为该方法的实际应用提供了理论依据和技术指导。该文施工技术有效地提高了地基承载力，同时缩短了工期，在降低施工难度的基础上，提高了整个工程的安全性。在今后的研究中，还应在软土地基中设置排水通道，实施排水固结法使地基能够进行排水固结，保证地基的稳定。

参考文献

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收稿日期：2023-11-27

作者简介：任延婷（1976—），女，本科，高级工程师，研究方向：交通工程。