水泥搅拌桩复合地基设计探讨

来源:用户上传      作者: 卢爱花

　　一．概述
　　
　　目前国内应用于软土地的地基技术，大多数属于复合地基，其中水泥搅拌桩法是用于加固饱和粘性土地基的常用方法之一，在软土地基加固工程中广泛应用，尤其使用于淤泥质土、淤泥、粘性土、粉土、杂填土等地基的加固。它是利用水泥（石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将地基土和水泥浆强制搅拌，使水泥和软土间产生一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。该加固体与天然地基组成复合地基，共同承担建筑物的荷载。
　　
　　二．水泥搅拌桩复合地基的设计
　　
　　(一)、复合地基承载力的计算
　　1.单桩承载力的确定
　　首先根据地质资料情况，定性确定水泥搅拌桩桩长，即大致确定在哪一层土层。单桩竖向承载力标准值应通过现场载荷试验确定，所取得的结果较符合实际。实践中对体量不是很大的建筑物应多按下列公式确定：
　　Pk=Up∑qsi*li+qp*Aq
　　式中Pk-单桩竖向承载力标准值（Kn）
　　Up-桩的横截面周长
　　Qsi-桩周第i层土的摩擦力标准值（kpa），（由地质资料提供）
　　Ap-桩的横截面面积（m2）
　　li-第i层土的厚度（m）
　　qp-桩端土的承载力标准值
　　其中qP因施工时桩端土受到扰动，其承载力降底，故应按天然地基承载力标准值乘以折减系数确定，一般取0.5。当桩端土为淤泥质土时，实际计算中一般不考虑桩端土的支承能力，对于淤泥质土通常采用公式 Pk=Up∑qsi*li 。
　　在单桩设计中，承受竖直荷载的搅拌桩，一般应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的承载力相近，并使后者略大于前者，这样桩身强度能充分发挥作用，最为经济。根据桩身强度计算的单桩承载力检验公式：
　　 Pk＝1000fcu*Ap/3
　　fcu-与桩身水泥配方相同的室内水泥土试块，在标准养护下，90天龄期的单轴抗压强度（Mpa）。
　　令Up∑qsi*li+qp*Ap＝1000fcu*Ap/3（或右边略大于左边）
　　通过多次迭代计算，确定合理的桩长。桩径，从而确定单桩承载力：
　　Pk=Up∑qsi*li+qp*Ap
　　2.桩的面积置换率及总桩数
　　当桩径确定后，置换率主要由设计所要求达到的复合地基承载力标准值和单桩竖向承载力标准决定。置换率的大小直接影响复合地基承载力的大小，也影响建筑物沉降量的大小，可按下列公式计算：
　　桩的面积置换率：
　　m=(fspk-y3*fsk)/[(Pk/Ap)-fs*fsk]
　　n= (m*a)/Ap
　　式中m－水泥搅拌桩的面积置换率
　　A－基础底面积（m）
　　n－总桩数
　　fsp,k－复合地基承载力标准值，采用设计要求的地基承载力标准值（kpa）
　　ys－桩间土承载力的折减系数
　　面积置换率m不能太小，否则单桩承载力要求过高，水泥土强度或施工机械不能满足设计要求；面积置换率也不能太大，否则桩数太多，桩距太密，影响单桩承载力的发挥，不经济。从最佳的技术经济指标衡量，一般选m=20%左右较恰当。实际操作中m一般应综合考虑比较而定。
　　3.布桩。根据总桩数n进行搅拌桩的平面布置。搅拌桩按其强度和刚度介于刚性桩和柔性桩的一种桩型，但其承载性能又与刚性桩相近，因此在设计搅拌桩时，可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像柔性桩一样在基础以外设置保护桩。桩布置时要考虑充分发挥桩侧摩阻力和便于施工为原则，如本工程实例中的软弱地基土，桩间土承载力标准值R=50Kpa~60Kpa,在满足置换率的情况下，桩距在1.5D~2.0D为好，这样布桩能使桩实际受力与设计计算贴近。
　　建筑物的倾斜原因之一是基础的形心与建筑物的重心偏移太大所致，尤其是软弱地基，如慈城铁路家属宿舍 。水泥搅拌桩的布置，要求群桩的形心与建筑物长期荷载作用下的重心重合，同时使桩基在受横向力和力矩较大的抵抗力矩。这在水泥搅拌桩中往往被忽视，例如本工程有外挑阳台，应考虑外挑阳台方向延伸横轴位置布桩，增加桩的抵抗力矩，使其整个工程桩的形心与该建筑物重心吻合。
　　
　　（二）.桩端下卧层的验算
　　
　　由于每根桩不能充分发挥单桩的承载力作用，故应按群桩作用原理，进行下卧层地基验算：即将搅拌桩和桩间土视为一个格子状的假想的实体基础，考虑假想实体基础侧面与土的摩擦力，验算假想基础地面（下卧层地基）的承载力。（见右图1）
　　f'=[fsp,k*A+G-q's*As-fs,k*(A-A1)]/A1＜f
　　f' －假想实体基础底面压力（kpa）
　　A1－假想实体基础底面面积（m2 ）
　　As－假想实体基础侧表面积（m2 ）
　　G －假想实体基础自重（kn）
　　－作用于假想实体基础侧壁上的平均容许摩阻力（kpa）
　　fs,k － 假想实体基础边缘软土的承载力（kpa）
　　f － 假想实体基础底面经修正后的地基土承载力（kpa）
　　f=fk+mp*rp(D-1.5)
　　当验算不满足要求时，须重新调整单桩，直至满足要求为止。
　　
　　（三）.水泥土搅拌桩沉降验算
　　水泥土搅拌桩复合地基变形S的计算，包括搅拌桩群体的压缩变形S1和桩端下未加固土层的压缩变形S2之和，即S=S1+S2,其中S1是桩长范围内复合土层的压缩变形。根据大量的搅拌桩设计计算结果仅为10 mm ~30mm，一般荷载大，桩较长，桩体强度较低时，按经验取较大值，否则取较小值，也可按公式 S1=(P+P0)*1/2E0计算确定，P为群桩顶面的平均压力（kpa）,P0为群桩底面地基土的附加压应力（kpa）,E0为群桩体的变形模量（kpa）。S2一般按传统的分层总和法计算，这里不再叙述。
　　从大量的工程设计中，参照省标《建筑软弱地基基础设计规范》（DBJ10-1-90）进行计算，从应用实践得出，对于砖混或框架结构多层建筑，复合地基中水泥搅拌桩大约承担80％左右，桩间土承担20%左右，按照这样的总量配置，竣工时沉降量多为在60mm~100mm。由于目前国内水泥搅拌桩桩长一般不太长，桩端一般有较好的持力层，且建筑物等级较低，因此沉降主要发生在复合地基层，压缩变形较小，均在规范允许范围之内。
　　
　　三．工程实例及应用
　　
　　余姚铁路西站综合办公楼，框架结构，三层，工程勘察地质资料（如页下表格）：
　　对工程地质情况进行分析，拟建建筑场地属典型软土地区，浅部（3）层泥炭质土力学性质很差，压缩性极高。虽然场地内各土层地质层位较稳定一致，但采用天然地基难以控制沉降变形。下伏土层均为压缩性低强度淤泥土，故本场地无良好的浅基础条件，采用水泥土搅拌桩复合地基加固处理该淤泥层较适合。
　　水泥搅拌桩复合地基在当今施工环境较差，建筑规模不太大的铁路沿线房屋建筑中广泛应用，浙江省范围在杭州、宁波、余姚等地一般多为软弱地基，应用尤为广泛，如余姚铁路西站综合楼，慈城铁路家属宿舍等。 余姚铁路西站综合楼工程，地基淤泥层很厚，因本工程层数不高，荷载不大，经综合技术经济比较，采用了8m桩长，500mm桩径。具体施工时因土体中含有烟灰土，在水泥搅拌桩中添加入了适当的强化剂，实测效果很好。桩基施工完成后做了桩基检测，通过低应变动测和静载荷试验结果来看，加固效果均较理想，沉降量较小，均在规范允许范围之内，而且与钢筋混凝土桩基相比 ，相对地基造价较低。
　　
　　四．结语
　　
　　从广泛的应用实践中得出，水泥搅拌桩法加固软土地基技术有其独特的优点：
　　1.水泥土搅拌桩法由于将固化剂（水泥浆）和原地基软土就搅拌混合，因而最大限度地利用了原土。
　　2.搅拌时不会使地基侧出挤出，所以对周围原有建筑物影响小。
　　3.按照不同地基的性质及工程设计要求，合理选择固化挤及其配方，设计比较灵活。
　　4.施工时设备较简单，振动、噪音均极小，而且无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工。
　　5.土体加固后，重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。
　　6.与钢筋混凝土桩相比，节省了大量钢材，并降低了造价。
　　
　　参考文献：
　　1.《建筑软弱地基基础设计规范》（DBJ10-1-90）浙江省标准（试行）
　　2.《建筑地基基础设计规范》（DBJ7-89）
　　

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