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水泥土深层搅拌桩支护设计与施工

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水泥土深层搅拌桩支护设计与施工

【摘要】主要论述水泥土深层搅拌桩支护结构设计与施工。
【关键词】土压力的计算、水泥土深层搅拌桩、设计、施工
1.  工程概况
    某商住楼座落在市区临江边，由六座20层塔楼和3层裙房组成，框剪结构,地下1层，总建筑面积83300㎡,建筑物总高64.8m,地下室首层～三层为车库商业用房,四层以上为住宅，建筑总长1048m，宽641m,基础为片筏,埋深5.1m,筏板厚1。8m，地基采用深层搅拌水泥土桩加固,承载力可提高到400kpa.
工程距离南面道路8m,东面毗邻三座十层住宅大楼6m，西面和北面与低层民房相距9m.
    工程施工程序为先地基深层搅拌水泥土桩加固后基坑土方开挖。因此，坑内土层的内摩擦角可适当提高。
2.  场地水文地质情况
商住楼距离河西堤约30m，场地为旧建筑物拆除地,地下存在旧基础或旧的地下管道。上覆地层为第四系冲积层,其下基岩为石炭系石灰岩。场地在地貌上为河流I级阶地。
工程所在地的土层自上而下为：①人工填土层；②耕植土层;③第四系冲积层；④第四系残积土层；⑤石炭系灰岩.（详见图3)
场地位于江河畔，地下水位受江河水影响较大。场地内地下水主要有第四系孔隙潜水，受大气降水及江河水控制，由于卵石层厚度大，水量较为丰富。另一种为岩溶裂隙水,岩溶裂隙水赋存于灰岩的岩溶带之中,水量的大小和径流条件受地质构造，节理裂隙及岩溶发育程度控制。两类含水层有统一的地下水位,水力联系较密切，其余各层为弱含水层或相对隔水层。地下水位4.50m。
3。  水泥土深层搅拌桩支护结构设计计算
3.1  基坑支护方案的选择及分析
   根据该工程场地情况和地质条件,基坑开挖提出了三种挡土方案进行比较。
（1)       内支撑钢板桩方案，
基坑深5。1m，选用10m长拉森板桩，设一道钢管内支撑，H型钢为支撑钢柱，拉森板桩有力学性能好、密封性好、耐锤击及施打时对周围环境影响小等优点。但拉森钢板桩内支撑需边开挖边支撑，给施工带来麻烦,并且开挖工作面小，挖土速度慢，有30%的土需人工开挖。在地下室工程施工时,板桩内支撑又不可拆除，对支设模板、绑扎钢筋、浇捣砼带来很大困难。拉森钢板桩需进口,造价很高。
（2）人工挖孔桩方案
人工挖孔桩支护方案具有刚度大、稳定性好.但人工挖孔桩与桩之间有空隙，有挡水要求时不能满足,并且该方案需穿透粉细砂层才能到达卵石持力层,穿越粉细砂层会出现流砂，涌水给施工造成不安全。
（3）水泥土深层搅拌桩支护方案
 深层搅拌水泥土桩是用特制的进入土深层的深层搅拌机将喷出的水泥浆固化剂与地基土进行原位强制拌合,制成水泥土桩，硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙，既可挡土又可形成隔水帷幕,对任何平面都适用。深层搅拌水泥土桩具有无噪音、无振动、无污染、工效高及成本低等优点。此方案做法是采用桩径φ500格构式布置，桩与桩搭接150mm，水泥土挡土结构宽4m（见图1）。基坑开挖高度H=5。1m，入土深度3。4m，水泥土挡土结构总高8。5m（见图2），水泥掺量不少于13％。
对三个方案进行比较，由于深层搅拌水泥土桩的刚度大、挡土及挡水性能好、施工场地大、造价低等特点，比其他方案有明显优势，故被采用.

3.2   深层搅拌水泥土桩支护结构计算
3.2。1  土压力计算
3。2.1.1 主动土压力Ea(见图3）
标高
Ea（KN/m）
-1.75
（20+18。9×1.75）tg2(45°－90°/2）—2×14 tg(45°—9°/2）=14。80
—3。25
(20+18.9×1。75+18.2×1.5)tg2(45°－13°/2)-2×18tg(45°－13°/2)=22。22
-4。5
(20+18.9×1。75+18.2×1。5+17×1。25)tg2(45°－8°/2）—2×12tg（45°－8°/2) =55.93
-5.1
（20+18。9×1。75+18。2×1.5+17×1。25+7×0。6）×
tg2（45°－8°/2)-2×12tg（45°－8°/2)+10×0.6
=65。10
—5.1
(20+18。9×1。75+18.2×1。5+17×1.25+7×0。6）tg2(45°－19.5°/2）-2×28tg(45°－19.5°/2）+ 10×0。6 =19.28
—7.0
(20+18。9×1。75+18。2×1。5+17×1.25+7×0。6+9.5×1.9)tg2（45°－19.5°/2）—2×28tg（45°—19.5°
/2) +10(1。9+0.6)=47.29
—8.0
（20+18。9×1。75+18。2×1.5+17×1。25+7×0。6+9。5×1.9+10×1）tg2(45°－36.4°/2) +10(1.9+0.6+
1.0)=69。16
-8.5
(20+18。9×1。75+18。2×1.5+17×1.25+7×0.6+9。5×1.9+10×1+8×0.5）tg2(45°－39°/2） +10(1.9+0。6+1.0+0.5）=71。37

3。2.1。2被动土压力
标高
Ep(KN/m）
-5.6
（19。5×0.5）tg2(45°＋19.5°/2）＋2×28×
tg（45°＋19.5°/2)=98。76
-7。0
(19。5×0。5+9.5×1。4）tg2（45°＋19。5°/2)+
2×28tg（45°＋19.5°/2)+10×1.4=139.39
—8.0
（19.5×0。5+9。5×1.4+10×1）tg2（45°＋
36.4°/2） +10×（1.4+1)=153。53
—8。5
(19.5×0.5+9。5×1.4+10×1+8×0.5）tg2(
45°＋39°/2） +10×(1.4+1+0。5)=191。85

 （图3）
3。2.2 深层搅拌桩挡土结构沿基底的抗滑动稳定性计算
     按以下式计算：1.2γoEaw≤Epw+μw
其中γo－工程重要性系数（取值为1)
Eaw－作用于挡土结构上的主动侧水、土压力(KN)
Eaw=1/2×14。80×1。75+1/2(14.80+22。22)×
1。5+1/2（22.22+55。93)×1.25+ 1/2×(55.93+65。10)×
0.6+1/2（19.28+47。29)×1。9+1/2(47。29+69.16）×
1。0+1/2（69。16+71。37）×0.5=282.47KN
    Epw－作用于挡土结构上的被动侧水、土压力（KN）
Epw=1/2×98.76×0。5+1/2（98。76+139.39)×1。4+1/2（139。39+153.53）×1+1/2(153.53+191.85)×0.5=424.2KN
W－挡土结构自重(KN)，挡土结构底部为卵石，地下水位以下部分的挡土结构自重按有效重度计算,地下水位取挡土结构前后两侧地下水位的平均值.
W=19×4。0×5。05+18×4×3.45=632.20KN
μ－挡土结构基底摩擦系数（卵石摩擦系数为0。3)
则1.2×1×282。47=338.96KN
≤424.20+0.4×632。20=677.08KN
 满足要求。
3.2.3 深层搅拌桩挡土结构的抗倾覆稳定性计算：
按下式计算:1。3γo Eawha≤1/2bw+Epwhp
其中：b－挡土结构宽度(m）b=4。0m
     ha、hp－分别为主动侧水、土压力和被动侧水、土压力至挡土结构底端的力臂（m)
ha=2。72m
hp=1.42m
1.3×1×282。47×2.72=998.81KN
﹤1/2×4。0×632。20+424.2×1。42=1866。76KN
满足要求。
3.2。4水泥土挡土结构的正应力计算：
弯矩、剪力计算结果见(图4）

    γz+q+MyX1/Iy≤qw/2
γz+q-MyX1/Iy≥0
其中γ－挡土结构的重度(KN/m3）γ=19
Z－计算截面以上的挡土结构高度（m） Z=7
q－ 挡土结构顶面的超载（KN/㎡）q=20
Iy－挡土结构在计算截面处对y轴（平行于基坑边线）的截面惯性矩（m4） Iy=5.05
My－挡土结构在计算截面处对y 轴的弯矩(KN·m)My=330.23
X1、X2－挡土结构在计算截面处的截面形心至最大、最小的应力点的距离(m）, X1=1.96、X2=1。98
qw－水泥土在开挖龄期时的无侧限抗压强度标准值(kpa）qw=10000
等效矩形截面法，将护坡搅拌桩图形面积等效为矩形截面，用等效刚度法换算求得：
X1=1.96m
    X2=1。98m
   Iy=5。05m4
因此：
19×7+20＋330.23×1.96/5。05=281.17Kpa
<10000/2=5000Kpa
19×7+20－330。23×1.98/5。05=23.52Kpa>0
满足要求。
3。2。5地基承载力计算
1。1（γHo +q）≤fk
γHo+q+MyX1/Iy≤1。1fk
γHo+q－MyX2/Iy≥0
其中：γ－挡土结构的重度（KN/m3）γ=19
     H0－挡土结构的高度（m）H0=8.5
Iy－挡土结构在基底处对y轴（平行于基坑边线）的截面惯性矩（m4） Iy=5.05
My－作用于挡土结构底部对y 轴的弯矩（KN·m）My=226。42
X1、X2－挡土结构底部截面形心至最大、最小压应力的距离(m)， X1=1.96、X2=1。98
fk－地基承载力标准值（KN/㎡）fk=400
1.1×(19×8.5+20）=199.65 KN/㎡〈fk=400 KN/㎡(满足要求）
19×8.5+20+226.42×1.96/5.05=269.38 KN/㎡<1。1×400=440 KN/㎡
（满足要求）
19×8。5+20－226.42×1.98/5.05=92.73 KN/㎡>0
（满足要求）
3。2.6基坑的整体稳定性验算（略)
3.2.7其他
在水泥土内每隔3根配竹筋，顶面钢筋砼压板按构造配置,压板与水泥土之间用插筋使之连接。
4。  水泥土深层搅拌桩支护施工
采用水泥浆搅拌法施工：施工前应确定搅拌机械的压浆泵的输出量、浆液经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间以及设备提升速度等参数,并根据设计要求通过成桩试验，确定搅拌桩的配比等方面参数和工艺要求.为保证桩端施工质量，当浆液到达喷浆口后应在桩底标高处停留不少于30秒以确保浆液完全到达桩端。
(1）、定位
用塔架悬吊搅拌机到达指定桩位，对中。
(2）、预搅下沉
待深层搅拌机的冷却水循环正常后，启动搅拌机，放松起重机钢丝绳，使搅拌机沿导向架搅拌切土下沉,下沉速度由电气控制装置的电流监测表控制，工作电流不应大于额定值。
(3）、制备水泥浆
待深层搅拌机下沉到一定深度时，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆，压浆前将水泥浆倒入集料斗中。
（4)、提升、喷浆、搅拌
待深层搅拌机下沉到设计深度后，开启灰浆泵水泥浆压入地基，且边喷浆边搅拌,同时按上述确定的提升速度提升深层搅拌机.
（5）重复上、下搅拌
为使土和水泥浆搅拌均匀,可再次将搅拌机边旋转边沉入土中，至设计深度后再提升出地面.桩体要互相搭接150mm，以形成整体。
(6）清洗、移位
向集料斗中注入适量清水，开启灰浆泵,清洗全部管路中残存的水泥浆，并将粘附在搅拌头的软土清洗干净。移位后进行下一根桩的施工.桩机移位，特别在转向时要注意桩机的稳定。