新型搅拌水泥复合桩设计及计算初探

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　　摘要:抗剪强度和承载能力不高是软弱地基的特点,对建筑物的安全使用产生威胁。而搅拌水泥复合桩可以有效减小沉降量,增加软土地基的承载能力,能承受较大的加荷速率,受到软基处理工程的普遍欢迎。本文从搅拌水泥复合桩的机理入手,对搅拌水泥复合桩的施工、设计、以及计算作进一步的探讨,为搅拌水泥复合桩进一步推广提供参考。
　　
　　1. 搅拌水泥复合桩机理
　　大量的试验资料可以知道,令工程人员最头痛的问题是搅拌水泥复合桩的施工管理,桩土共同工作是一个复杂的过程。怎样设计容易达到实际成桩效果这样话题引发人们对能不能普遍应用搅拌水泥复合桩的讨论。搅拌水泥复合桩成桩机理也很简单,一般来说是通过深层搅拌机械在地层深部工作,就地将水泥和软土强制拌和。随着时间的推移,水泥逐渐凝固。桩尖以上或者是桩尖土体中,使软土硬结形成高强度的水泥土而提高地基强度。随时间不断发生的固结和流变,一方面可以迫使土中的应力状态不断变化,同时,别一方面也可以迫使桩端和桩侧阻的不断变化,最严重的还有可能迫使承台与承台下的土面脱开。深层搅拌加固体的形状可以分成两种类型,分别是柱状壁状格栅状和块状,作为深基坑开挖的围护档墙防渗帷幕块状,其加固体形式多用于软土加固的搅拌水泥复合桩壁。状格栅状加固体形式多用于上部结构单位面积荷载大不均匀沉降控制严格的构筑物地基。根据场地工程地质条件,以及充分考虑到上部结构荷载的特点和要求,还有水泥土桩的受力状态,确定基坑工程围护挡墙防渗挡,淤泥帷幕的材料是用深层搅拌桩形成的水泥土加固体。柱状加固体对于饱和性土和淤泥质土、粉质土的处理效果显著。处理后,可以快速投入使用,成桩时间比较短,而且对桩体周围地基进行加固。还有一个更突出的优点,就是在施工中无噪音无振快动,并且施工安全可靠,投入成本低,在软土地基处理中得到普遍运用。
　　2. 搅拌水泥复合桩施工
　　2.1搅拌水泥复合桩工艺及材料的选择
　　按照设计要求,计算好每米水泥土中水泥含量是选定合适的搅拌水泥复合桩施工工艺的前提和基础。同时,在此过程中,还需要根据现场选择合适的施工工艺设备。搅拌水泥复合桩喷射加固材料的状态有两种方法,分别是粉体搅拌法干法和浆液搅拌法湿法。通过这两种施工方法,分别可以得到两搅两喷或者四搅四喷等拌水泥复合桩施工机械及材料型,电脑记录仪通常配在水泥深层搅拌桩机组搅拌水泥复合桩施工机械设备上,实现施工半自动化。现场应配备水泥浆比重测定仪,可以随时抽查检验水泥浆水灰比,观察是否满足设计的需要。为了以便于计量,还要求搅拌水泥复合桩采用合格的普通硅酸盐水泥一般水泥等级。在监理工程师的见证下,从施工现场随机取样将水泥的样品送有资质的检测单位检验经,检验合格的水泥才能用于工程。把握材料一半,确保设计理念得以贯彻。
　　2.2打设搅拌水泥试验桩
　　在工程施工前,选择一定的范围内搅拌水泥试验桩3根,通过成桩试验,以取得合适的施工技术参数及对配合比试验的验证,从而确定技术参数后,再进行施工。桩身上部三分之一范围内,要求进行两次搅拌,达到保证桩身质量目的。为确保成桩长度,还需要严格控制停喷时间、喷浆时间以及水泥喷入量。通过现场取土,再根据要求设计立方体抗压强度成桩试验,从而可以确定搅拌水泥复合桩的水泥掺入量。在设计中,根据对成桩完整性及外观进行检查,以及搅拌水泥复合桩承载力的测试,设计桩体最佳水泥喷入量为15.5%是最合适的。有利于工程施工顺利进行。
　　2.3 设计施工工序
　　在设计施工工序时,要充分考虑到工程地质资料,如地基土的成分、分层情况、有机物含量等。避免这些对搅拌水泥复合桩强度发生影响的因素。经多年的实践经验证明,在搅拌水泥复合桩施工工序设计中,以下的流程为行之有效的设计。
　　成桩之后,还需要重复搅拌提升至孔口,向集料斗注入适量热水,边搅拌,边提钻。提出搅拌钻头必须要满足到达桩顶时的条件。搅拌桩施工完成,并有关部门经检验合格后, 碎石垫层底需铺设土工格栅一道。这种做法是先凿除桩头至设计标高,再铺土工格栅一道,在施工前挖掉上部质量较差的桩头。
　　3. 搅拌水泥复合桩设计思路与方法
　　3.1搅拌水泥复合桩设计思路
　　进入二期工程阶段,微型钢筋混凝土灌注桩形成水泥砂土复合、粉喷桩结合微型砂桩等桩是很受欢迎的。对房基局部存在软弱层的,可以加大粉喷桩径、掺灰量。但是,根据施工需要,还有采用不同桩径、桩长的复合桩。而搅拌水泥复合桩设计思路主要有两种。第一,先打挤密砂桩在有软弱回填土部位,掺入量上部达20%的粉喷,隔打桩径为 700mm,复合水泥砂土桩和挤密砂桩及桩间土组成的搅拌水泥复合桩。第二,在有较厚的软弱淤质粉土层和杂填土的部位,先安排打砂桩。砂桩桩径Φ一般定为300mm,以穿透软弱土层的长度为桩长,最长不能超过6.50m。完成以上步骤后,把粉喷桩打在砂桩中心上,粉喷桩桩径一般长为6mm,置换率25%,桩长应当是深入持力层60ccm以上,用15%～20%的掺灰量。
　　3.2搅拌水泥复合桩设计方法
　　和结构设计一样,工程实用设计方法的基本概念必须同时满足变形条件和强度条件。这种方法是建立在大量的工程实践中,通过长时间加工,总结出来的基本概念的工程实用设计方法。搅拌水泥复合桩设计方法是以工程实用设计方法为基础,更有针对性地进行设计。因此,也需要满足变形条件和强度条件。这两个条件既有一定的联系,又是相对独立的。一方面,沉降条件必须用沉降计算的方法满足桩基础的沉降控制条件。另一方面,强度条件是以桩土共同工作的极限状态作为验算条件。强度条件和变形条件是搅拌水泥复合桩设计的基本原则。但是,在搅拌水泥复合桩设计中,常常出现桩基础沉降计算方法不可靠的现象, 比如缺乏沉降计算的地区经验系数,或者是说计算误差较大等等。这些都容易导致直接用控制变形的方法满足变形条件是相当困难的,因此,强度条件就可以发挥它的作用,而控制条件往往是常用的沉降条件转变过来的,对沉降计算的实际精度面临着更高的要求,但考虑桩土共同工作的桩基础都是由沉降条件控制的是有条件的,只有部分,而不是全部。把桩土共同工作考虑进来以后,满足强度条件只需要采用较少的桩。当不考虑桩土共同变形时,强度条件比较难以满足,桩基础沉降量较小,用桩量较大,这就使沉降条件显得更为重要。
　　4. 搅拌水泥复合桩下沉的计算
　　在搅拌水泥复合桩沉降计算从多的方法之中,比较常用的方法是把搅拌水泥复合桩的沉降分为地基固层压缩量S1和地基下卧层压缩量S2这两个部分。
　　4.1 地基固层压缩量S1计算
　　在算计的计算方法中,地基固层压缩量S1通常采用复合模量法。有时也采用应力修正法或者桩身压缩量法,但无论那一种方法,离不开地基的地质,作为像道路路基荷比较柔性的复合地基,刺入下卧层和柔性基础是搅拌水泥复合桩的趋势。采取措施,加固区的桩,把同时分开考虑地基加固层。当桩顶受到的荷载时,会通过桩端力和桩侧的摩阻力传递到复合地基中。这是一种很好的方法,它直观明了地反映搅拌水泥复合桩的刺入变形。在此,结合搅拌水泥复合桩的实际情况,针对柔性复合地基,提出了修正的桩身压缩量的计算方法。这种计算方法主要是把刺入柔性基础量△、桩身压缩量SP和桩体刺入下卧层量三者之和作为地基固层压缩量S1。
　　4.2地基下卧层压缩量S2计算
　　在工程实践中,常常会出现的地基总沉降,但整个过程,垫层的的压缩量和桩身的压缩量一般不大。复合地基产生较大沉降量的主要原因可能就是桩的刺入量和桩下土层的压缩量。桩下压缩层厚度和桩下土层压缩量所占的比例有着密切的联系,通常情况下是厚度越厚所占的比例就越大。所以,下卧层沉降的计算起到举足轻重的作用。通常都是采用分层总和法,在地基下卧层土层压缩量S2的计算应用比较广泛,下卧层附加压力的计算是讨论的重点。应力扩散法、改进的Geddes法、等效实体法、当层法等作为附加压力计算理论,然而并没有发挥这些方法的效用,原因在于没有考虑桩土之间的相互作用,桩侧摩阻力与桩端阻力引起土中任意一点的应力可以推算出地基的附加应力。
　　
　　参考文献:
　　[1] GB50007―2002建筑地基设计规范 [S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
　　[2]李向贵,潘宇雄. 搅拌水泥复合桩在处理复杂地基中的应用 [J].嘉应学院报,2005,23(3)
　　[3]中国建筑科学研究院. JGJ 7922002建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

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