水泥土搅拌桩复合地基设计

水泥土搅拌桩复合地基设计PAGEPAGE1水泥土搅拌桩复合地基设计介绍——结合常州地区经验吴祖德（常州市建设工程施工图设计审查中心，江苏213002）摘要：结合常州实践经验和设计规范，介绍了水泥土搅拌桩的构造特点、施工方法、以及常用加固方法及型式，其中详细介绍了设计方法，复合地基承载力设计值和沉降量的计算，以及相应的应用软件，可提供给相关专业技术人员在工作中参考应用。注：执行《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）时，注意规范用词，称“水泥土搅拌桩”，不再称“深层搅拌桩”、“粉喷桩”；水泥土搅拌桩的施工工艺分为：浆液搅拌法（简称湿法）；粉体搅拌法（简称干法）。关键词：水泥土搅拌桩单桩承载力复合地基承载力沉降计算1深层搅拌桩在常州地区的实践1.1常州实践常州市于1992年引进水泥土搅拌桩加固软土地基，首先采用在亚细亚傍留芳路6层住宅，淤泥质土有20m深。至今常州仍然用得很多，其间也出现过一些问题，施工控制不好，有产生不均匀沉降、裂缝等。上海有一段时间，因出现过问题，禁用水泥土搅拌桩，后来放宽好用了，有附加条件，要经过沉降计算，并符合要求。在常州水泥土搅拌桩主要适用加固地耐力120KPa以下淤泥质、粉质粘土。大于120、130、140KPa也处理，但搅拌机械动力较困难，施工要细心。地耐力120KPa以下的地基，处理后可达100～300KPa，含砂、粉粒的土可达大于300KPa。一般处理后的复合地基可达200KPa以内。水泥土强度，常州在1～1.2MPa（个别有1.4MPa），复合地基在150～180KPa。PAGE1PAGE15表1常州早期深层搅拌桩典型工程介绍序号地点年代淤泥层厚（m）桩径（mm）桩长（m）水泥掺量（%）置换率（%）水泥土强度（MPa）单桩承载力（KN）复合地基承载力（KPa）沉降量（cm）设计实测设计实测度可达1.0～1.2MPa（室内试验还要高些）。表1为某工程的水泥土无侧限抗压强度（MPa）表，图1为某工程的不同水泥掺入比、水泥龄期的水泥土无侧限抗压强度。表2某工程的水泥土无侧限抗压强度（MPa）图1某工程的不同水泥掺入比、水泥土龄期的水泥土无侧限抗压强度图③土含水量：河塘地区一般在30～50%。采用水泥掺入量15%，即可达到要求强度，当含水量＞80%，强度降低很多，要做试块；④水泥标号：原用425号普通硅酸盐水泥，现在标号是42.5级。用标号高，强度大；⑤有机质含量：要慎重。如泥灰层等；⑥加入外加剂：有粉煤灰、磷石膏等。常州试过粉煤灰，效果不明显；⑦土中含粉粒、砂粒：如淤泥质粉土、粉砂处理强度高，水泥土强度可达1.6～1.8MPa；⑧搅拌均匀度：要搅拌均匀，强度高。1.4关于桩及复合地基承载力公式，属半经验、半理论的公式，要通过实践积累经验。1.5复合地基承载力。水泥土搅拌桩的桩径最小桩径不应小于500mm。一般单桩直径500mm，长5～8m，承载力80KN，也有100～120KN。桩间土承载力折减系数，也与沉降要求有关，沉降要求不高取大，要求高取小。褥垫层（碎石垫层），用振动压路机碾压最好，厚度不少于20cm，一般按30cm取用，可创造上刺入条件。当有水平力荷载时，没有褥垫层，桩折坏，有褥垫层时，桩不再破坏，实际是砂、碎石摩檫扩散。加褥垫层，β1.6深层搅拌桩复合地基上的过渡层深层搅拌桩复合地基上的过渡层有褥垫过渡层（图1a）、塌落拱过渡层（图1b）、反滤导渗层（图1c）、防渗稳定层（图1d）。1.6.1褥垫过渡层:通过褥垫层材料在承受荷载后产生的流动补偿，使地基、桩间土与基础始终保持接触，从而能充分利用桩间土的承载能力，共同工作。褥垫层过渡层对于协调桩土变形、调整基础不均匀沉降、保证桩土共同作用极为有效。竖向承载水泥土搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度可取200～300mm，常州一般取300mm碎石褥垫层，最大粒径不宜大于20mm。图2碎石褥垫层图当在挡土墙下的水泥土搅拌桩地基处理时，当有防渗要求时，应采用低强度等级的素混凝土垫层或有一定强度的水泥土垫层。常州可采用厚20cm的C20素水泥混凝土垫层。（a）褥垫过渡层（b）塌落拱过渡层（c）反滤导渗层（d）防渗稳定层图3水泥土搅拌桩复合地基上的过渡层图注：⑴上部结构；⑵褥垫（虚线为承受荷载后变形情况）；⑶水泥土搅拌桩；⑷软土；⑸混凝土道面；⑹底基层；⑺塌落拱；⑻持力层；⑼防水混凝土层；⑽反滤导流层；⑾压淤平台（粘土或亚粘土）1.6.2塌落拱过渡层:为在水泥土搅拌桩及桩间土组成的复合地基与基础之间设置具有一定厚度的石碴过渡层。这种过渡层与褥垫层过渡层相反，对桩间软土无强度要求，但要求水泥土搅拌桩底部深入承载力较大的持力层中。采用填料粒径较大，且有较大的内摩擦角。当桩间软土受荷产生固结沉降后，位于支撑桩上的石碴基本不沉降，而位于桩间软土上的石碴下部随之松动、下沉，形成塌落拱。上部荷载通过塌落拱传力至水泥土搅拌桩上，桩间软土基本不再承载，从而减少地基沉降量，过渡层兼起排水减压、均化应力等作用，特别适用于上部结构及基础刚度不大的飞机跑道、高速公路路基及大型场站工程;1.6.3反滤导渗层:承台或基础底板即使采用防水混凝土，渗透系数亦在3×10-10～1×10-10cm/s之间，与下卧软土的渗透系数相近。完建后，软土中的孔隙水、毛细水通过基础底板或承台向上渗透，软土中的空隙压力不断减少，软土便会产生新的固结沉降。在排水作用下，加速桩间土固结。建成后又能使外1.6.4防渗稳定层：当基础底板或承台位于地下水位以下，或地下水位变化频繁时，为了实现干地施工，可在水泥土搅拌桩施工范围的淤泥内，采用粘土或亚粘土通过挤淤方式，形成压淤平台；或采用反铲挖除软土回填抗剪强度高，又有一定防渗性能的粘土或亚粘土。然后在回填的粘土或亚粘土上施工水泥土搅拌桩。利用回填的粘土或亚粘土起防渗及稳定边坡作用，开挖施工基础，进行上部结构施工。进行上部结构施工。这种方式特别适于在流塑状态淤泥中采用水泥土搅拌桩复合地基。1.7关于软弱下层：处理河塘、河沟，当桩打入持力层，不存在软弱下卧层。常州有30m厚淤泥，桩不可能打入持力层，故会有软弱下卧层存在，实际是在其上制造一层硬壳层。常州当淤泥20m时，采用桩长5m，当淤泥30m时，采用桩长8m；1.8关于沉降：桩满足强度外，也有沉降控制。处理方法，有建筑物留缝，增强上部刚性等。当桩打入持力层，桩体部分沉降在3～4cm多。当桩有软弱下卧层，沉降就会更大，如留芳路住宅有10cm多，沉降量有二部分组成，桩体部分及软弱下卧层。市政工程基础大，影响深度深，后期沉降大；1.9关于基础外要否布桩：按承载力计算，不需要。因为，水泥土桩的强度和刚度是介于柔性桩（砂桩、碎石桩等）和刚性桩（钢管桩、混凝土桩等）间的一种半刚性桩，它所形成的桩体在无侧限情况下可保持直立，在轴向力作用下又有一定的压缩性，但其承载性能又与刚性桩相似，因此在设计时可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像柔性桩一样需在基础外设置护桩。1.10关于布桩形式：1.10.1有矩形、梅花形、单排、多排，主要凑置换率；水泥土搅拌桩的布置型式对加固效果有很大影响，一般根据工程地质特点和上部结构要求可采取柱状、壁状、格栅状、块状以及长短桩相结合等不同加固型式。图4水泥土搅拌桩的布置型式①柱状：每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱状加固型式，适用于单层工业厂房独立基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。②壁状：将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固型式，适用于防渗墙、深基坑开挖时的边坡加固，建筑物长高比大、刚度小和不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。③格栅状或块状：它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而成的加固型式。适用于上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。④长短桩相结合：当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基上时，可用3m～5m的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状，借以调整和减小不均匀沉降量。1.10.2在晋陵中路铁路立交下穿地道傍，十几米外有一条河，就中间土中采用了双排水泥土搅拌桩，成为埋入土中的防渗挡水墙。构造如下：图5水泥土搅拌桩防水墙示意图1.10.3《粉体喷搅法加固软弱土层技术规范》（TB10113-96）介绍的常用加固方法及型式:如图6按加固断面形状的分类、图7按支承形式的种类、图8适用实例：（a）桩式加固（b）壁式中加固（c）格子式加固（d）块体式加固图6按加固断面形状的分类（a）承力层支承式（b）非承力层支承式图7按支承型式的种类图8适用实例1.11关于施工方面：现有机械动力，适于处理淤泥，桩进入好土50～100cm，电机电流A=50安倍即可。搅拌次数越多越好，干法桩，提升时喷粉，一般是二搅一喷，湿法桩，钻、提均喷，一般是4搅4喷；竖向承载搅拌桩施工时，停浆（灰）面应高于桩顶设计标高300～500mm。在开挖基坑时，应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除。1.12规范规定：竖向承载水泥土搅拌桩复合地基中的桩长超过10m时，在全桩水泥总掺量不变的前提下，桩身上部三分之一桩长范围内可适当增加水泥掺量及搅拌次数；桩身下部三分之一桩长范围内可适当减少水泥掺量。1.13标高不够：指下搅拌桩处的地面标高不够时，用新回填土夯实，再置施工机械1.14关于验收试验方法：成桩前，要做试块。成桩后：1）静力触探（施工单位自检），挖开看φ16压入试验；2）取芯；3）载荷试验，用承载板，2倍荷载，周期长，费用高；4）快速载荷试验，1.2～1.4倍荷载值，沉降5cm内取值；5）沉降观测。2设计实例依据规范有：①《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）（建设部）；②《深层搅拌法技术规范》（DL/T5425-2009）（能源部）；③《软土地基深层搅拌加固法技术规程》（YBJ225-91）（冶金部）；④《粉体喷搅法加固软软弱土层技术规范》（TB10113-96）（铁道部）；⑤《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）（交通部）；⑥其他还有各地的地方标准：如，上海市标准《地基处理技术规范》（DBJ08-40-94）、江苏省地方标准《南京地区地基基础设计规范》（DB32/112-95）等等。2.1计算单桩承载力（长虹路地面辅道众恒大桥东桥台，采用深层搅拌水泥桩进行地基加固处理）桩身材料强度确定的单桩承载力：（1）桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力：（2）以上两公式估算，取其中较小值式中——搅拌桩单桩竖向承载力设计值（KN）;——与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固土试块的无侧限抗压强度（KPa）;K——强度折减系数，一般可取0.3～0.4;——搅拌桩的截面积（㎡）；——桩周土的平均摩阻力标准值（KPa），一般淤泥可取5～8；淤泥质土可取8～12；对于粘性土，软塑状态可取12～18；可塑状态可取18～24；——搅拌桩桩周长（m）；L——搅拌桩桩长（m）；——桩端地基承载力标准值（KPa）；——桩端土支承力的折减系数，一般可取0.5.已知：桩直径φ=0.5m桩间距=1.0×1.0m平均桩长L=10.0m桩周土的平均摩阻力标准值=8KPa桩端地基承载力标准值=120KPa室内加固土试块的无侧限抗压强度=1200KPa=3.14×0.5×0.5/4=0.196（㎡）搅拌桩桩周长=3.14×0.5=1.57（m）求算单桩竖向承载力：①桩身材料强度确定的单桩承载力=0.3×1200×0.196=70.6（KN）②桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力=8×1.57×10.0+0.5×0.196×120=137.36（KN）单桩承载力取小值=70.6（KN）2.2计算水泥土搅拌桩复合地基承载力设计值（长虹路地面辅道众恒大桥东桥台，采用深层搅拌水泥桩进行地基加固处理）计算公式：（3）式中——复合地基承载力设计值（KPa）;m——搅拌桩面积置换率（%）；——桩间土地基承载力标准值（KPa）；——桩间土承载力折减系数当桩端为软土时，取0.5～1;当桩端为硬土时，取＜0.5;不考虑桩间软土作用时，取=0加固设计时，可根据地基承载力要求按下式求置换率：（4）试求所需置换率：复合地基承载力设计值为119.6（KPa）,求置换率：====0.199≈0.20=≈0.2=0.85=70（KPa）==119.6（KPa）表3φ500桩径桩间距与置换率对照表桩间距（m）置换率（%）桩间距（m）置换率（%）正方形布桩正三角形布桩正方形布桩正三角形布桩1.311.6113.430.8527.1631.421.2512.5614.530.8030.6635.471.2013.6215.760.7534.8440.361.1514.8417.160.7040.0046.331.1016.2218.760.6546.3953.731.0517.8020.590.6054.4463.061.0019.6322.700.5364.7975.040.9521.7525.150.5078.4090.800.9024.2328.02表4容许工后沉降工程位置道路等级桥台于路堤相邻处涵洞、通道处一般路堤高速公路、一级公路≤0.10m≤0.20m≤0.30m二级公路≤0.20m≤0.30m≤0.50m注：容许工后沉降参考《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）表7.6.4-2。2.3计算竖向承载水泥土搅拌桩复合地基的变形（沉降）包括桩群体的压缩变形和桩端下未加固土层的压缩变形二部分之和。桩群体复合土层的压缩变形S1可按下式计算：（5）式中：Pc—桩群体复合土层顶面的附加压力值，KPa;P0—桩群体复合土层底面的附加压力值，KPa;L—实际桩长；E0—桩群体复合土层的压缩模量，KPa，可按下式计算：（6）式中：Ep——搅拌桩的压缩模量，可取（100～120）fcu，KPa，对桩较短或桩身强度较低者可取低值，反之可取高值；Es——桩间土的压缩模量，KPa，可取桩长范围内土层压缩模量的加权平均值。以上两式是半理论半经验的搅拌桩水泥土体的压缩量计算公式。其中搅拌桩的压缩模量Ep的数值，根据经验黏性土可取（100～200）fcu（KPa）,砂性土可取（200～1000）fcu（KPa）。对桩较短或桩身强度较低者可取低值，反之可取高值。此经验值，也有取Ep=（25～50）fcu（KPa）的，所以存在较大差异，实际应用应适当取值。如：fcu=1.2MPa时，前一经验值为：Ep=（100）fcu=120MPa，后一经验值为：Ep=（25～50）fcu=50×1.2=60MPa。根据大量水泥土单桩复合地基载荷试验资料，得到了在工作荷载下水泥土桩复合地基的复合模量，一般为15MPa～25MPa，其大小受面积置换率、桩间土质和桩身质量等因素的影响。且根据理论分析和实测结果，复合地基的复合模量总是大于由桩的模量和桩间土的模量的面积加权之和。大量的水泥土桩设计计算及实测结果表明，群桩体的压缩变形量仅变化在10mm～50mm间。下卧层变形按天然地基采用分层总和法进行计算。举例：土层2号=0.196×100+（1-0.196）×3.47=19.6+2.79=22.39（MPa）==8.15（mm）②桩端下未加固土层的压缩变形S2可按现行地基规范中的分层总和法进行计算。2.4搅拌桩平面布置可根据上部结构特点，采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式，一般只需在上部结构物基础范围内布桩，桩数可按下式计算：（7）式中：n——布桩总数（根）；A——上部结构物基础底面积（㎡）；m——搅拌桩面积置换率（%）；——搅拌桩的截面积（㎡）。2.5按《深层搅拌法技术规范》（DL/T5425-2009）、《软土地基深层搅拌加固法技术规程》，在搅拌桩处理以下存在软弱下卧层，当搅拌桩置换率较大（一般m＞20%）而且不是单行排列时，应将搅拌桩群体和桩间土视为一个复合体，用下式进行下卧层地基强度的验算：（8）＜fz式中：Pb——假想实体基础底面压力（KPa）;——复合地基承载力设计值（KPa）A——上部结构物基础底面积（㎡）；G——假想实体基础自重（KPa）;As——假想实体基础的侧表面积（㎡）；qs———桩周土侧阻力特征平均值，KPa;——桩间土地基承载力标准值（KPa）A1——假想实体基础底面积（㎡）；fz——假想实体基础底面经修正后的地基承载力设计值（KPa）；fz可参考GB5007-2002中5.2.4计算地基承载力特征值。图9下卧层地基强度的验算图当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，尚应按下式修正：（9）3具体应用：3.1复合地基强度，一般的计算，用手算也很快。沉降计算会复杂一些的，可用软件来计算，较快。用软件计算，首先要输入的数据正确，才能有正确的结果。在填输入数据时，要很细心，并要求收集到的资料要全。计算水泥土搅拌桩的软件，有简易的电子表格软件、同济启明星软件、理正岩土工程软件。计算软土路堤用理正软土路堤、堤坝设计软件，较为精确，因为可加路堤形状的梯形荷载（编制主要依据：主要是由《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）替代《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96））；计算挡土墙基础可用理正地基处理软件（编制主要依据：《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002））。沉降计算要输入各土层的压缩模量，一般岩土工程地质报告中会有。举例：①惠山南路利用软件计算路堤沉降量时，输入的是各土层在压力0、50、100、200、300、400KPa下的孔隙比：表5各土层e-p值层号e（0）e（50）e（100）e（200）e（300）e（400）11.2161.1271.0791.0190.9750.94320.7730.7530.7400.7250.7130.70430.9170.8980.8860.8710.8580.84840.6820.6670.6560.6400.6270.616②也有输入压缩模量的，注意应注明在那级荷载下的，如镇江6.4米路堤沉降计算；层号Es（100-200）（MPa）19.19最好是各级荷载下的压缩模量，因地质报告中没有，所以钻探前，把要求要讲好。一般用Es（1-2）值，因为实际工程中土的压力变化常为P1=100KPa,P2=200KPa，通常用该压力间隔内的压缩模量来评价土的压缩性高低：Es＜4MPa为高压缩性土Es＞15MPa为低压缩性土Es=4～15MPa为中压缩性土。3.2介绍几张图表3.2.1e—p压缩曲线e—孔隙比；p—压力。图10土样的e-p曲线3.2.2岩土工程勘察报告中的e—p压缩曲线、压缩模量：图11土样的e—p压缩曲线、压缩模量3.2.3计算各分层土的自重应力平均值及附加应力平均值。如下图：图12各分层土的自重应力平均值及附加应力平均值图地基变形计算深度ZN，附加应力与自重应力相比可忽略不计的范围。规范规定：地基变形计算深度ZN,应符合下式要求：≤0.25（10）式中：——在计算深度范围内，第i层土的计算变形值——在由计算深度向上取厚度为Δz的土层计算变形值，Δz见图5.3.5并按表5.3.6确定。图13基础沉降计算的分层示意图表6Δz理正地基处理软件就是这样计算的。计算中，还有习惯使用取附加应力为自重应力的0.2处的深度。3.3地基最终沉降量的组成S=Sd+Sc+Ss（11）式中：S—地基最终沉降量；Sd—瞬时沉降（不排水沉降）；Sc—固结沉降（主固结沉降）；Ss—次固结沉降。图14地基沉降的三个组成部分瞬时沉降（不排水沉降）：指加荷瞬间土孔隙中水来不及排出，孔隙体积尚未变化，地基土在荷载作用下仅发生剪切变形时的地基沉降。粘性土地基可用弹性力学公式计算；固结沉降（主固结沉降）：指在荷载作用下，随着土空隙中水分的逐渐挤出，空隙体积相应减少，土体逐渐压密而产生的沉降，通常可采用分层总和法计算；次固结沉降：指土中空隙水完全排除，土体固结已经完成后，由土骨架的蠕动变形所引起的沉降，组成地基最终沉降的三部分沉降值的相对大小与土的类别有关，一般说来，砂性土排水快，沉降量几乎全在加荷后的瞬时发生，次固结沉降很小；粘性土排水慢，沉降的三个组成部分可以明显的区分开来；而实测饱和软粘土的瞬时沉降量往往占最终沉降量30～40%，且加荷速度愈快，所占百分数愈大。此外，对于很软的土，尤其是土中含有一些有机质（如胶态腐殖质等），或是在深处的可压缩土层中当压力增量比（土中附加应力与自重应力之比）较小的情况下，必须考虑次固结沉降的计算。3.4天然土层的固结。按土的受荷历史（上