多层框架商住楼软土地基设计探讨
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【摘要】水泥土搅拌桩复合地基是一种科学、经济、施工方便的地基处理方法，本文以四层框架结构为例介绍水泥土搅拌桩复合地基的设计、计算分析方法。
【关键词】水泥土；搅拌桩；复合地基；设计；计算
1 工程概况
某酒店结构类型为四层框架结构，平面为长方形，平面柱网布置较规整。工程勘察地质资料中揭示各土层地质特征。
1.1 研究各土层特性发现：第5层的粉质粘土层分布连续、厚度大，但埋藏较深；而第2、3层土层则存在分布极不均匀连续、部分厚度很小等问题。
1.2 根据结构计算分析，该酒店柱距、跨度达7.2m-9.0m，各框架柱轴力较大，最大的轴力（标准组合）达3800KN。如果采用天然地基独立柱基础，显然会有因地基土层相差较大造成地基不均匀沉降的问题；而如果采用天然地基上条形或筏板基础，则基础梁高度大、钢筋量大，基础造价会高，且同样存在地基沉降大的问题。
1.3 由于该地区属典型的石灰岩地区，地下溶洞分布较广，岩面起伏很大，周围的建筑很少采用桩基础，本工程地质报告也未提供有关岩层资料，因此排除采用桩基础的可能。在综合考虑了以上几个方面的因素后，提出了水泥土深层搅拌桩法复合地基处理方案：拟对第5层的粉质粘土层以上的土层加固处理；鉴于上部结构体型简单，整体刚度较大，采用独立柱基础；基础底埋深定为-1.60m，处理后的复合地在本设计中，桩径D取0.55，a取0.45，η取0.33，fcu取为1.2Mpa，按《JGJ79-2002》式11.2.4-1，Ra=3.14×0.55×[15×2.5+25×3.8+16×1.1]+0.45×150×0.2375=275KN
按式11.2.4-2，Ra=0.33×1.2×10³×0.2375 =94KN
很明显，桩的承载力由桩身强度控制。在本设中，fspk=200Kpa，fsk=160Kpa，Ra=94KN，又因为桩端土未经修正的承载力特征值与桩周土的承载力特征值平均值相差不大，所以根据〔11.2.3〕的规定，β取为0.40，代入上式求m.得m=0.41。采用柱状正方形布置桩，桩间距：a=√[Ap m]=0.761m，取桩间距为0.75m。
2 水泥土搅拌桩复合地基设计
2.1 确定桩长、桩径：
对于本工程的地基来说，第3、4土层为相对较软弱土层，竖向承载的搅拌桩应穿透这两两层，达到承载力较高且分布及厚度均匀的第5层。因此，桩长要求达到第5层粉质粘土层；为了既节约地基处理的投资，又能保证桩顶的搅拌质量，采取开挖至设计标高即褥垫层顶标高-1.6m后，再打水泥搅拌桩，最后挖去褥垫层厚度部分的桩段的施工顺序，从褥垫层底算起桩长不小于7.5m；为提高单桩承载力和复合地基承载力，桩径D取为550mm。
2.2 确定单桩竖向承载力特征值：
根据《JGJ79-2002》规范规定：水泥土搅拌桩单桩竖向承载力，特征值应通过现场载荷试验确定，Ra=94KN。但是由于土对桩的支承力大大高于桩身强度，不利于发挥桩间土的潜力，同时也造成一定的浪费。
2.3 确定置换率及桩间距
根据（11.2.3）的规定，水泥土搅拌桩复合地基的承载力特征值初步设计时可按（9.2.5）规范公式估算：虽然桩底的第5层粉质粘土层承载力不算低，但相对于上部已加固土层来说是软弱下卧层。这里，以轴力最大的柱基础J-1来验算，将水泥土搅拌桩和桩间土视为一假想实体，考虑实体侧面与土的摩阻力，验算假想实体底面处于粉质粘土层的承载力。
2.4 桩端下卧层承载力验算
基承载力特征值定为fak=200KN/m2，深度修正后的承载力特征值为fa=215 KN/m2。
2.4.1 求实体底面经修正后的地基承载力：
2.4.2 计算实体底面压应力
柱基础尺寸为4.5m×4.5m，面积为20.25m2，由于桩沿基础边布置，所以实体的底面积也是20.25m2；实体的侧面积为：4.5×4×7.5=135m2，实体侧面平均摩阻力为20Kpa，实体重量为：18×20.25×7.5=2734KN.实体顶面即基础底的压应力为215Kpa，所以实体底面的压应力为Pa=[215×20.25 +2734-20×135]/20.25=216.7Kpa
2.5 复合地基的沉降计算
根据《JGJ79-2002》的（11.2.9），竖向承载搅拌桩复合地基变包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形S1和桩端下未加固土层的压缩变形S2，总沉降S=S1+S2。
2.5.1 计算S1：
根据规范，S1Pz=（Pz+Pzl〕l/2Esp，其中，复合土层顶面的附加压力值.Pz=215- 18×1.6=186.2KPa复合土层底面的附加压力值Pzl=216.7-18×9=54.7KPa复合土层的压缩模量Esp=mEp+[1-m]Es，根据规范条文说明Ep取100fcu代入上式得：Esp=52.1Mpa，根据大量水泥土单桩复合地基载荷试验资料，工作荷载下的复合模量一般为15-25 Mpa，在本设计中由于置换率较高，计算出来的复合模量很大，考虑到桩间土质的不均匀以及桩身质量可能存在的质量问题，取为：Esp=40Mpa。代入前式，S1=〔186200+ 54700〕×7.5/〔2×40000000〕=0.022m=22mm
2.5.2 计算S2：
桩底未加固土层的沉降S2可以根据《建筑地基基础设计规范》〔GB50007-2002）的〔5.3.3〕条规范来计算。在本设计中，由于第六层的中粗砂压缩模量未给出，按照与第5层粉质粘土相同计算。首先按简化公式〔5.3.7〕计算J-1桩土实体下变形计算深度Zn：Zn=b〔2.5-0.4lnb〕=4.5×〔2.5-0.41n4.5〕=8.54m查表得：a1=0.2500，a2=0.1793，按Z1=0，Z2=8.54，S0.7，Po=54.7Kpa，代入〔5.3.7〕得：S2=0.012m=12mm.
2.5.3 计算S：
最后得：S=S1+S2=26+12=38mm.
2.5.4 分析相邻柱基的沉降差：
根据《地基规范》〔5.3.4〕，多层框架结构地基变形允许值是由相邻柱基的沉降差来控制的：要求不超过0.002I，在本设计中按照I=8000，即是16mm。对于本设计，由于复合土层顶面、底面的附加压力值以及复合土层的压缩模量基本相等，所以S1基本相等。而复合土层底的土层相同，压缩模量相同，不同的仅仅是Z2和a2，根据J1相邻基础尺寸J2〔3800×3800〕，Z2=7.47m，a2=0.1728，得S2=0.010m。可见根据计算，相邻柱基的沉降差是很小的，变形可以满足要求。
2.5.6 设置褥垫层：
褥垫层的作用是将一部分荷载传到桩间土上，同时减少应力集中，不同厚度的褥垫层还能起到调节桩土分担荷载比例的作用。在本工程中，褥垫层厚度取300mm，材料为3：7级配砂石，石子最大粒径不大于20mm。
2.5.7 水泥土搅拌桩复合地基的检测结果：
本工程复合地基施工完毕后进行了质量检测，其中载荷试按照单桩承担面积，采用0.75×0.75m的方形钢板加载，最大加载压强为480Kpa，分12级加载。经试验，发现抽测各点的压力-沉降曲线均为平缓的光滑曲线，而且没有出现规范列出的几种破坏现象。根据规范，复合地基承载力特征值按S/b=0.006时对应的荷载值220Kpa，不大于最大加载压力的一半，承载力达到设计要求；另外抽芯和动测结果也显示复合地基质量达到规范要求。由于变形计算是按照较理想的条件进行的，而且未考虑相邻基础的影响，但实际变形情况是很复杂的，我们正跟踪观测各柱的实际沉降，总结施工其间的沉降与总沉降的比例关系。
3 结束语
水泥土搅拌桩通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结而提高地基强度这种方法适用于处理软土，处理效果显著，处理后可很快投人使用，在建筑工程施工中确保工程质量的前提下能够降低施工成本、缩短了地基处理施工工期，在工期紧、出于成本考虑不易进行基坑大开挖或地基土质换填，考虑使用水泥土搅拌桩进行地基处理应该是经济科学的施工方案。