水泥土搅拌桩复合地基设计详解
2014-06-18 10:02:14| 分类：
土建技术
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水泥土搅拌桩复合地基设计介绍 ——结合常州地区经验 吴祖德 摘 要：结合常州实践经验和设计规范，介绍了水泥土搅拌桩的构造特点、施工方法、以及常用加固方法及型式，其中详细介绍了设计方法，复合地基承载力设计值和沉降量的计算，以及相应的应用软件，可提供给相关专业技术人员在工作中参考应用。注：执行《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）时，注意规范用词，称“水泥土搅拌桩”，不再称“深层搅拌桩”、“粉喷桩”；水泥土搅拌桩的施工工艺分为：浆液搅拌法（简称湿法）；粉体搅拌法（简称干法）。
关键词：水泥土搅拌桩 单桩承载力 复合地基承载力 沉降计算
1深层搅拌桩在常州地区的实践
1.1 常州实践
常州市于1992年引进水泥土搅拌桩加固软土地基，首先采用在亚细亚傍留芳路6层住宅，淤泥质土有20m深。至今常州仍然用得很多，其间也出现过一些问题，施工控制不好，有产生不均匀沉降、裂缝等。上海有一段时间，因出现过问题，禁用水泥土搅拌桩，后来放宽好用了，有附加条件，要经过沉降计算，并符合要求。
在常州水泥土搅拌桩主要适用加固地耐力120KPa以下淤泥质、粉质粘土。大于120、130、140KPa也处理，但搅拌机械动力较困难，施工要细心。地耐力120KPa以下的地基，处理后可达100～300KPa，含砂、粉粒的土可达大于300KPa。一般处理后的复合地基可达200KPa以内。水泥土强度，常州在1～1.2MPa（个别有1.4MPa），复合地基在150～180KPa。
 注：（1）早期单桩承载力设计值中，桩强度折减系数为0.2～0.5;
（2）序号3，无淤泥层，上面150KPa，下面140KPa，桩打至粉质粘土；土含粉、砂粒，所以桩身强度高，且打入持力层，所以沉降量很少；
（3）序号4，表层3～5m淤泥质土，下面为亚粘土；因桩尖有持力层，沉降很小。
1.2 干法湿法
干法——粉体搅拌法（喷干水泥），加固深度不宜大于15m。湿法——浆液搅拌法（喷水泥浆），加固深度不宜大于20m。被加固土的含水量大（30～70%），PH≥4采用干法（根据《粉体喷搅法加固软弱土层技术规范》（TB 10113-96）规定），被加固土含水量小，采用湿法。另根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）介绍，如果采用湿法，30%～60%的含水量可以很容易成桩，如果采用干法，天然含水量在70%～80%时也可以成桩。此时的粉喷量应提高为75～80kg/m。
施工机械，总动力50千瓦，搅拌机械动力30千瓦，干法搅拌机械动力在下面。湿法搅拌机械动力在上面。粉体搅拌法桩直径常州为50cm，浆液搅拌法桩直径有50、60、70cm。
加固深度规范可达20m，没有必要，常州一般12～14m以内，采用最多的是6～8m，5～3m也有。
1.3 使加固的复合地基达到设计强度，关键是桩的水泥土强度。影响因素有：
①龄期强度：7天达30%，28天达70%，90天达80%，180天达100%，规范规定按90天的强度值计算；
②水泥掺入量：规范7～15%，是针对全国讲，常州用10～20%，用15%最多。15%水泥掺入量，水泥土强度可达1.0～1.2MPa（室内试验还要高些）。表1为某工程的水泥土无侧限抗压强度 （MPa）表，图1为某工程的不同水泥掺入比、水泥龄期的水泥土无侧限抗压强度。
 ③土含水量：河塘地区一般在30～50%。采用水泥掺入量15%，即可达到要求强度，当含水量＞80%，强度降低很多，要做试块；
④水泥标号：原用425号普通硅酸盐水泥，现在标号是42.5级。用标号高，强度大；
⑤有机质含量：要慎重。如泥灰层等；
⑥加入外加剂：有粉煤灰、磷石膏等。常州试过粉煤灰，效果不明显；
⑦土中含粉粒、砂粒：如淤泥质粉土、粉砂处理强度高，水泥土强度可达1.6～1.8MPa；
⑧搅拌均匀度：要搅拌均匀，强度高。
1.4 关于桩及复合地基承载力公式，属半经验、半理论的公式，要通过实践积累经验。
1.5 复合地基承载力。水泥土搅拌桩的桩径最小桩径不应小于500mm。一般单桩直径500mm，长5～8m，承载力80KN，也有100～120KN。桩间土承载力折减系数，也与沉降要求有关，沉降要求不高取大，要求高取小。褥垫层（碎石垫层），用振动压路机碾压最好，厚度不少于20cm，一般按30cm取用，可创造上刺入条件。当有水平力荷载时，没有褥垫层，桩折坏，有褥垫层时，桩不再破坏，实际是砂、碎石摩檫扩散。加褥垫层，β值（桩间土承载力折减系数）可取大些，桩土应力比，不加褥垫层10:1，加褥垫层越厚，越小，会比2:1还小。
1.6深层搅拌桩复合地基上的过渡层
深层搅拌桩复合地基上的过渡层有褥垫过渡层（图1a）、塌落拱过渡层（图1b）、反滤导渗层（图1c）、防渗稳定层（图1d）。
1.6.1褥垫过渡层:通过褥垫层材料在承受荷载后产生的流动补偿，使地基、桩间土与基础始终保持接触，从而能充分利用桩间土的承载能力，共同工作。褥垫层过渡层对于协调桩土变形、调整基础不均匀沉降、保证桩土共同作用极为有效。
竖向承载水泥土搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度可取200～300mm，常州一般取300mm碎石褥垫层，最大粒径不宜大于20mm。
 1.6.2塌落拱过渡层:为在水泥土搅拌桩及桩间土组成的复合地基与基础之间设置具有一定厚度的石碴过渡层。这种过渡层与褥垫层过渡层相反，对桩间软土无强度要求，但要求水泥土搅拌桩底部深入承载力较大的持力层中。采用填料粒径较大，且有较大的内摩擦角。当桩间软土受荷产生固结沉降后，位于支撑桩上的石碴基本不沉降，而位于桩间软土上的石碴下部随之松动、下沉，形成塌落拱。上部荷载通过塌落拱传力至水泥土搅拌桩上，桩间软土基本不再承载，从而减少地基沉降量，过渡层兼起排水减压、均化应力等作用，特别适用于上部结构及基础刚度不大的飞机跑道、高速公路路基及大型场站工程;
1.6.3 反滤导渗层:承台或基础底板即使采用防水混凝土，渗透系数亦在3×10-10～1×10-10cm/s之间，与下卧软土的渗透系数相近。完建后，软土中的孔隙水、毛细水通过基础底板或承台向上渗透，软土中的空隙压力不断减少，软土便会产生新的固结沉降。在排水作用下，加速桩间土固结。建成后又能使外界地下水通过该层补充软土损耗的水分，避免运行期间软土空隙水压减少，防止桩间软土进一步固结沉降，从而减少对桩体的负摩檫力，提高承载能力。采用这种型式的过渡层，建筑物要承受一定浮力，须核算抗浮稳定性；
1.6.4防渗稳定层：当基础底板或承台位于地下水位以下，或地下水位变化频繁时，为了实现干地施工，可在水泥土搅拌桩施工范围的淤泥内，采用粘土或亚粘土通过挤淤方式，形成压淤平台；或采用反铲挖除软土回填抗剪强度高，又有一定防渗性能的粘土或亚粘土。然后在回填的粘土或亚粘土上施工水泥土搅拌桩。利用回填的粘土或亚粘土起防渗及稳定边坡作用，开挖施工基础，进行上部结构施工。进行上部结构施工。这种方式特别适于在流塑状态淤泥中采用水泥土搅拌桩复合地基。
1.7 关于软弱下层：处理河塘、河沟，当桩打入持力层，不存在软弱下卧层。常州有30m厚淤泥，桩不可能打入持力层，故会有软弱下卧层存在，实际是在其上制造一层硬壳层。常州当淤泥20m时，采用桩长5m，当淤泥30m时，采用桩长8m；
1.8 关于沉降：桩满足强度外，也有沉降控制。处理方法，有建筑物留缝，增强上部刚性等。当桩打入持力层，桩体部分沉降在3～4cm多。当桩有软弱下卧层，沉降就会更大，如留芳路住宅有10cm多，沉降量有二部分组成，桩体部分及软弱下卧层。市政工程基础大，影响深度深，后期沉降大；
1.9 关于基础外要否布桩：按承载力计算，不需要。因为，水泥土桩的强度和刚度是介于柔性桩（砂桩、碎石桩等）和刚性桩（钢管桩、混凝土桩等）间的一种半刚性桩，它所形成的桩体在无侧限情况下可保持直立，在轴向力作用下又有一定的压缩性，但其承载性能又与刚性桩相似，因此在设计时可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像柔性桩一样需在基础外设置护桩。
1.10关于布桩形式：
1.10.1有矩形、梅花形、单排、多排，主要凑置换率；水泥土搅拌桩的布置型式对加固效果有很大影响，一般根据工程地质特点和上部结构要求可采取柱状、壁状、格栅状、块状以及长短桩相结合等不同加固型式。
 ①柱状：每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱状加固型式，适用于单层工业厂房独立基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。
②壁状：将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固型式，适用于防渗墙、深基坑开挖时的边坡加固，建筑物长高比大、刚度小和不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。
③格栅状或块状：它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而成的加固型式。适用于上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。
④长短桩相结合：当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基上时，可用3m～5m的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状，借以调整和减小不均匀沉降量。
1.10.2在晋陵中路铁路立交下穿地道傍，十几米外有一条河，就中间土中采用了双排水泥土搅拌桩，成为埋入土中的防渗挡水墙。构造如下：
  
1.11关于施工方面：现有机械动力，适于处理淤泥，桩进入好土50～100cm，电机电流A=50安倍即可。搅拌次数越多越好，干法桩，提升时喷粉，一般是二搅一喷，湿法桩，钻、提均喷，一般是4搅4喷；竖向承载搅拌桩施工时，停浆（灰）面应高于桩顶设计标高300～500mm。在开挖基坑时，应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除。
1.12规范规定：竖向承载水泥土搅拌桩复合地基中的桩长超过10m时，在全桩水泥总掺量不变的前提下，桩身上部三分之一桩长范围内可适当增加水泥掺量及搅拌次数；桩身下部三分之一桩长范围内可适当减少水泥掺量。
1.13标高不够：指下搅拌桩处的地面标高不够时，用新回填土夯实，再置施工机械
1.14关于验收试验方法：成桩前，要做试块。成桩后：1）静力触探（施工单位自检），挖开看φ16压入试验；2）取芯；3）载荷试验，用承载板，2倍荷载，周期长，费用高；4）快速载荷试验，1.2～1.4倍荷载值，沉降5cm内取值；5）沉降观测。2设计实例
依据规范有：①《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）（建设部）；②《深层搅拌法技术规范》（DL/T 5425-2009）（能源部）；③《软土地基深层搅拌加固法技术规程》（YBJ225-91）（冶金部）；④《粉体喷搅法加固软软弱土层技术规范》（TB 10113-96）（铁道部）；⑤《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）（交通部）；⑥其他还有各地的地方标准：如，上海市标准《地基处理技术规范》（DBJ08-40-94）、江苏省地方标准《南京地区地基基础设计规范》（DB32/112-95）等等。
2.1 计算单桩承载力（长虹路地面辅道众恒大桥东桥台，采用深层搅拌水泥桩进行地基加固处理）
桩身材料强度确定的单桩承载力：
   
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