浅析水泥土搅拌桩复合地基的特点与设计应用

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摘要: 本文介绍了水泥土搅拌桩复合地基的工程特性，并分析了水泥土搅拌桩在复合地基设计中的应用。

关键词：水泥土搅拌桩；复合地基；设计

Abstract: This paper describes the engineering properties of soil cement mixing pile composite foundation and cement mixing pile composite foundation design.Keywords: soil cement mixing pile; composite foundation; design

中图分类号：TU528.45文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

1 水泥土搅拌桩复合地基的工程特性

1.1 水泥土搅拌桩复合地基的基本概念

水泥土搅拌桩是利用水泥或石灰等固化剂，通过深层搅拌机输入到软土中并加以拌合，水泥和软土之间产生一系列的物理、化学反应，改变了原状土的结构。使之硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土，从而提高地基承载力，减少沉降，防止砂土液化，防止地基或人工填土（堤防、土坝等）渗漏。水泥土与天然地基形成的水泥土搅拌桩复合地基，搅拌桩平接形式主要起承载作用，搭接形式还兼起防渗墙作用。

1.2 水泥土搅拌桩的特点

水泥土搅拌桩具有以下工程特性:

工艺简单:水泥土深层搅拌桩可一次完成成孔与成桩,施工速度快,工期短。水泥土搅拌桩复合地基目前已有较为成熟的施工工艺,原料拌和、灌注、夯填均易操作,技术指标容易控制。

施工方便:施工机械均为常用建筑机械,如长螺旋钻机、双轴（单轴）搅拌机、砂浆搅拌机等,某些工艺如夯实水泥土桩,采用人工洛阳铲即可施工。

造价低廉:水泥土搅拌桩复合地基充分发挥桩间土的承载力,减少用桩量,且不使用昂贵的钢材,耗用建筑三材少,一般可就地取材或使用工业废料,大大降低造价,且有利于环保。

适用范围广:采用水泥土搅拌桩复合地基可明显提高地基承载力,减少沉降。因其费用低、施工快。因而大规模用于建造堤防、土坝工程防渗墙、大面积的建筑物或构筑物地基加固、道路加固、岸坡防滑加固等，搅拌桩技术因此得到了空前的普及。

1.3 布桩形式的选择及加固范围的确定

搅拌桩的布桩形式对加固效果有较大的影响,根据拟建工程地质条件、上部结构的荷载要求以及现阶段深层搅拌法的施工工艺和设备,搅拌桩一般采用柱状、壁状、格栅状和块状四种布桩形式。

搅拌桩按照其强度和刚度是介于刚性桩和柔性桩之间的一种桩形,但其承载性能又和刚性桩相近,因此在设计搅拌桩的加固范围时,可只在上部结构的基础范围内布置,不必像柔性桩那样在基础之外设置围护桩。布桩的形式可为正方形、正三角形等多种形式。

布桩时摩擦桩必须考虑群桩效应,桩距不宜过小。目前,搅拌桩的桩径大多在φ500～700mm。由于基础宽度的限制,常常会给布桩造成困难,多数工程桩距较小。解决这个矛盾的途径:一是采用单轴搅拌,将桩径缩至φ400mm左右;二是在基础和搅拌桩的桩顶之间设置150～300mm厚的粗粒材料垫层拉开桩距;三是增加桩长,减少桩数,增大桩距。实践证明,采用以上措施是有效的。复合地基中,搅拌桩的桩距不宜小于2d(d为桩径)。

1.4 水泥土搅拌桩沉降变形

影响水泥土搅拌桩沉降的主要因素:桩长对沉降的影响水泥土搅拌桩的强度和压缩模量介于刚性桩和柔性桩(散体材料桩之间。桩顶荷载通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递给土体,同时桩体发生侧向膨胀,且主要发生在桩顶以下一定长度范围内,该段桩体是水泥土搅拌桩的主要受力区。水泥土搅拌桩的主要破坏形式是桩体的环向拉伸导致沿径向开裂破坏。此外,桩体也可能发生压碎破坏。当地基中的滑动面穿过桩体时,还有因剪切破坏导致断桩的情况。研究表明,水泥土搅拌桩存在临界桩长,超过临界桩长,增加桩长并不能减少地基沉降。

2 水泥土搅拌桩在复合地基设计中的应用

某河道整治工程泄水闸布置在新开挖河床的主河道，闸基础为软基，根据地质资料，闸基河床覆盖淤泥、淤泥质土及粉质粘土交相分布，淤泥、淤泥质土允许承载力较低，为50kPa，粉质粘土层允许承载力为180kPa，闸基底最大应力为138.27kPa，在粉质粘土层的允许应力范围内，但淤泥、淤泥质软土层承载力验算不满足要求。闸基土质不均匀，变形模量小，土层压缩变形大，基础承载力不满足要求，必须通过地基处理提高承载力。

2.1 基础处理方案选择

考虑闸基淤泥层较厚，将基础直接开挖到基岩，基坑开挖都很深，土石方开挖量非常大，工程投资较大，且开挖面淤泥质边坡很难稳定，极易发生滑坡、塌方等问题，因此，上述方案不可行。

针对本工程闸坝基础的特点，经过分析比较，重点对换填地基方案和水泥土搅拌桩复合地基方案进行比较：换填地基方案具有闸基处理简单，防渗措施可靠，不均匀沉降小，下游消能防冲设施比较简单，建筑物安全可靠等优点，但闸基及周边建筑物基础开挖及回填工程量大，将增加大量弃渣和需要大量防渗粘土，且工期较长，基坑排水难度较大；反之，复合地基方案具有基坑开挖工程量及回填工程量小，工期短等优点，但闸基需作防渗处理。

经综合考虑工程投资、施工工期和难度，本工程推荐水泥土搅拌桩复合地基处理方案。搅拌桩桩径选用φ500，梅花形布置，中心间距0.8m。

2.2 搅拌桩复合地基承载力计算

2.2.1 桩长及桩身直径

本工程地基处理主要为解决软基土的承载力及沉降问题。桩长主要根据桩身穿过软基土层、桩尖下卧层为粉质粘土层或粗砂层。根据本工程地质情况，并考虑施工工期紧等因素，桩长取10~14m。桩尖所处土体大部分为标准贯入击数12~24粉质粘土，局部处于粗砂层，极少部分处于粉质淤泥层。桩身断面为直径50cm的圆形。

2.2.2 单桩竖向承载力

根据《建筑地基处理技术规范》DBJ15－38－2005，单桩竖向承载力设计计算采用以下公式：

由桩身强度确定

由地基支撑力确定

根据以往类似工程的试验结果以及本工程的实际需要，选用425#水泥及18%的掺入比，即，η取0.35，则由桩身强度确定的单桩承载力可计算得171.8kN。根据典型地质断面的下卧层分布情况，由地基支撑力确定的单桩承载力计算结果见下表。

表 按地基支撑力确定的单桩承载力

根据上表的结果可知，在设计桩长范围内按地基支撑力确定的单桩承载力均大于由桩身强度确定的单桩承载力，因此单桩竖向承载力由桩身强度控制，即。

2.2.3 复合地基承载力设计计算

根据《建筑地基处理技术规范》DBJ15－38－2005，复合地基承载力可以采用以下公式：

偏保守计算，按不考虑值，复合地基承载力取=180kpa计算，可计算面积置换率m=20.5%。本工程采用φ500桩径，中心桩距0.8m，置换率m=30.7%，可满足承载力要求。

2.3 闸基防渗措施及沉降验算

由于地基覆盖层为强~中等透水层，为保证闸基渗透稳定，减少渗透量，基础防渗采用双排连体搅拌桩，形成上游防渗墙。

由于水闸采用复合地基，复合地基的变形量s包括复合土层的压缩变形量s1和桩端以下未处理土层的压缩变形量s2，即s=s1+s2,经过计算，泄水闸总沉降量s =10.35cm

3 结束语

随着我国工业布局和城市发展的规划,越来越多的建筑将建在地基条件较差的场地,建在软土地基上的建筑物将越来越多。作为加固饱和软土地基的一种方法,水泥土搅拌桩基础利用水泥作为固化剂,通过特制的机械,将软土和水泥强制搅拌,利用水泥和软土之间所产生的一系列物理-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优质地基。这种方法的出发点是最大限度地利用了原土,相比较处理软土地基的其它方法,该方法具有施工方便、费用低廉、加固软土较深等优点。

参考文献:

[1] 叶观宝.地基加固新技术,机械工业出社,2002

[2] 李宁,韩煊.褥垫层对复合地基承载机理的影响,土木工程学报,2001