刚性桩-水泥土搅拌桩概述

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⑴当竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部受到压缩发生相对于土的向下位移，桩周土在桩侧界面上形成向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递过程中不断克服摩阻力并通过它向土中扩散，因而桩身的轴力沿着深度逐渐减小，在桩端处与桩底反力相平衡；与此同时，桩端持力层在桩端压力作用下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩间土的相对位移又使摩阻力进一步发挥。随着桩顶荷载的逐渐增加，上述过程周而复始地进行，直到变形稳定为止。由于桩身压缩量的累积，上部桩身位移总是大于下部，因此上部摩阻力总是先于下部发挥，桩侧摩阻力达到极限后就保持不变，继续增加的荷载就完全由桩端持力层承受，当桩底荷载达到桩端持力层的极限承载力时，桩便发生急剧的、不停滞的下沉而破坏。因此，增强桩身上部桩侧土的结构强度，对提高桩的承载力、改善桩的变形特性具有现实意义。

⑵水泥土搅拌桩加固软土地基改善软土的固结特性。通常水泥土的压缩曲线表现出明显的超固结特性，可近似地认为水泥土桩体不存在固结现象，而只有弹性的桩身压缩。水泥土搅拌桩加固深厚软土地基一般不会贯穿整个软土层，由此形成的加固层和下卧层软土的固结特性仍可用双层地基一维固结理论来分析。从固结机理来看，加固层渗透性极低的水泥土搅拌桩（比原状土低3到4个数量级[2]）设置减小下卧层软土的排水固结；同时加固层竖向附加应力向水泥土搅拌桩集中而使桩间土所受应力大大减小，孔隙压力也大为降低，因此在下卧层软土和加固层桩间土之间形成较大的孔隙压力差，加快下卧层软土的固结。

⑶水泥土搅拌桩改善天然软土的性质。流塑态软粘土拌入固化剂后形成的加固土呈坚硬状态。粘聚力和内摩擦角较原状土增加，其抗压、抗剪强度、变形模量等指标分别比天然软土提高数十倍至数百倍。当固化剂掺入比αw>5%时，加固土无侧限抗压强度qu可达500～4000kPa，相应抗拉强度σ1=(0.15～0.25)qu，粘聚力c=(0.2～0.3)qu，摩擦角Ф变化于20º～30º之间，变形模量E50=(120～150)qu。加固土强度随固化剂掺入比、水泥标号和加固土龄期的增加而提高。随着水泥掺量的增加抗渗系数由原状土的10-7㎝/s下降为（10-7～杨1贫0信-充1愁1胞）评㎝限/延s足数堵量夹级甲。

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具体推导如下[3]：天然地基土的承载力特征值为fak。刚性桩的断面面积为Apl，平均面积置换率为m1，单桩承载力特征值为Ral，则刚性桩和天然地基形成的复合地基承载力特征值为式中：α1为桩间土承载力提高系数，与土性和刚性桩成桩工艺及桩径、桩距等有关。对非挤土成桩工艺，α1=1；β1为桩间土承载力发挥系数，一般β1≤1。水泥搅拌桩的断面面积为Ap2，平均面积置换率为m2，单桩承载力特征值为Ra2。水泥土搅拌桩与承载力特征值为fspk1的等效天然地基复合后的承载力，即式中：fspk为刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值；α2为桩间土承载力提高系数，与土性和刚性桩成桩工艺及桩径、桩距有关。对非挤土成桩工艺，α2=1；β2为桩间土承载力发挥系数，一般β2≤1。2.3复合地基的复合模量复合模量表征的是复合土体抵抗变形的能力。由于复合地基是由土和增强体（桩）组成，复合模量与土和桩的模量密切相关。确定刚性桩－水泥土搅拌桩复合地基复合模量的基本方法为：⑴按单一桩型复合地基复合模量确定方法求得天然地基和刚性桩所形成复合地基的复合模量，并将其视为一等效天然地基；⑵按单一桩型复合地基确定方法，求得等效天然地基和水泥土搅拌桩形成复合地基的复合模量即为刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基的复合模量。

图1为刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基示意图，刚性桩桩长L2，水泥土搅拌桩桩长L1。范围为加固区A1，（L2－L1）范围为加固区A2。L1以下为非加固区A3，计算深度范围内共分五个土层，各层天然地基土压缩模量分别为Es1，Es2，Es3，Es4，Es5，刚性桩和天然地基形成复合地基后的面积置换率为m1，第1层土天然地基承载力特征值为fak，刚性桩加固后复合地基承载力特征值为fspk1，模量提高系数ζ1=fspk1/fak，桩长为L2的水泥土搅拌桩复合地基面积置换率为m2（计算时不考虑刚性计的存在），复合地基承载力特征值为fspk，则桩长L2范围内模量提高系数为ζ2=fspk/fspk1。

文献[3]提出多桩型复合地基的复合模量计算方法；由此可推得刚性桩－水泥土搅拌桩的复合模量，加固区A1模量提高系数为η=fspk/fak。加固区A2模量提高系数为ζ1，非加固区A3模量不变。图1

刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基示意图Fig.1Nigidpile－deepmixingpilecompositefoundation2.4刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基检测桩身质量检测，可依照各类桩的检测方法分别进行检测，如刚性桩可采用低应变检测，水泥土搅拌桩可采用轻便触探或抽芯检测。

对于一般的复合地基加固效果检测，《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)规定采用复合地基静载荷试验，单桩复合地基载荷试验的承压板可用圆形或方形，面积为一根桩承担的处理面积；多桩复合地基载荷试验的承压板可用方形或矩形，其尺寸按实际桩数所承担的处理面积确定。

在确定刚性桩－水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值时，当Q～S曲线上有明显的比例极限时，而其值不小于对应比例界限的2倍，可取比例界限；当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半；当Q～S曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定；即取沉降比s/b或s/d等于0.006所对应的压力。3现场静载荷试验3.1

PTC＋水泥土搅拌桩复合地基某教学楼工程，地基土物理力学指标如表1。工程采用PTC＋水泥土搅拌桩复合地基，PTC桩径Φ500，桩长37m，桩端进入⑨层砾石；水泥土搅拌桩桩径Φ500，桩长15m，桩端进入③层淤泥质粘土，1根PTC与4根水泥土搅拌桩组合成一个处理单元；现场静载试验Q～S曲线如图2。表1

地层的物理力学指标Table2

Physicalandmechanicalparametersofthesoil土层层顶标高/mfk/kPaqs/kPaqp/kPa①粘土

6511

②淤泥1.00～1.50505.5

③淤泥质粘土21.50～27.808011

④圆砾28.60～29.30220301000⑤淤泥质粘土30.10～31.308011

⑥粘土20.90～34.5014020450⑦圆砾26.85～35.50220301000⑧淤泥质粘土25.80～35.9010013

⑨砾石≥31.40300451500

(a)水泥土搅拌桩Q～S曲线

(b)PTC及复合地基Q～S曲线

图2

静载试验曲线图

Fig.2

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curves3.2预制桩＋水泥土搅拌桩复合地基某地下水池工程，场地岩土主要工程特性指标如表2。地基采用水泥土搅拌桩复合地基，桩径Φ500，桩长16.0m，按1000×1000mm纵横双向均匀布置，设计单桩竖向承载力标准值不小于150kN，单桩复合地基承载力标准值不小于180kPa；施工后抽检8根桩进行载荷试验，水泥土搅拌桩单桩或单桩复合地基承载力标准值均未达到设计要求。表2

场地的岩土主要工程特性指标Table2

Physicalandmechanicalparametersofthesoil土名fk/kPaEs/MPaqs/kPaqp/kPa①粘土903.512

②淤泥451.06

③粘土④粘土混碎石1551804.56.520257001100采用预制钢筋砼桩加固，桩身截面200×200㎜，砼强度C30，主筋4ф16，箍筋φ6@200；桩长20m，分五段浇制，底段带桩靴。桩段间用焊接法接桩(或硫磺胶泥)；布桩采用每4根水泥土搅拌桩间