（岩土工程专业论文）水泥土搅拌桩优化设计探究.pdf

水泥土搅拌桩优化设计探究 摘要 水泥土搅拌桩设计原理是利用水泥( 或其他类似材料，如石灰) 作为固化 剂，通过特制搅拌机械，在一定深度范围( 一般为1 0 - 一2 0 米) 把地基土与水泥 等固化剂强行搅拌，固化后形成具有抗渗止水性和一定强度的水泥土桩，并与 庄周土体共同承担上部荷载。该工法现已广泛用于房屋土建、地下储油罐、防 洪蓄水堤坝、公路工程、铁路工程的软土地基处理以及基坑围护结构，有时也 用在防水帷幕等类工程，并在这些工程实践中发挥了很大的作用。随着现代机 械工业的快速发展，改善了水泥土桩的成桩工艺，因而水泥土搅拌桩的优点也 表现地越来越突出。一般认为水泥土桩的优点有这样几点：水泥土搅拌桩利 用了土体本身的承载能力，这在原则上是我们工程界普遍追求的较理想的状态， 这样就充分利用了自然资源；水泥搅拌桩在地基处理施工中对原状土结构的 扰动也相对较小，同时对整个结构的设计施工也起到了较好的保证作用；水 泥土桩在经济上节约的特点也是其得到广泛应用的原因之一。但随着工程结构 的日益复杂和高层建筑的大量出现，上部结构对地基和基础的要求也越来越高， 用水泥土桩作为复合地基在一定程度上可以起到作用，但设计和施工难度也在 不断加大：基坑深度的不断增加，从目前现状来看，利用水泥土桩作为支护 结构的深度也受到了明显的限制，这就使水泥土搅拌桩的缺点也明显暴露出来； 水泥土搅拌桩本身是水泥和土体经过各种物理化学反应而形成的，因而它的 性质( 主要是桩身的压缩性的变形) 并不是像单一物质结构那么稳定，它的强 度也只是介于土体和水泥体之间，往往达不到图纸要求的强度，因而，目前工 程上为应对水泥土桩的这些缺陷，通过加入各种结构或构造措施来提高水泥土 桩的强度。 文章在理解水泥土搅拌桩基本性质及应用的基础上，通过四章内容对其物 理力学性质及设计方法作进一步深入研究。在论述的过程中，主要是将重点放 在设计、施工上，对于理论的部分只是作为上述内容的基本备用知识，没有着 重的论述，在正文中将紧紧抓住这两条主线，力求在改善设计及施工上提出新 的见解并研究其可行性，并在最后通过设计实例来体现优化设计的思想和实现 的过程。 关键词：水泥土搅拌桩；复合地基；试验研究；数值分析；优化设计 i n q u i r yo no p t i m a ld e s i g n p i l e o fs o i lc e m e n tm i x i n g a b s t r a c t s o i lc e m e n tm i x i n gp i l ed e s i g np r i n c i p l ei st h eu s eo fc e m e n t ( o ro t h e rs i m i l a r m a t e r i a l s ，s u c ha sl i m e ) a st h ec u r i n ga g e n t ，t h r o u g has p e c i a lm i x i n gm a c h i n e ，t oa c e r t a i nd e p t hr a n g e ( u s u a l l y10t o2 0m e t e r s ) t os o i la n dc e m e n tc u r i n ga g e n tf o r c e d m i x i n g ，s o l i d i f i e dt of o r mas e a la n di m p e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t ep i l e sac e r t a i n i n t e n s i t y ，a n dw i t ht h es h a r e dp i l eu p p e rs o i ll o a d t h en e wm e t h o dh a sb e e nw i d e l y u s e df o rh o u s i n gc i v i le n g i n e e r i n g ，u n d e r g r o u n ds t o r a g et a n k s ，f l o o dw a t e rs t o r a g e d a m s ，r o a dw o r k s ，r a i l w a yw o r k sa n dt h ep i te n c l o s u r es o f th a n d l e ，a n ds o m e t i m e s a l s ou s e di nt h ew a t e rc u r t a i na n do t h e rt y p e so fe n g i n e e r i n g ，a n di nt h e s e e n g i n e e r i n gp r a c t i c eh a sp l a y e das i g n i f i c a n tr o l e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e r nm e c h a n i c a li n d u s t r y ，i m p r o v i n gt h ep i l eb yp i l e p r o c e s s ，a n dt h u st h e a d v a n t a g e so fs o i lc e m e n tm i x i n gp i l ea l s oe x p r e s s e dm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t c e m e n ti sg e n e r a l l yb e l i e v e dt h a tt h ea d v a n t a g e so fs u c hap i l ep o i n t s ：u s eo f s o i lc e m e n tm i x i n gp i l eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es o i li t s e l f , w h i c hi np r i n c i p l ei s b e t t e rt op u r s u ee n g i n e e r i n gi ng e n e r a lt h es t a t e ，s ot h a tf u l lu s eo fn a t u r a lr e s o u r c e s ； c e m e n tm i x i n gp i l ei ng r o u n dh a n d l i n gc o n s t r u c t i o no ft h eo r i g i n a ls o i ls t r u c t u r e d i s t u r b a n c ei s r e l a t i v e l ys m a l l ，w h i l et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h ee n t i r e s t r u c t u r eh a sa l s op l a y e dar o l ei ne n s u r i n gg o o d ；c o n c r e t ep i l e si nt h ef i n a n c i a l c h a r a c t e r i s t i c so fs a v i n g si st h e i rw i d ea p p l i c a t i o no fo n eo ft h er e a s o n s b u tw i t h t h ei n c r e a s i n g l yc o m p l e xe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa n dl a r g en u m b e r so fh i g h r i s e b u i l d i n g s ，t h eu p p e rs t r u c t u r eo nt h ef o u n d a t i o na n dt h eb a s i so fh i g h e ra n dh i g h e r d e m a n d s ，s o i la n dw a t e rt os o m ee x t e n ta sac o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a np l a yar o l e ， b u ta l s ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nd i m c u l t i e sc o n t i n u e st oi n c r e a s e ：t h e e x c a v a t i o nd e p t hi n c r e a s e s ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o nf r o mt h ec u r r e n tu s eo fc o n c r e t e p i l e ss u p p o r t i n gt h es t r u c t u r ea st h ed e p t hh a sa l s ob e e nac l e a rl i m i t ，w h i c hm a k e s c e m e n tm i x i n gp i l eo b v i o u sf l a w se x p o s e d ；c e m e n tm i x i n gp i l ei t s e l fi sc e m e n t a n ds o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n st h r o u g ht h ef o r m a t i o n ，a n dt h u si t sn a t u r e ( m a i n l yt h ed e f o r m a t i o no fp i l ec o m p r e s s i b i l i t y ) a r en o ta ss t a b l ea sas i n g l e p h y s i c a ls t r u c t u r e ，i t ss t r e n g t hi so n l yb e t w e e nb o d yb e t w e e nt h es o i la n dc e m e n t ， o f t e nr e a c ht h ei n t e n s i t yo fd r a w i n g s ，w h i c hn o ww o r k si nr e s p o n s et os o i l c e m e n t p i l eo ft h e s es h o r t c o m i n g s ，b ya d d i n gav a r i e t yo fs t r u c t u r e so rs t r u c t u r a lm e a s u r e s t oi m p r o v et h es t r e n g t ho fc o n c r e t ep i l e s 。 a r t i c l e si nu n d e r s t a n d i n gt h eb a s i cn a t u r eo ft h es o i lc e m e n tm i x i n gp i l ea n d a p p l i c a t i o n s b a s e do nt h ec o n t e n tt h r o u g ht h ec h a p t e r so ft h e i rp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e s i g nm e t h o df o rf u r t h e rs t u d y i nd i s c u s s i o no ft h e p r o c e s s ，t h ea r t i c l ep u te m p h a s i sp r i m a r i l yo nt h em e t h o do fd e s i g n ，d o n tf o c u so n t h ed i s c u s s i o n ，i nm a i nc o n t e n tw i l lc l o s e l ya d h e r et ot h e s em a i nl i n e s ，t r yt o i m p r o v et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no nn e wi d e a sa n dt os t u d yi t sf e a s i b i l i t y ，a n di n t h ef i n a li n s t a n c et or e f l e c tt h r o u g ht h ed e s i g no fo p t i m a ld e s i g ni d e a sa n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：s o i l - c e m e n tm i x i n gp i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ； n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o no fd e s i g n i n g 插图清单 图2 1加劲水泥土搅拌桩的截面形式8 图3 1单桩复合地基沉降量一时间关系17 图3 2四桩复合地基沉降量一时间关系l7 图3 3单桩复合地基沉降量比一时间的关系1 8 图3 - 4 7 0k p a 时单桩复合地基沉降量一时间的关系1 9 图3 5 1 7 0k p a 时单桩复合地基沉降量一时间的关系1 9 图3 6 7 0k p a 时四桩复合地基沉降量一时间的关系2 0 图3 7 1 7 0k p a 时四桩复合地基沉降量一时间的关系2 0 图3 8正方形布置2 4 图3 9梅花形布置2 4 图4 - 1实例搅拌桩布置平面图3 9 表2 - 1 表2 - 2 表3 - 1 表3 - 2 表3 3 表3 - 4 表4 - 1 表4 - 2 表4 3 表格清单 日本的s m w 工法强化剂配合比与墙体强度9 上海三项工程水泥强化剂配合：9 按单桩静载数据反算的侧壁摩阻力值1 4 按复合地基静载数据反算的侧壁摩阻力1 4 侧壁摩阻力的统计值1 4 试验取用参数1 8 不同桩长计算结果3 0 轻型动力触探成果统计表3 4 土层分布及物理力学指标。3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金魍王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使刚 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签字：毛重t 签字日期：沪r 口年甲月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墅王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒避王些厶 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：皂丑羔 签字醐僻 彳日 学位论文 工作单位 通讯地址 导师签名： 签字日期： 电话：t 厂v ， d 沙邮编： 妒 特别声明 本学位论文是在我的导师指导下独立完成的。在研究生学习期间，我的 导师要求我坚决抵制学术不端行为。在此，我郑重声明，本论文无任何学术 不端行为，如果被发现有任何学术不端行为，一切责任完全由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 经过大半年的辛勤努力和不懈工作，本次毕业论文已经接近尾声，作为一 篇硕士毕业论文，应该反映出一定的科研水平，但由于经验的匮乏，加上本课 题研究的难度很大，在论文写作过程中难免有许多考虑不周全的地方，如果没 有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个本论文是难 以想象的。 在论文写作过程中，得到了我的导师王国体教授的亲切关怀和耐心的指导。 他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激 励着我。从课题的选择到论文的最终完成，王老师都始终给予我细心的指导和 不懈的支持。由于所选课题在研究上有一定的难度，因而在时间安排上出现过 一些不科学的地方，但王老师在这个问题上给了我极大的帮助，也给了我充分 的创作空间，在此表示深深的谢意。除了敬佩王国体老师的专业水平外，他的 治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学 习和工作。同时，在论文写作的过程中得到了胡琳、阳栋、顾永贵、袁浩几位 同学的大力帮助，在他们的帮助下，我完成了很多自己无法解决的难题，在此 向他们表示诚挚的谢意。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利 完成，有很多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚 挚的谢意! 最后我还要感谢含辛茹苦地培养我长大的父母，谢谢你们! 作者：钮杰 2 0 1 0 年3 月2 0 同 第一章绪论 1 1 水泥搅拌桩加固机理与传力规律 1 1 1 水泥土搅拌桩加固机理 ( 1 ) 水泥土搅拌桩是指运用水泥( 或其他水泥类材料) 作为固化剂，通过特 殊的搅拌机械，将地基深处的原状土体和固化剂( 水泥类) 强制拌和，固化剂 和软土体之间会发生一连串的物理、化学反应，从而使天然地基土结硬成具有 一定整体性、水稳定性和一定强度的桩体l lj 。这种桩法多数情况在处理软土地 基时应用，从而形成桩土复合地基；复合地基中水泥土搅拌桩与桩周土体共同 承担上部荷载，这样就使地基承载力提高、地基沉降量减小。水泥土搅拌桩也 可以用作基坑围护结构及止水帷幕等。据统计，水泥土搅拌桩己在建筑工程软 土地基加固处理、基坑围护、止水结构中都得到比较广泛的应用。 ( 2 ) 利用水泥等固化剂的水硬性原理，可以得到一定强度的桩体( 强度较原 状土体提高十几倍) ，但是由于固化剂的水化反应在大多数情况下是不充分的， 因而在实际工程中很难严格的控制桩体强度。这种情况下，我们就必须在水泥 土搅拌桩成桩过程中严格控制水灰比或水泥粉喷量：一般情况下，我们将现场 加入量加控制在实验室加入量的1 1 1 2 倍，并且要注意统计损失率，以便将 水泥加入量及时调整。 ( 3 ) 水泥搅拌桩的加固机理从宏观上分析似乎非常简单明了，但如果我们从 材料化学反应上看，它比其他任何一种其他桩型都要复杂。首先，搅拌桩由两 种以上性质差异很大的材料共同反应，这种反应非常容易出现反应不充分的现 象；其次，由于施工原因导致的搅拌不均匀，又会使得水泥水化的放热量在桩 体的不同部位产生很大差异，这也必然导致最终的桩体各向异性特性更加明显。 以上两点就必然导致水泥土搅拌桩加固机理研究的复杂性，这也就间接导致了 目前对水泥搅拌桩加固机理的微观研究的不成熟。 1 1 2 桩身传力规律 深层水泥土搅拌桩复合地基的传力规律与单桩传力规律有较大不同，在研 究水泥土搅拌桩复合地基的实际应用中，水泥搅拌桩的传力规律是首要解决的 理论问题。在一些试验中，实验者选用多种桩土模量比、基础顶面作用相同竖 向荷载，此时沿桩长分布的桩身轴力呈现一定规律：桩土模量比越高，桩项反 力越大，最大轴力出现在桩顶弘j ；沿桩长分布水泥土桩侧摩阻力也呈现一定规 律，桩侧摩阻力特点与没有基础时有较多差别，这是因为基础制约了桩土接触 面的相对移动，桩侧摩阻力在桩身最上部约2 倍桩径深度范围内较小，桩顶处 达到最小：而没有基础时最大摩阻力产生于桩身上部；沿桩长分布的桩一土接触 面相对滑移量规律与桩侧摩阻力分布曲线相似，桩土接触面相对滑移在桩顶处 为零。目前普遍思想是认为桩土接触面的位移变形协调的，但事实证明桩土 接触面的相对滑移还是存在的。从水泥土桩模型试验的结果分析，尽管桩土接 触面的相对滑移量很小，但要使桩侧摩阻力发挥是不需要很大的相对滑移量的。 试验结果同时表明，在桩顶至桩顶以下4 m - - - - 6 m 的范围是相对滑移主要发生的 部位；桩土模量比越大，相对滑移产生的深度越大，但几乎很难超过7 m 【j j ； 桩顶部分的桩土接触面相对滑移由于基础承台的存在而被限制了，桩身上部摩 阻力受到了削弱了。 根据应力传递特性分析可得出结论： 桩身最大轴力发生在桩顶，桩顶下2 m 左右的范围内产生侧阻力最大值； 传到桩端的荷载占桩顶荷载的比例较小； 桩顶到临界桩长的范围是桩体的变形、轴力和侧阻力主要集中的地方； 水泥土搅拌桩的破坏主要发生在浅层。 1 1 3 边荷载作用的影响 边荷载作用是指由于填土以及地面荷载等因素，在水泥土搅拌桩复合地基 顶部产生的桩周围土体受力增大、复合地基的不均匀沉降，承载力也会受到其 作用的影响。 ( 1 ) 柔性垫层的设置使水泥土搅拌复合地基中桩与桩间土的变形一致，避免 了负摩擦力的产生；这种设置可以改善桩土受力，这与边荷载作用下刚性桩顶 常常出现反向摩擦力而引起承载力降低是完全不同的【斗j 。 ( 2 ) 在道路工程建设中，当大面积堆荷载作用在地面时，超孔隙水压力就会 在地基土内会产生，随着时间的推移，超孔隙水压力在土体内逐渐地消失，有 效应力增大，土体产生固结沉降，从而引起桩间土的密实度及桩周土的有效承 载力增加【) j 。当水泥搅拌桩复合地基在单侧边载作用下时，固然上述两方面的 影响也会存在，但桩体受单侧边载作用下的受力特点与桩体在环形边载下的受 力特点是完全不同的。环形边载作用下时，桩体受力是对称的，侧向变形不不 会发生或者非常小；而当水泥土搅拌桩复合地基受单侧边载作用时，压力在桩 两侧不能平衡，进而桩体产生倾覆的趋势，这将减小桩周土对桩身水平位移的 约束作用，同时相应地削弱了土体对桩身的水平推力，土体与桩体将会产生接 触不好的现象，桩周土的承载力难以起到作用，而随之提高了桩后土体对桩身 的反向压力。显然，桩身倾覆的最终结果是逐渐减小了荷载一侧的土体对桩身 的侧向压力，却逐渐增大桩身后土体对桩身的反作用力，当二力达到均衡时， 桩体将产生整体侧向位移，桩体便停留在这个新的位置上。 1 2 水泥土桩的应用 1 2 1 水泥土搅拌桩加固地基 当天然地基的承载能力达不到设计要求时，就必须对原有地基进行加固处 2 理。地基处理的方法很多，水泥土搅拌桩是应用较多的地基加固方法之一。 ( 1 ) 对于加固饱和粘性土、非饱和粘土、砂土等多种地基，水泥土搅拌法都 是适用的，因而，可以说搅拌桩工法的适用范围是很广泛的。由于在原位搅拌， 而且施工机械的震动不大，因此施工对原土及周边环境的扰动都非常小，同时 其施工过程比较简单，不需要大量的人力、物力，这种特性使其在加固地基中 应用最为广泛。 ( 2 ) 根据固化剂掺入状态的不同，可分其分为浆液搅拌和粉体喷射搅拌两种 ( 即常说的干喷和湿喷) 。前者是用浆液和地基土搅拌，后者是用粉体和地基土 搅拌。这两种方法以后者应用较多，主要应因为我们处理的地基多数为含水量 不是特别大的土层，这种情况下如果用于喷的话就很容易导致喷粉管堵塞或者 水泥浆结块，这样就不容易控制成桩质量。 ( 3 ) 利用水泥土搅拌桩处理地基时，天然地基承载能力是首要确定的，之后 再与设计承载能力对比，进而设计水泥土搅拌桩桩身及其桩的数量，水泥掺和 比以及搅拌的均匀性控制是设计中关键环节。水泥浆注入搅拌时，要严格控制 操作程序和质量，控制水泥浆注入时间、速度和注浆连续性是保证注浆效果的 关键因素【6 1 。 1 2 2水泥土搅拌桩止水帷幕 水泥土搅拌桩止水帷幕是利用桩体本身的特性，即渗透系数小( 一般在 l o - s c r r d s 数量级) 一定的整体性，可充分的发挥其抗渗止水优势。目前，水泥 土搅拌桩止水帷幕的应用还不是很广泛，只是在一些土层性质较稳定的浅基坑 中应用，在某些深基坑中叶偶尔会有应用。因而，目前对水泥土搅拌桩止水帷 幕的相关研究非常有限，这也在一定程度上限制了其适用于止水结构性质的发 挥。 在深基坑施工中，深层( 超深层) 三轴搅拌桩作为全新的施工工法，质量控 制尤为重要，尤其在用作垂直隔断承压水的止水帷幕时，要确保整个止水帷幕 的连续性和完整性l ，j 。主要有以下项目施工时需要控制： ( 1 ) 确保准确地定位放线，确保每幅成桩后能有效搭接采用套打的方式： ( 2 ) 桩机钻杆垂直度应严格控制，防止成桩时与相邻幅出现“开又”，垂直 度的保障通过机身悬吊铅垂、两台经纬仪组合校正及桩机自身仪表盘显示进行； ( 3 ) 自动拌浆系统的各项参数应严格控制，包括水泥浆配合比、气压和浆压 等，不得随意更改各项输入控制系统的参数； ( 4 ) 因上部可能存在桩体与连续墙的叠合，因此下部无叠合部分质量要求 较上部更高，下部应采复喷方式即两次喷浆； ( 5 ) 切削速度在预搅下沉过程中应严格控制，一般不宜大于5 0c m m i n ，在 确保水泥掺量的前提下喷浆提升时可适当加快速度。 ( 6 ) 施工时避免冷缝的出现，如不得不中断施工时，必须在保证桩体有效搭 接情况下将冷缝处叠合一幅， 1 3 本文研究内容 本论文是着眼于工程实践，力求寻找一种优化的水泥土设计方法，鉴于这 一目的，本文的研究内容主要有以下几点： ( 1 ) 了解水泥搅拌桩的发展现状，从现状出发，可以帮助我们了解更多的最 新理论知识，这是为后面的进一步论述起到支撑的作用，因为我们的研究室要 从实践角度出发，因而对现状的研究也就显得非常必要； ( 2 ) 水泥搅拌桩的应用，在本文中主要是研究水泥搅拌桩在桩土复合地基中 的应用，其他领域的也有同样的结论。结合桩土复合地基来研究桩与土的作用 规律，在此基础上进一步研究复合地基承载力规律及其沉降与时间的关系； ( 3 ) 施工也是复合地基不可避免的内容，在施工中主要是总结施工工艺及施 工方法的可行性，并提出质量管理的具体要求； ( 4 ) 本文的核心内容是复合地基的设计，在这部分参考规范及其他文献中提 出的设计方法，对其中每种方法的优点及不足之处力求表述清楚，在分析对比 各种设计理论基础上，从实际出发提出相应的优化建议，这部分也包括给出一 些实现优化的措施； ( 5 ) 通过具体算例来应用得得到的结论，在设计工程中验证优化方案的可行 性。 4 第二章水泥土及加劲水泥土搅拌桩发展现状 2 1概述 ( 1 ) 水泥土或加s m w 工法桩连续墙，是一种既不同于依靠打( 振、压) 而形 成的挤土桩，又不同通过钻( 冲、挖) 孔而形成的置换桩的新型桩1 6 1 。它采用 特殊的钻杆或钻头钻入土层某种深度，喷出水泥浆或水泥粉，同时边喷、边搅、 边上提，从而让水泥浆或水泥粉随着钻孔的钻进与原位土体强行搅拌，经过结 硬之后形成完整的桩体；同时可以在水泥土硬结前插入型钢( 或预制混凝土芯 材) 而成为加劲水泥土搅拌桩。 ( 2 ) 追溯下几种桩的历史：打入式挤土桩最早是在上万年前出现的；钻孔式 置换桩也是在一百多年前出现的；水泥搅拌桩则最多只是6 0 多年前出现的，不 过仅在短短的6 0 多年间，在各种工程中都已应用到水泥土搅拌桩，可谓异军突 起，后来居上p j 。2 0 世纪8 0 年代初，我国开始使用、推广水泥土搅拌桩，经 过在全国各地大量工程近3 0 年的应用和研究，这项技术已的成熟性已被初步证 明，同时在经济上的适宜也是这种桩型明显的特点。 ( 3 ) 在水泥土搅拌桩开始被应用之时，似乎加固软土地基是它唯一的功能， 因而不被归属于传统桩的范畴p j 。随着水泥土搅拌桩不断拓展其应用范围，以 及在用作地基加固方法和用作受力构件两个方向不断地发展，其潜在功能得到 了充分发挥；随着设计思想的不断更新以及搅拌桩自身工艺的不断改善，现在 可以说搅拌桩已经可以归到传统桩的范畴，而且我认为搅拌桩是最具活力和前 途的一种桩型，因为它既作为承载受力构件，又可可作为地基( 或土体) 加固 手段。 水泥土搅拌桩具有下列区别于打入桩或置换桩的优势： 它是仅有少量挤土非置换桩，施工时振动小，噪音很小，不产生废水污 染，不需要泥浆护壁，无大量废土运出；它不同于打入式挤土桩的挤土效应， 产生挤土效应也主要是由于施工时，将具有压力的水泥浆灌入土层后在粘性土 层中引起的超孔隙水压力消散不及时，以致造成少量挤土现象p j ； 可以灵活设置它的形状，并可以搭接组合一定数量的圆柱形或其他形式 的桩体； 它的渗透系数小，能很好地防止水相基坑渗入，相对其他桩效果显著； 作为柱状桩时，可以灵活设置布桩间距，受限制较小： 可随工程需要和土的性质来改变水泥掺入比，有时可将根桩的不同桩 端设置不同的水泥参入量，从而使桩体强度自上而下产生需要的变化； 它可以与其他桩型一起应用用，从而共同形成复合地基及高强复合地 基，或分别发挥其渗水止水和抵抗弯矩的作用： 当桩身插入加劲材料时，它可以具有很大的横向和竖向承载能力，这意 味着它不仅只是用作柔性桩，也可作为刚性桩使用； 2 2 水泥土搅拌桩技术发展现状 我国应用水泥土搅拌桩技术的范围很广，据初步统计，我国每年总共用桩 数量应该在上千万甚至上亿延米，施工机械也达到千万台之多，大多数为我国 自行研发。 在地基处理技术规范 1 0 j ( d b j 0 8 - 4 0 - 9 4 ) 中称应用在加固地基的水泥 土桩为“承重”水泥土桩；称应用在基坑围护结构的水泥土桩为“支护”水泥 土桩。包括“承重”或者“支护”水泥土桩，在我国其长度一般不超过2 0 米， 因此有些人持有的“搅拌桩传力临晁桩长”的说法也就不足为怪了。 近年搅拌桩在国内外又有以下新的动向： 搅拌桩除了以水泥作为固化剂，也常用粉体石灰作为固化剂。近些年， 这种做法在北欧及东南亚等地已有应用，他们在这项技术上做了较多的工程实 践，实践也证明了这种做法是可行的，因而这项技术也是未来发展的趋势。 我国南京某炼油厂，在其两座大型油罐基础施工中，应用了几千根水 泥土桩来处理地基，桩长达到2 7 米之多j 。试验表明，水泥土桩桩身轴力有 效传递深度可达2 5 米以上，前提是水泥土桩桩身中部的水泥土强度要有足够的 保证，这也说明了此类桩与刚性摩擦桩可以具有相似的性状。 石灰中掺入“城市固体废物焚化炉飞灰”以加固软土地基的研究。澳 门大学科技系在前些年开展了这项技术的研究，依照他们的研究结果，加固效 果最佳的条件是当石灰与m s w i f 之比达到3 ：7 时。把m s w i f 作为主要固化剂的 另一种搅拌桩技术也得到了广泛的应用，这实际上也是发展的一种趋势。 完全使用地方工业废料生产的固化结料来代替水泥，用于作为止水帷 幕的搅拌桩，此类桩被称为“工业废料土搅拌桩”。近些年，上海市建筑科学 研究院等单位进行了相关的一系列的成桩、掺入料的物理力学特性试验，同时 进行了工程应用中的试验等大量的工作，取得了较为显著地研究成果。 2 3 加劲水泥土搅拌桩发展现状 2 3 1 加劲水泥土搅拌桩 ( 1 ) 加劲水泥土搅拌桩，也叫s m w 工法地下连续墙u 。所谓s m w ，是指在水 泥土搅拌桩中插入型钢，形成的排桩式连续墙。据报道，s m w 工法地下连续墙 在日本各类建( 构) 筑物深基坑工程及土体加固和止水帷幕等工程中的应用， 至1 9 9 3 年7 月已达1 2 1 6 万m 2 ，约合8 0 0 万m 3 ，其施工最大深度已达6 5 米， 在全日本各种工法施工地下连续墙中约占的5 0 左右实绩。2 0 余年来，该工法 已在除日本外的英、美、法、新加坡、泰国等国家，也广泛应用于我国香港、 6 台湾地区。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代后期，我国开始对s m w 工法进行了研究和应用。冶金工 业部建筑研究总院于1 9 8 8 年立题研究，1 9 9 4 年建设部通过了对他们的技术鉴 定。除国外普遍使用的h 型钢外，他们还根据实际国情成功研制了钢筋笼和轻 型角钢组合骨架等必需的加劲材料( 或称芯材) ，在开挖深度为地下6 1 0 米 的基坑很适用。 同济大学同建设计所等单位亦在这个时候开始研究s m w 工法，并于1 9 9 3 年将其应用于开挖深度为8 6 5 米的上海环球世界大厦基坑工程，这是第一项在 我国采用s m w 工法的工程。 自1 9 9 4 年起，上海隧道公司对h 型钢一水泥土复合结构进行了大量的试验 研究，并将其研究成果成功应用于1 9 9 7 年的上海申海大厦基坑围护工程，该课 题在1 9 9 7 年获得了上海市科委技术鉴定j 。 h 型钢的回收起拔技术( 包括其减摩隔离材料及起拔机械) 也是加劲水泥 土桩的重要技术，上海隧道工程公司在同济大学及江阴建筑总公司机械施工公 司等单位配合下，着重对上述课题进行了重点攻关，并获得成功，从而丌辟降 低s m w 工法地下连续墙的造价的新途径。 1 9 9 6 1 9 9 7 年期间，武汉、上海二地为适应工程需求，先后引进了数台日 本生产的三轴专用搅拌机：1 9 9 8 年，该隧道工程公司联合上述几家单位合作研 制成功了四轴搅拌机型号为s j b _ 4 2 3 0 4 。 根据上海的经验估计，s m w 工法地下连续墙的成本约为钻孔灌注排桩的 8 0 ，仅为常规地下墙的6 0 川。 ( 3 ) 大量施工经验表明，加劲水泥土搅拌桩具有以下主要特点： 不会产生使临近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损或地下设施破坏等危 害，这是因为其施工对临近土体的扰动很小。 随着钻掘与搅拌反复进行，由于钻杆具有螺旋推进翼与搅拌翼相间设 置的特点，可使水泥系强化剂与土体搅拌充分、均匀，墙体全场长无接缝，使 其渗透系数k 可达1 0 一c m s ，从而使它比传统的连续墙具有更加可靠的止水性； 它可以在粘土、粉质粘土、沙砾土、直径大于l o o m m 的卵石，以及单 轴试验的抗压强度为6 0 1 v i p a 以下岩层应用，因此其应用范围很广。 可在5 5 0 1 3 0 0 m m 之间选择成墙厚度，5 5 0 6 0 0 m m 为常用厚度，目前成 强最大深度在日本已达6 5 米以上，尚可施工至更深( 视地质条件而定) 。 由于采取就地将原土搅拌加固的方式，在一般地质条件下，每一机械 台班可成墙7 0 8 0 胛，并且施工可一次筑成墙体，故所需工期较其他工法短。 国内现有的双轴深层搅拌机虽然也可用于施- r a n 劲水泥土桩，但它的 成桩深度、施工效率和施工能量大多数与进口机械相比存在较大差距，最大搅 拌深度一般约为2 0 米左右，单轴工作转矩不超过9 k n m ；1 9 9 8 年上海隧道公司 7 研制成功的呈正方形布置、成桩面积1 搅拌机，单轴工作转矩高速为1 02 k n m 了与国外的差距。 2 m x12 m 、成桩深度达2 8 米四轴深层 低速为1 46 k n m ，这一技术的成功缩小 “) s j b4 2 3 0 x 4 四轴搅拌机在1 9 9 9 年1 月应用于上海地铁2 号线陆家嘴 车站5 号出入口工作井地基处理中，取得初步成功；该四轴搅拌机又于1 9 9 9 年6 月用于需要成桩深度2 6 米上的海轨道交通明珠线宝兴路站承台围护工程， 完成双排桩墙，达到日本p a s 一1 2 0 v a r 三轴搅拌机的各项技术指标14 1 。 除上述进口的和自行研发的机械外，为适应工程项目不断增多的需要，我 国技术人员利用预制桩的压桩设备，在传统的、非加劲水泥土搅拌机械的基础 上，将二者整合而形成一种拥有双立柱、双导向的专用桩机，从而在搅拌施工 完成以后立即可以实现将h 型钢插入桩体，太幅度提高了效率。 2 32 加紧水泥土搅拌桩设计 232 1 截面设计 常用的加劲水泥土搅拌截面布置有5 种形式，见图2 一l ， 与寻与寻f ；、f 产f 并；x 一 ，q 瑙车糍午产牛蒜：弊牛弊o ft l f iff1 lf 1 援 图2 - 1 加劲水泥土搅拌桩的截面澎式 ( a ) 一全位“满堂”：( b ) 一全位“1 隔1 ；( c ) 一全位i 隔2 ： ( d ) 一半位“浦堂”；( e ) 一半位“l 隔1 ” a 图、b 图、c 图我们称之为“全位”形式，印h 型钢布置在墙体全截面， 在承担拉力同时，又可承担压力；d 图、e 图我们称为“半位”形式，即型钢只 在墙体受拉区插入，以使其抗弯能力增强，而压力主要由水泥土承受。应用半 位形式可以节省很多钢材，并充分发挥了材料特性：全位形式则整体承担外力， 同时提高了截面刚度”。 按承载单元承担荷载的大小，型钢可布置为“满堂”形式或布置为“l 隔 2 ”形式( 即间隔1 个或2 个搅拌桩单元布置型钢) 。当作用的荷载较大时，布 置“满堂”形式，这种形式需较大量型钢；作用荷载较小时，布置为“l 隔1 ” 和“1 隔2 ”形式，这种布置所需型钢量小。 2332 固化剂的配合比与水灰比 寝。 加劲水泥土地下连续墙所采用水泥固化剂的配合比及其所构成墙体的强 度，将依据工程地质条件及墙体的具体要求而有所变化【l 川，在没有丰富经验情 况下，必须通过现场试验来确定。表2 一l 给出了日本广泛应用的经验值，表2 - 2 列举了上海某三项工程的水泥强化剂配合比。 对比两个表可以看到，日本所用水泥掺入比常在2 0 以上、水灰比常在 1 6 2 o ，水泥掺入量和用水量均较大，这么选择参数的目的主要是为了方便 芯材的插入，但施工成本较高。 试验研究和应用经验表明，我国的搅拌桩水泥掺加比一般以l5 1 7 为宜 l l o l 。水泥掺加比下一定的情况下，水灰比小，水泥土强度高；可是，当水狄比 小到某个值时，水泥土高度粘稠，插入型钢的阻力很大；若加大水灰比，水泥 土粘稠度降低到某个值时，型钢甚至能依靠自重插入，但又会降低水泥土的强 度。 表2 - 1 日本的s 姗t 法强化剂配合比与墙体强度 表2 2 上海三项工程水泥强化剂配合 为此，我国成功研制了先进的机械设备，使钻掘搅拌和芯材插入两道工序相继 不间断地施工，施工单位一般将水泥掺入比控制为1 5 1 7 ，水狄比为0 7 - 1 1 ， 并保证水泥土强度1 2 m p a 的前提下 1 7 】，采取t 加压插入，的工艺插入h 型 钢，提施工效率得到了高，也降低了工程成本。 2 3 3 3 型钢回收技术 9 h 型钢的造价通常约占地下墙总造价的4 0 5 0 ，因此，在加劲水泥土地 下墙中，型钢的拔出回收具有重要的经济意义。 ( 1 ) 回收h 型钢时，阻力有以下几点：型钢与水泥桩之i b j 的握紧力： 由于挡墙容易产生变形，这样就会使h 型钢也会产生一定由弯曲而产生的阻力； 水泥桩与型钢之间的摩擦力。 要保证型钢顺利的拔出回收，相关研究指出，至少有三个关键：在加 工制作或焊接型钢时要控制钢材平整、垂直，不应出现型钢本身产生扭曲；当 放入型钢或在运输和吊放时，尽量不要碰撞，插入水泥土中应尽可能依靠其自 重，起拔时要垂直加力，不能出现扭转。寻求一种粘贴或涂刷于型钢表面的 减摩材料，在型钢插入水泥土的早期将其用上；其应有较强的粘结握裹力，使 型钢与水泥土之间可很好的粘；当型钢需要被拔起时，其应丧失握裹能力，以 降低起拔阻力。研制一种易于控制各项参数的专用起拔机械。 毋庸置疑，采取综合措施，确保型钢回收顺利的一个前提条件是让挡土墙 墙体变形减小至最低程度。 ( 2 ) 为了研究不同的减摩材料与型钢和水泥土的粘结力和起拔力之问的关 系，相关工程技术人员曾进行了室内模拟试验和现场试验。所得结果表明，不 同试件的弯曲，变形阻力不同可导致对于同一种减摩剂，型钢的起拔力相差近一 位【1 8 】 i 口。 试验还表明，固体脂剂材料的粘结强度只是未涂减摩材料的试件5 一1 5 ， 使用油性材料时的粘结强度为其2 4 一7 3 ，水溶性材料的粘结强度为其 4 0 - 6 2 ，以固体脂剂的减摩效果最显著酬。 ( 3 ) 上海隧道工程公司已先后研制了j h i 、j h 2 和3 h 3 三种机型型钢起拔机 械： j h i 型起拔机：j h i 型起拔机组成构件为，一对承载能力为4 0 0 t 、最大 行程为2 0 0 m m 的千斤顶；高压动力站；起拔架：若干垫块和特制吊梁。由于主 要采用垫块起拔，劳动强度大，工作效率低。随着增加垫块高度，型钢一次起 拔高度约2 m 。 j h 2 型起拔机：这种起拔机有夹紧型钢后顶拔的专有夹具，在项拔工作 过程中能连续自动夹紧和放松落下，顶拔力大小因为有夹具摩阻力的存在并受 h 型钢腹板厚度限制而逊于j h i 型。 3 h 3 型起拔机：j h i 和j h 2 二机型的优点在j h 3 型起拔机上都能得到体 现，在施工中能连续作业，具有4 0 0 0 k n 起拔力和大于0 2 5 m m i n 平均顶拔强度。 2 3 3两种桩的比较 研究表明，由于水泥土搅拌桩插入的芯材，而大幅度提高了弹性模量和桩 身抗压强度，同时桩顶能承担较大荷载，并能向桩身下部较好地传递桩身轴力。 凌光容和郑刚在天津大学进行了关于加劲水泥土桩、非加劲水泥土桩和钻 1 0 孔灌注桩的竖向抗压承载力对比试验弘。试验场地在天津大学，该场地是由素 填土组成，土层的工程分类为粉质粘土，土层程均匀分布。采用直径均为5