三轴深层搅拌桩计算规则.doc

三轴深层搅拌桩计算规则深层搅拌桩复合地基承载力计算参数的探讨深层搅拌桩法,适合加固淤泥,淤泥质土,软塑及流塑状态的黏 性土,松散状态的粉士,粉细砂和人z-k等软土地基.它具有工程造 价低,施工速度快,无污染,无噪音,还町在地下水位以下进行施工等 优点,在建筑行业中广泛采用. 地基处理规范规定:搅拌桩复合地基承载力标准值应通过现场 复合地基载荷试验确定,未进行载荷试验时,也可按下式计算: f=m(Rdk/A)+p(卜m)f(1) 分析式(1),等号右侧第一项表明是由桩身提供的承载力,第二: 项表明主要是由桩问天然地基土提供的承载力.复合地基承载力标 准值f计算精度与计算参数取值的合理性密切相关.笔者对公式多 次应用,认为对几个计算参数的取值存在一些不尽合理的情况,即取 值随意性较大,缺少严密性,属于定性取值法. 1桩间土承载力折减系数p相关取值法 分析式(1),等号右侧第二项乘以折减系数D,表明桩间土承载 力是桩身竖向位移情况下产生的,其位移大小与桩端土压缩变形和 桩身水泥土压缩变形大小有关.为此,在公式中乘以折减系数口.13 取值的大小,在规范条文中规定:当桩端土为软土时,可取0.5-1.0; 当桩端土为硬土时,可取0.1O.4;当不考虑桩端软土的作用时,町取 零.在规范条文说明中又提到:桩身强度对D系数也有影响.例如桩 端是硬土,但桩身强度很低,桩身压缩变形很大,这时桩间土就承受 较大荷重,D可能大干0.4.13系数还应根据建筑物对沉降要求而定. 当建筑物对沉降要求比较高时,即使桩端为软土p也应取小值,这样 较为安全.反之,当建筑物对沉降要求较低,容许有较大沉降时,即 使桩端为硬土,?也可取大值,这样较为经济. D取值受控因素太多,很难掌握.为了岩土工程师使用方便,首 先明确桩端土软硬划分的标准:凡孔隙比大,承载力低,压缩性高和 灵敏度高的土,称为软土;否则称为硬土.根据压缩模量大小将硬土 再分为较硬土,硬土和坚硬土.按上述规定和定义,将各种土的压缩 模量Es,折减系数D及代表性土列入表. 根据规范规定和所列相关参数,配以相关方程式如下: D=nn.(0.980.551E)(2) 式(2)中,(O.980.551gEs)是根据表中EsD值进行回归统计 取得的相关方程式,相关系数Y=0.9967.对相关方程和相关系数进行 双重检验结果,属于高度显着相关密切型. nq为桩身水泥土强度对桩问土承载力折减系数D的修正系数. 根据条文说明可按下式取值: n.1.10.002q(3) 式中nsA#建筑物安全等级对桩间土承载力折减系数p的修正系 数.建筑物的安全等级可以表达建筑物对沉降要求的高低. 2,桩身水泥土强度轻探击数N10直接判定法 规范规定:搅拌桩应在成桩后的7d,根据轻型触探击数用对比 法判断桩身强度.又规定:根据现有的轻型触探击数N与水泥土 强度q.关系来看,当桩身1d龄期击数(N.)已大于15击时,桩身已足 以满足设计要求;或7d龄期的击数(N)已大于原天然地基的击数 (N)的1倍以上时,桩身强度也已能达到设计要求.该规定可称为 轻探击数(N.)间接判断法. 桩身水泥土强度与原天然地基土的物理力学性质有关,但不属 主导相关因素,尤其经搅拌后,其结构和状态遭到严重破坏,关系就 不大了;所谓桩身强度能满足设计要求,未指明设计桩身强度是多少, 这样无具体指标评价不妥.还是根据现有轻型触探击数(N)与水泥 土强度(q,.)的关系直接评价较好.因桩身水泥土强度与加固剂的品 种,标号,掺入量和加固龄期等因素有直接关系,是决定桩身水泥土 强度大小和施工质量好坏的尺度. 3桩端天然地基土的承载力标准值qp取值方法的选择 地基处理规范规定:桩端天然地基土的承载力标准值,可按幽 家标准建筑地基基础设计规范的有关规定确定. 众所周知,深层搅拌桩是介于刚性桩与柔性桩之间具有一定压 缩性的桩.以刚性为主的水泥土桩,对桩端土的作用机理,类同桩基 础;以柔性为主的水泥士桩,对桩端土的作用机理,类同浅基础;在 一 般情况下,作用机理介于二者之间.为此,q取值不考虑桩身水泥 土强度大小,一律按浅基础地基承载力fk确定不妥. 考虑q,取值的合理性和科学性,q可按fk取值,但要对fk值进行. 修正.最终q.按修正后的fk取值.考虑到工程的安全性和经济的合理 性,q.取值要符合下式要求: qp?Kffa 4桩间天然地基土承载力标准值取值方法的探讨 桩问天然地基土承载力标准值fs?k如何取值,在地基处理规范 和软土搅拌规程中均无具体规定,在浙江省标准建筑软弱地基基 础设计规范(DBJ101-90)中规定:可采用基础底面持力层的天然 地基承载力标准值代替. 在基础主要压缩层范围内无软弱地基土夹层时,可按规范规定 代替,当基础底面持力层以下主要持力层范围内有软弱土夹层,并且 其承载力标准值fk值小于基础底面持力层承载力时,要按建筑地 基基础设计规范标准第五章第一节对软弱土夹层的承载力进行验 算,如验算结果满足不了设计要求时,要对基础底面持力层承载力标 准值进行调整,直至软土层承载力符合设计要求为止. 在一般情况下,基础底面持力层多为人工土,勘察报告一般不给 承载力,应做轻型动力触探原位测试确定,对多年填积的老填土可按 = 100kPa确定.深层搅拌桩施工工艺：一、 施工机具 常用深层搅拌桩施工机具有:SJB-1型双搅拌轴中心管输浆的水泥搅拌专用配套设备和CZG-600型单搅拌轴叶片喷浆的水泥搅拌专用配套设备，本工程视具体情况选用施工机型，一般水泥搅拌专用配套设备均包括:深层搅拌机、起重机架及作业平台、导向架、电气控制柜、灰浆浆拌制机、灰浆泵送设施等配套设备。 二、 深层搅拌桩施工方法要点: 1、工艺流程:(主要有以下六个步骤) a、定位下沉，b、深入到设计深度，c、喷浆搅拌提升，d、原位重复搅拌下沉，e、重复搅拌提升，f、搅拌完成形成加固桩体。 2、深层搅拌桩施工程序: 深层搅拌桩机定位、预拌下沉、配制水泥浆或水泥砂浆、喷浆搅拌提升(至孔口或设计桩顶标高)、重复搅拌下沉、重复搅拌提升(至孔口或设计桩顶标高)、关闭并清洗搅拌机、移机至下一桩位重复上述工作。 3、场地应先进行平整并清除桩位处地面及地下一切障碍物，场地低洼处应粘性土或砂土回填夯实; 4、施工前应标定搅拌机械的灰浆泵输送量，灰浆输送管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度等施工工艺参数，并根据设计要求通过试验确定搅拌桩配合比。 5、施工时先将深层搅拌机用钢丝绳吊挂在起重机架上，用输浆胶管将贮料罐、砂浆泵与深层搅拌机接通，开动电动机，搅拌机叶片相向而转，借设备自重，以0.3,0.5m/min的速度沉至搅拌桩设计深度，再以0.38,0.75m/min的速度提升搅拌机，以此同时开动砂浆泵将砂浆从搅拌中心管不断压入土内，通过搅拌叶片将水泥浆或水泥砂浆与深层处的软土搅拌，边搅拌边提升至地面孔口或设计桩顶标高，即完成一次搅拌过程，用相同方法再次重复搅拌下沉和重复搅拌喷浆提升，即完成1根桩的柱状加固。止水帷幕墙施工时，如此成“8”字状一根接一根的搭接施工，严格按设计要求确保桩的搭接尺寸要求，形成地下连续加固体，当水泥硬化后加固桩体亦强度上升，达到地下止水帷幕效果。 6、施工时应严格按配合比掺加固化剂，并采取防离析措施，下沉及提升时均应确保起重机架的平整和导向架的垂直度，成桩时要控制搅拌机的提升速度和次数，使其过程连续均匀，以控制注浆量，保证搅拌均匀，同时泵送必须连续; 7、搅拌机预下沉时一般不宜冲水，当遇到较硬土层下沉太慢时可适量冲水，应充分考虑冲水对成桩的质量影响; 8、每台配套设备每天工作完成后应用水清洗贮料罐、砂浆泵、深层搅拌机及相应管道，以备次日再用。 三、质量控制 1、施工前应检查水泥及外加剂的质量，检查桩位及搅拌机工作性能，检查各种计量设备的完好度(主要是水泥及水计量装置); 2、施工过程中应检查机头提升速度、水泥浆或水泥砂浆注入量、搅拌桩的深度及标高; 3、施工完成后应检查桩体强度和桩体直径，用于地下止水帷幕墙体和边坡支护搅拌桩其工作时间应达到28天强度。 4、深层搅拌桩质量检验应按现行规范标准进行。 5、对不合格的桩应根椐其位置、数量等具体情况，分别采取补桩或加强临桩等相应措施。三轴深层搅拌桩计算规则搅拌桩之间有搭接，工程量如何计算呢，是不是要分空桩和实桩，单位按米编制可以吗,空桩和实桩如何区分,重叠部分在编制清单是否要考虑, 答:编制工程量的原则应以计价规范中的计算规则执行。 按投影面积实际深度(投影面积是要扣除两圆交叉重叠部分)，一般按双头或三头为一组来计算。投影面积应该是一组的面积。一组与一组间的交叉重叠部分是不扣除的，这部分在定额里面考虑了。 有原位复打的，只计算一次体积。不能重复计算。要按水泥掺量的不同，分别计算。比较麻烦的就是如何区分是原位复打还是重叠交叉了，很多边角转弯的地方，重叠相交的面积相当大 根据浙江省建筑工程预算定额( 2003 版)桩基工程的工程量计算规则:深层水泥搅拌桩工程量按桩径截面积乘桩长计算。桩长按设计桩顶至桩底另加 0.50m 计算;若设计桩顶标高至自然地坪小于 0.50m 或已达自然地坪时，另加长度应小于 0.50m 或不计。空搅部分的长度按设计桩顶至自然地坪的长度减去另加长度计算。其工程量计算公式为: 水泥搅拌桩工程量,桩径截面积(设计桩顶标高,设计桩底标高，另加长度)根数 空搅部分工程量,桩径截面积(自然地坪标高,设计桩顶标高,另加长度)根数 1、对于单头水泥搅拌桩来说，桩径截面就是一个圆，所以桩径截面积, r 2 。 注:式中 r 为圆的半径，为圆周率。 2、对于双头水泥搅拌桩来说，其桩径截面是由两个圆相交而组成的图形(如图所示)，所以桩径截面积应按两个圆面积之和减去重叠部分(由两个弓形组成)面积来计算，然而这个重叠部分面积，计算起来是比较麻烦的。 如果圆的半径 r 、两圆连心距,均为已知数据，假设圆心角为(未知)，图形中的三角函数关系为: cos( /2) , ( , / , )/r /2 , arccosd/ ( 2r ) ?, 2arccosd/ ( 2r ) 根据平面几何和三角函数知识，且以弧度来计量，则可以推导出一个较简便的弓形面积计算公式: 扇形 O 1 AB 面积,( 1/2 ) r 2 ? 三角形 O 1 AB 面积,( 1/2 ) r 2 ? sin ? 弓形面积,扇形 O 1 AB 面积 , 三角形 O 1 AB 面积 ,( 1/2 ) r 2 (, sin ) 所以 ， 对于双头水泥搅拌桩来说 : 其桩径截面积, 2 r 2 , r 2 (, sin ), r 2 ( 2 ,， sin ) 注:式中的必须用弧度来计量;计算时，可把计算器设置在弧度( RAD )状态;如为角度，只须乘以( /180 )就可化为弧度。 双头水泥搅拌桩，桩径截面积计算举例:已知圆半径 r , 0.25m ，两圆连心距, 0.40m ，则圆心角, 2arccosd/ ( 2r ) , 2arccos0.40/ ( 2 0.25 ) , 1.2870 (注:计量单位为弧度，一般可以不写)， 其桩径截面积, r 2 ( 2 , ， sin ), 0.25 2 ( 2 , 1.2870 ， sin1.2870 ), 0.3723m 2 。 3、三头水泥搅拌桩:待续。 纯摩擦型深层水泥搅拌桩桩长计算深层水泥搅拌桩是通过特别的深层搅拌 机械,在地基深处将水泥与软土强制搅拌使两 者产生物理化学作用,形成具有一定承载力的 水泥土桩体,并与原地基形成复合地基,从而 提高地基承载力和减小变形量.它适用于淤 泥,淤泥质土和含水量较高而承载力较低的粘 土,粉质粘土,粉土等软土地基,具有造价低, 无振动,污染小,工期短,加固效果良好等优 点,是近年广东地区软土地基处理中采用较多 的一种加固方法. 作为一种桩型,深层水泥搅拌桩具有一般 桩的桩土荷载传递性状,根据有关理论,桩土 荷载传递性状随有关因素变化的一般规律 为:当桩端土或桩身的剐度与桩侧土刚度之比 愈小,或桩的长径比愈大时,传递到桩端的荷 载就愈小.由于桩身材料为水泥土,其变形模 量较一般混凝土小,若软土较厚或桩的长径较 大,则桩顶荷载传递到桩端时就会很小甚至消 失,因此桩的承载特性应属纯摩擦型,不应考 虑桩端阻力.本文根据经典的桩土荷载传递理 论,给出纯摩擦型的深层搅拌桩桩长计算公 式,指出常用桩径的深层搅拌桩应用于较厚的 软土时,增大桩长对提高桩承载力并无明显效 果,而较为有效的途径是增大桩径和提高水泥 土的压缩模量. 2纯摩擦桩桩长的计算公式 将1个弹性桩体埋人匀质土层中,桩顶竖 向荷载作用下桩土之问的荷载传递方程为: A一u(:):0(1) 啦 S(:):0:)(2) 式中:A.为桩截面面积;最为桩身材料变形模 量;s(:)为桩身微元竖向位移;u为桩截面周长; e为桩周表面与土的滑移系数i:)为桩周表 面土的剪应力(即桩周表面摩阻力). 文献3中对式(1)作出了求解,并指出当 桩长,符合下式时,即: ,?2/,/(3) 桩的竖向承载力与桩端土无关,全部荷载 由桩侧摩阻力承担,即为纯摩擦桩.但文献3 只给出一些经验数值,没给出其表达式. 根据桩土荷载传递理论,当桩受到桩顶荷 载作用而发生竖向位移时,桩侧摩阻力(即桩侧 表面对桩侧土的剪应力)通过环形土体单元由 桩侧表面向四周逐层传递,各层土体单元之间 的剪应力亦逐层减小.在这些竖向剪应力的作 用下,环形土体发生相应的剪应变.直至距离 桩轴线,(D为桩径)处的土体剪应变可以忽 略不计,文献4认为可取n=lO.根据任意2个 圆环面上的剪应力总和相等的条件,文献5导 出了桩侧土的剪切变形(桩身微元竖向位移) 32林英完:纯摩擦型深层水泥搅拌桩桩长计算2001年第11期 s(z)与剪应力(桩侧摩阻力:)的关系式如下: S(z)=(1)/E-jO?ln(2n)r()4) 式中:E为桩周土的变形模量;为桩周土的泊 松比. 当n=lO时.1n(2n)一3,于是有: S(z)=3D(1+V)/E.)(5) 比较式(5)与式2),得: c(6) 将式(6)代入式3),得出纯摩擦型的深层搅 拌桩桩长判别式为: L?,/了D,/77) 3工程应用实例 某集装箱堆场地基加固工程位于广州港 新沙港区内+总面积达9万,要求处理后地 基承载力?250kN/m.该场地地质复杂,按土 层成因可分为上,中下共3层,分别为:(1j吹 填砂土层,厚2m;(2)第四纪河流淤积冲积软 土层,厚1520m,由砂质牯土和粉质粘土组 成,具有压缩性高,含水量太,强度和承载力低 的特性;(3)第三纪强风化页岩或砂页岩. 有关专家对该地基进行了软土处理复合 地基技术研究,并建议采用水泥粉喷深层搅拌 桩加固技术,同时对水泥土进行了室内交叉试 验和现场单桩极限承载力试验,试桩资料为: 桩径0.5m,桩长15m,水泥掺入量15%,单桩极 限承载力>4o0kN6l. 文献6蛤出了90d龄期15%水泥掺入量 的水泥土无侧限抗压强度f=2MPa,并建议其 变形模量E口=(100,150,同时也给出了当地 软土的变形模量E=2MPa,但没有给出土的泊 松比,根据文献7可取=O.4,以常用桩径 D=-500mlqo_,并取Ep=125,代入式(7j得: L?x0.5xX/1.()_250x(1+0.4)/2=146m 即桩长L=I1.46m时为纯摩擦桩.地基设计计 算时取桩长L=12m,桩径D=500mm,水泥掺入 量15%,原地基上层土为吹填砂,软土层为砂 质粘土和粉质粘土,取平均摩阻力13kN/m, 桩的承载力标准值为: 12x0.5x13=245(kN) 在工程施工完成约l/3后,随机抽取5根 桩进行静载试验,其结果见表l. 表1静载试验结果汇总表 缩工程试桩最大最大沉降残余褫陴承薮力设计值 号点号荷载(kN)量(r啪)量(mm)对应沉陴量(加m) 4结论 4.1当深层水泥搅拌桩桩长大于式(7)的计算 值时,应按纯摩擦桩考虑,不应计及桩端阻力. 4.2由式(7)计算得出的值愈太,桩的承载力就 愈高,因此提高深层水泥搅拌桩爨载力的有效 途径是增大桩径和增大水泥土的变形模量. 4.3虽然式(7)是推导自经典的桩土传递理论,但对实际设计和施工具有指导意义.深层搅拌桩施工工艺简述（1）施工前的准备工作 应在施工前完成如下准备工作： 搞好场地的三通（路通、水通、电通）一平（清除施工现场的障碍物），查清地下管线的位置及确定架空电线的位置、高度； 放线：按设计图纸放线，准确定出各搅拌桩的位置；搅拌桩桩位应每隔5根桩采用竹片或板条进行现场定位。根据需要改动原设计位置的，需取得设计、监理等的同意后，方可执行； 作好施工准备，包括供水供电线路、机械设备施工线路、机械设备放置位 置、运输通道等。 所需材料应提前进场，水泥及外加剂必须有出厂合格证，水泥必须送试验室检验合格后方能使用。 （2）施工流程 深层搅拌桩施工按下列步骤进行： （3）成桩工艺 a)搅拌桩机：PH-5系列深层搅拌桩机及相应的辅助设备（灰浆泵、灰浆搅拌机等）。 b)制备水泥浆：按设计确定的配合比拌制水泥浆，待压浆前将水泥浆倒入集料斗。 c)预搅下沉：待搅拌机的冷却水循环正常后，启动搅拌机电机，放松起重机钢丝绳，使搅拌机沿导架搅拌切土下沉，下沉的速度可由电机的电流监测表控制，工作电流不应大于40A。搅拌机下沉时开启灰浆泵将水泥浆压入地基中，边喷边旋转。 d)提升喷浆搅拌，搅拌机下沉到达设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆压入地基中，边喷边旋转，同时严格按照设计确定的提升速度提升搅拌机。 e)重复上、下搅拌，搅拌机提升至设计加固深度的顶面标高时，集料斗中的水泥浆应正好排空，为使软土和水泥浆搅拌均匀，再次将搅拌机边旋转边沉入土中，至设计加固深度后再将搅拌机提升出地面，搅拌过程同时喷水泥浆。 f)清洗，向集料斗注入适量热水，开启灰浆泵、清洗全部管线中的残存水泥浆，直到基本干净，并将粘附在搅拌头上的杂物清洗干净。 g)移位，重复上述a)-f)步骤，再进行下一根桩的施工。1、场地整平清除一切地面和地下障碍物，场地低洼处先抽水和清淤，分层务实回填粘性土，必要时可以搅拌石灰或水泥，确保桩机站位处地基稳定。2、桩位布置按设计图排列布置桩位，在现场用经纬仪或全站仪定出每根桩的桩位，并做好标记，每根桩位误差5cm。（对于smw工法桩，放样后做好测量技术复核单，报监理复核验收，确认无误后方能进行三轴搅拌桩施工）3、桩机就位搅拌桩机到达作业位置，由当班机长统一指挥，移动前仔细观察现场情况，确保移位平稳、安全，待桩机就位后，用吊锤检查调整钻杆与地面垂直角度，确保垂直度偏差不大于1%。在桩机架上画出以米为单位的长度