水泥土搅拌桩复合地基的设计及应用.pdf

水泥土搅拌桩复合地基的设计及应用李瑞贤员袁闫志刚圆袁丁玉玲员袁张胤猿渊员援江海职业技术学院袁江苏 扬州 圆圆缘园园怨曰圆援扬州市职业大学袁江苏 扬州 圆圆缘园园怨曰猿援南京市水利规划设计院股份有限公司袁江苏 南京 圆员园园园园冤摘要院分析了水泥土搅拌桩加固机理和适用范围袁探讨了水泥土搅拌桩复合地基的设计内容尧设计流程尧指标计算和检测要求遥 以某泵站地基加固为例袁具体分析了水泥土搅拌桩复合地基的设计方案遥关键词院水泥土搅拌桩曰复合地基曰设计流程曰指标计算曰桩基检测曰地基加固中图分类号院栽灾223.22文献标识码院A凿燥蚤院员园援员猿远愿员辕躁援糟灶噪蚤援糟灶源员原员圆愿圆辕贼增援圆园23援03援园02收稿日期院圆园圆猿原园源原员员基金项目院江苏省高校哲学社会科学研究一般项目院工程造价专业野德技并修冶育人模式研究渊圆园圆圆杂允再月圆员愿苑冤遥作者简介院李瑞贤渊员怨愿猿要冤袁女袁河北石家庄人袁讲师袁硕士袁主要从事高校工程管理专业的教学与研究工作遥园引言水泥土搅拌桩最早在美国研制成功袁 称为酝蚤曾藻凿原蚤灶原孕造葬糟藻 孕蚤造藻 渊简称为 酝陨孕 法冤咱员暂遥 它是通过特制的深层搅拌机袁对软土和水泥渊固化剂冤强制搅拌袁并利用水泥和软土之间所产生的一系列物理尧化学反应袁使土体固结袁形成具有整体性尧水稳定性和一定强度的水泥土桩咱圆暂遥 由于水泥土搅拌桩具有机械化程度高尧施工工期短尧成本低尧效率高尧对环境影响小等优点袁已被广泛应用于水电尧水利尧工业与民用建筑尧铁路尧公路尧市政等各个领域咱猿原源暂遥 在工程应用中袁设计人员发现袁不同于刚性灌注桩桩体的强度控制袁 水泥土搅拌桩设计侧重于复合地基的加固效果遥 如何提高水泥土搅拌桩加固后复合地基的强度一直是基建工程的重要研究内容遥 韦全余等分析了水泥土搅拌桩复合地基沉降的影响因素袁 提出有效桩长和最佳桩土模量比是控制搅拌桩复合地基沉降的关键因素的观点咱缘暂遥 戴国佳等发现了长短桩间隔布置且提高一定比例水泥的加入量袁对于淤泥含量较高的软基加固效果较好咱远暂遥 柏杨等通过灵活调整水泥土搅拌桩的布置及尺寸袁针对性地解决了软基不均匀沉降问题咱苑暂遥 江高采用不同水泥配比的加固方案来研究深层搅拌桩复合地基承载力提高程度咱愿暂遥 鉴于水泥土搅拌桩已广泛应用于各类工程的软土地基加固中袁进行相关设计与计算方法的梳理总结袁探寻适合的桩体检测来保证工程质量袁 是十分必要的遥 基于此袁 笔者试对水泥土搅拌桩的加固机理及适用范围进行分析袁并结合水利工程特点袁提出关于水泥土搅拌桩布置及褥垫层设计的要点袁 剖析水泥土搅拌桩地基加固计算时重要参数取值及加固效果检测重点袁以期为类似工程提供参考遥员水泥土搅拌桩概述员援员水泥土搅拌桩加固机理水泥土搅拌桩是一种结合灌注桩与碎石桩优点的地基加固措施遥 它采用特定的机械将水泥在一定压力下搅入地基土中袁 并以搅拌的方式使得水泥与地基土相融合袁 同时通过控制机械导管的位置来控制加固范围和深度遥为了加快浆液固结时间袁需根据所加固地基土的性质袁 在浆液中掺入适量减水剂或石灰土遥这也可以提高相应土体的强度和变形模量遥此外袁 搅拌速度和施工工艺也会影响地基土体的强度袁常见的野四喷四搅冶施工工艺可保证泥浆与原地基土较好地混合袁减少出现较大块状水泥的情况遥具体加固机理如下院渊员冤水化作用遥 水泥浆液在与土体充分融合后袁会发生一系列的水反应袁 其中胶状的氢氧化钙可以将土粒黏结起来袁形成强度有所提高的土块遥 同时袁土体中一些钙尧钠尧钾等离子袁也会伴随着浆液水化袁使土颗粒出现抱团现象袁从而起到提高原土体强度的作用遥渊圆冤硬化作用遥水泥浆液中的钙离子会与土体中的三氧化二铝或石英沙发生化学反应袁 形成类似结晶的块体袁并且随时间推移袁该晶块还会变得更硬袁从而起到提高原土体强度的作用遥员援圆水泥土搅拌桩的适用范围根据水泥土搅拌桩的加固机理与施工工艺特点袁其适用范围大致可分为淤泥类土和粉沙类土遥淤泥类土包含淤泥质土尧软塑性土尧软土等遥 粉沙类土第 35 卷 第 3 期圆园23 年 7 月黄河水利职业技术学院学报允燥怎则灶葬造 燥枣 再藻造造燥憎 砸蚤增藻则 悦燥灶泽藻则增葬灶糟赠 栽藻糟澡灶蚤糟葬造 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻灾燥造援35 晕燥援3Jul援20237黄河水利职业技术学院学报圆园23 年第 3 期包含粉细沙土尧粉土尧粗沙尧含沙黄土等遥而含有较大建筑垃圾的杂填土尧含有较大孤石的填土尧较密实沙土等地质条件袁 不适合采用水泥土搅拌桩进行土体加固处理遥对于含水量较低的土体袁除了调整水泥浆的水灰比袁还应在施工时优选湿法工艺遥对于有机质含量较高尧酸性较强等腐蚀性地基土袁能否采用水泥土搅拌桩袁应根据现场试验确定遥因为较强的腐蚀性土质会破坏水泥土化学反应后生成的钙化物和硅铝化物袁进而降低土体的固化强度遥圆水泥土搅拌桩复合地基的设计与计算圆援员主要设计内容渊员冤平面布置遥一般考虑在上部结构物基础轮廓线外扩 园援缘耀员援园 皂渊约 员耀圆 排桩冤范围内布桩遥为保证地基加固的均匀性袁 桩体位置多采用梅花形布置形式遥 横尧纵桩间距宜取值相同袁一般为 员耀圆 皂遥渊圆冤褥垫层设计遥褥垫层是水泥土搅拌桩与上部建筑物底板之间的过渡层袁 是钢筋混凝土底板与加固地基土之间的缓冲带遥褥垫层的材料一般选用中尧粗沙料袁铺设厚度一般为 圆园园耀猿园园 皂皂遥 但对基础有防渗要求的建筑物袁 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遥 采用水泥土垫层时袁土料宜使用黏土袁水泥掺量不应小于 圆园豫袁并保证水泥土搅拌的均匀性及铺垫的施工质量遥 如现场不具备水泥土施工条件袁也可采用黄黏土垫层遥圆援圆设计流程在明确待处理地基的承载力尧变形等要求后袁可根据类似工程经验初拟水泥土搅拌桩的布置范围及间距遥重点分析土层分布情况袁根据所要加固软土层的深度袁初定水泥土搅拌桩桩长及桩径遥 然后袁进行单桩及复合地基承载力计算袁经基础长尧宽修正后袁进行软弱下卧层承载力验算遥最后袁根据土体压缩模量进行基础沉降验算袁 满足规范要求的水泥土搅拌桩设计参数为工程限值遥 根据其他施工条件或材料供应等情况对水泥土搅拌桩的设计参数进行综合调整遥 具体设计流程如图 员 所示遥圆援猿主要计算指标圆援猿援员单桩承载力根据 叶水工建筑物地基处理设计规范曳渊杂蕴辕栽图 员水泥土搅拌桩复合地基加固设计流程图Fig.1Flow chart of reinforcement design of cement-soil mixing pile composite foundation上部建筑物尧原状地基概况尧建设要求尧材料供应尧工期尧投资等否是否是成桩检测确定方案变形是否满足要求沉降计算承载力是否满足要求软弱下卧层承载力验算修正承载力计算初拟桩的布置形式需求分析处理范围尧桩间距尧桩长尧桩径等单桩承载力复合地基承载力8苑怨圆要圆园圆园冤 和 叶深层搅拌法地基处理技术规范曳渊阅蕴辕栽 缘源圆缘要圆园员愿冤有关规定袁分别从桩土摩擦受力和桩体自身强度折减 圆 个角度考虑袁根据式渊员冤估算水泥土搅拌桩单桩竖向极限承载力的容许值袁 选取其中最小值作为设计依据遥minRa=upni=1移qsili+琢qpAp袁Ra=浊fcuAp蓸蔀渊员冤式中院Ra为单桩竖向承载力特征值袁噪晕曰up为桩的周长袁皂曰n 为土层数渊桩长范围内冤曰qsi为第 i 层土的桩体周边摩阻力袁噪孕葬曰li为第 i 层土的厚度袁皂曰琢为承载力的折减系数 渊桩底端所在土层冤曰qp为桩底端所在土层的承载力渊未修正的特征值冤袁噪孕葬曰Ap为桩的截面袁皂圆曰浊 为桩身强度折减系数袁可取 园援圆缘曰fcu为标准试块的抗压强度平均值袁噪孕葬袁可取 员援圆 酝孕葬遥圆援猿援圆复合地基承载力特征值鉴于地基土层分布具有复杂且多样的特性袁一般情况下袁群桩复合地基应先进行载荷试验袁以明确各土层承载力特征值遥在特殊情况下袁也可根据桩的布置概况袁按式渊圆冤估算复合地基承载力特征值遥 当基础宽度大于 猿 皂 或埋置深度大于 园援缘 皂 时袁 还应根据式渊猿冤对特征值进行修正遥fspk=姿mRaAp+茁渊1-m冤fsk渊圆冤式中院fspk为复合地基承载力特征值袁噪孕葬曰m 为水泥土搅拌桩加固面积置换率曰姿 为单桩承载力发挥系数曰茁 为承载力折减系数渊桩间土冤曰fsk为承载力特征值渊桩间土冤袁噪孕葬遥fa=fspk+浊b酌渊b-3冤+浊d酌m渊d-0.5冤渊猿冤式中院fa为 fspk的修正值袁噪孕葬曰浊b尧浊d分别为基础宽度 b 和埋深 d 的承载力修正系数曰酌 为基底首层土的容重袁噪晕辕皂猿曰b 为基底面宽度袁皂曰酌m为基底面以上土的平均容度袁噪晕辕皂猿曰d 为基础埋深袁一般取室外地面与基底面的高差袁皂遥圆援猿援猿软弱下卧层承载力根据 叶建筑地基基础设计规范曳渊郧月 缘园园园苑要圆园员员冤第 缘援圆援苑 条袁若地基存在软弱下卧层袁还应采用式渊源冤进行软弱层相应承载力 责扎的验算遥责扎=lb渊责k-责c冤渊b+2ztan兹冤渊l+2ztan兹冤渊源冤式中院b 为矩形基础或条形基础底边的宽度袁皂曰l 为矩形基础底边的长度袁皂曰责k为平均基底应力袁噪孕葬曰责c为褥垫层顶面上部土的压重袁噪孕葬曰z 为褥垫层顶面至软弱下卧层顶面的距离袁皂曰兹 为地基压力扩散角袁渊毅冤遥圆援源水泥土搅拌桩复合地基检测要求对于水泥土搅拌桩复合地基加固工程袁 重点检测的时段为前期试桩尧成桩 圆愿 凿尧成桩 怨园 凿遥 对于前期试桩的检测袁重点在施工技术参数确定方面袁需明确水泥配比尧喷浆压力尧喷浆速度尧浆液量等参数袁同时监测加固地基的沉降变化遥 成桩 圆愿 凿 后袁对施工工段总桩数的 园援缘豫进行复合地基静荷载测试袁测试结果均应大于设计值 员援圆 酝孕葬遥 成桩 怨园凿 后袁应进行钻孔取芯袁检测桩体强度及完整性袁检测结果均应大于设计值 圆援园 酝孕葬袁检测数量与成桩 圆愿 凿 后的检测数量相同遥 同时袁需按照规范要求和设计图检查桩位放样情况遥 对施工期间所用水泥尧施工记录等进行检查袁重点检查桩的长度和进入硬层的深度袁 这些都与基础承载能力有关遥猿工程应用猿援员工程概况某泵站设计流量为 源援源 皂猿辕泽袁采用堤后式布置袁完建期基底平均应力为 员园猿 噪孕葬袁 基底最大应力为员员猿 噪孕葬袁基底直接落在淤泥质粉质黏土上袁其天然承载力仅为 缘园 噪孕葬遥因此袁需要对该地基进行加固处理遥经地质勘察袁地基各土层物理力学参数如表 员 所示遥由于地基以下存在 圆 层淤泥质软土袁且软土深度均不超过 愿 皂 深度袁 符合水泥土搅拌桩地基加固条件袁故该工程地基拟采用水泥土搅拌桩进行处理袁搅拌桩分布如图 圆 所示遥猿援圆地基处理计算猿援圆援员初拟桩布置泵室下方地基拟采用水泥土搅拌桩处理袁 桩呈正六边形布置袁桩径为 远园园 皂皂袁相邻桩体中轴线距离均为 员援园 皂袁桩底加固深度至原怨援园园 皂 高程遥根据经表 员地基各土层物理力学参数表栽ab.1Physical and mechanical parameters of each soil layer of foundation序号名称重度/渊kN/m3冤饱和密度/渊kN/m3冤侧阻/kPa端阻/kPa压缩模量/MPa地基承载力fak/kPa盂淤泥质重粉质黏土18.018.26-2.950盂1沙壤土18.919.010-4.8100榆粉质黏土19.119.2121004.5100李瑞贤袁等院水泥土搅拌桩复合地基的设计及应用9黄河水利职业技术学院学报圆园23 年第 3 期验袁桩长设计为 员员 皂遥猿援圆援圆单桩承载力计算考虑地区经验及桩土结合情况袁 水泥土搅拌桩的桩身强度折减系数 浊 取 园援圆缘遥 应用式渊员冤计算单桩竖向极限承载力特征值袁结果为 愿源援愿 噪晕遥猿援圆援猿复合地基承载力特征值计算该工程地处江苏地区袁 单桩承载力发挥系数 姿可取 员援园袁淤泥质粉质黏土层对应的承载力折减系数渊桩间土冤茁 取 园援猿袁 粉质黏土层对应的承载力折减系数渊桩间土冤茁 取 园援远遥 根据设计图袁面积置换率皂越园援猿圆远遥 根据式渊圆冤可得袁枣泽责噪越园援猿圆远伊愿源援愿衣渊猿援员源伊园援猿圆冤垣园援圆缘伊渊员原园援猿圆远冤伊缘园越员园苑 噪孕葬遥猿援圆援源修正后的地基承载力特征值考虑工程基础埋深大于 园援缘 皂袁故需要对地基承载力特征值进行修正遥由式渊猿冤计算出修正后的复合地基承载力特征值为 员员员援苑 噪孕葬遥 结合泵室结构袁计算出泵站完建期基底的平均应力为 员园猿 噪孕葬袁 小于员员员援苑 噪孕葬袁最大基底应力为 员员猿 噪孕葬袁小于 员援圆伊员员员援苑越员猿源援园源 噪孕葬遥 所以袁修正后的地基承载力满足规范要求遥猿援圆援缘软弱下卧层承载力验算当地基土为软土时袁 可不需要进行基础宽度修正袁仅进行深度修正即可遥 选取矩形基础袁应用公式渊源冤计算出软弱层的相应承载力 责扎越员缘远援苑 噪孕葬袁责扎约枣葬扎越圆员愿援远 噪孕葬袁满足规范要求遥猿援圆援远沉降计算由于水利行业地基处理规范中的地基沉降计算公式引用自建筑行业地基处理的 圆园园圆 版规范袁该规范现已作废袁 新规范为 叶建筑地基处理技术规范曳渊允郧允 苑怨要圆园员圆冤咱员圆暂遥 故本次水利工程的沉降采用新版建筑行业规范中的分层总和法计算袁 计算深度可取至 源 层层底袁计算取基础中心沉降遥考虑基底应力分布较均匀袁故取基底平均应力来计算基础沉降遥根据变形计算深度范围内压缩模量的当量值 Es=苑援园缘酝孕葬袁查表得复合地基的沉降计算经验系数 追泽越园援苑遥该工程基础中心沉降计算如表 圆 所示遥由表 圆 可知袁基础中心沉降 泽越员园猿援苑 皂皂约咱泽暂越员缘园 皂皂袁 满足规范要求遥图 圆复核地基地质及水泥土搅拌桩布置图Fig.2Layout of rechecking foundation geology and cement-soil mixing pile10.59.507.653.30淤 素填土盂 淤泥质重粉质壤土盂1沙壤土D600 水泥土搅拌桩盂 淤泥质重粉质壤土榆 粉质黏土-9.00表 圆基础中心沉降计算表栽ab.2Calculation of foundation center settlement层号计算深度 Zi/m原土压缩模量 Es/MPa复合地基压缩模量/MPa沉降 s/mm12.12.96.2734.227.94.810.3744.4310.82.96.2721.8411.64.59.723.3合计-103.7单位院m10猿援猿水泥土搅拌桩复合地基设计方案根据上述计算结果可知袁 经水泥土搅拌桩处理后袁地基承载力尧软弱下卧层承载力及基础沉降均满足要求袁故确定最终方案为院采用 阅远园园 水泥土搅拌桩对地基进行处理袁水泥土搅拌桩呈正三角形布置袁桩间距为 员援园 皂袁桩底高程为原怨援园园 皂袁桩长为 员员 皂遥桩基工程完工后袁 对其相应桩体强度和地基承载力进行检测袁均满足规范要求遥源结语地基土层为软土或带有沙性土时袁 为提高复合地基整体承载力袁 则要求水泥土搅拌桩不应出现断桩或短桩情况遥 质检时袁应重点注意桩体的均匀性尧完整性及复合地基承载力等遥当软土层较厚时袁应考虑上部建筑物自重对基础的影响袁 优先选用桩尺寸试算的方法进行计算分析遥在选用规范公式时袁应结合基础形式尧土层特性等概况袁认真选用相应折减或修正系数遥 尤其对沉降尧 承载力控制要求较高的基础袁计算公式中的折减系数建议由原位试验所得袁较复杂的地层可根据经验做适当概化袁 结合施工期监测袁保证工程建设顺利开展遥参考文献院咱员暂李大亮袁吴昌成袁张国庆援水泥土深搅桩在闸站地基处理中的应用咱允暂援中国水利袁圆园员猿袁苑员愿渊源冤院圆缘原圆远援咱圆暂蒋学广援深搅桩复合地基设计思路的探讨咱允暂援探矿工程渊岩土钻掘工程冤袁圆园园愿渊源冤院源苑原源愿援咱猿暂林祥军袁张金龙袁杨文智袁等援软土地基复合沉井基础抗拔承载特性现场试验研究咱允暂援工程勘察袁圆园圆猿袁缘员渊猿冤院员原远援咱源暂周宇宽援水泥搅拌桩处理道路软土地基施工实例分析思路构建咱允暂援中国设备工程袁圆园圆猿渊源冤院圆远猿原圆远缘援咱缘暂韦全余袁石军袁冯哲源袁等援搅拌桩复合地基沉降因素及计算方法研究进展咱允暂援土工基础袁圆园圆猿袁猿苑渊员冤院员员愿原员圆猿援咱远暂戴国佳袁张雨路袁陶凯援搅拌桩复合地基在某湖荡地区水工建筑群中的应用实践咱允暂援治淮袁圆园圆猿渊圆冤院猿猿原猿源援咱苑暂柏杨袁姜晨冰袁赵地袁等援水泥土搅拌桩在滨海软土地基加固中的应用咱允暂援人民黄河袁圆园圆圆袁源源渊杂圆冤院圆愿园原圆愿员援咱愿暂江高援软土地区水闸的水泥搅拌桩复合地基设计与应用咱允暂援黑龙江水利科技袁圆园圆圆袁缘园渊怨冤院员圆怨原员猿源援责任编辑杨明庆On Design and Application of Cement-soil Mixing Pile in Composite Foundation蕴陨 砸怎蚤曾蚤葬灶员袁 再粤晕 在澡蚤早葬灶早2袁 阅陨晕郧 再怎造蚤灶早员袁 在匀粤晕郧 再蚤灶3渊员援 允蚤葬灶早澡葬蚤 孕燥造赠贼藻糟澡灶蚤糟 悦燥造造藻早藻袁 再葬灶早扎澡燥怎 圆圆缘园园怨袁 允蚤葬灶早泽怎袁 悦澡蚤灶葬曰圆援 再葬灶早扎澡燥怎 孕燥造赠贼藻糟澡灶蚤糟 悦燥造造藻早藻袁 再葬灶早扎澡燥怎 圆圆缘园园怨袁 允蚤葬灶早泽怎袁 悦澡蚤灶葬曰猿援 晕葬灶躁蚤灶早 宰葬贼藻则 孕造葬灶灶蚤灶早 葬灶凿 阅藻泽蚤早灶蚤灶早 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻 悦燥援袁 蕴贼凿袁 晕葬灶躁蚤灶早 圆员园园园园袁 允蚤葬灶早泽怎袁 悦澡蚤灶葬冤Abstract院 栽澡藻 则藻蚤灶枣燥则糟藻皂藻灶贼 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂 葬灶凿 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 泽糟燥责藻 燥枣 泽燥蚤造原糟藻皂藻灶贼 皂蚤曾蚤灶早 责蚤造藻 葬则藻 葬灶葬造赠扎藻凿袁葬灶凿 贼澡藻 凿藻泽蚤早灶 糟燥灶贼藻灶贼袁 凿藻泽蚤早灶 责则燥糟藻泽泽袁 蚤灶凿藻曾 糟葬造糟怎造葬贼蚤燥灶 葬灶凿 贼藻泽贼蚤灶早 则藻择怎蚤则藻皂藻灶贼泽 燥枣 泽燥蚤造原糟藻皂藻灶贼 皂蚤曾蚤灶早责蚤造藻 糟燥皂责燥泽蚤贼藻 枣燥怎灶凿葬贼蚤燥灶 葬则藻 凿蚤泽糟怎泽泽藻凿援 栽葬噪蚤灶早 贼澡藻 枣燥怎灶凿葬贼蚤燥灶 则藻蚤灶枣燥则糟藻皂藻灶贼 燥枣 葬 责怎皂责蚤灶早 泽贼葬贼蚤燥灶 葬泽 葬灶藻曾葬皂责造藻袁 贼澡藻 凿藻泽蚤早灶 燥枣 糟藻皂藻灶贼原泽燥蚤造 皂蚤曾蚤灶早 责蚤造藻 糟燥皂责燥泽蚤贼藻 枣燥怎灶凿葬贼蚤燥灶 蚤泽 葬灶葬造赠扎藻凿 蚤灶 凿藻贼葬蚤造援Key Words院 杂燥蚤造原糟藻皂藻灶贼 皂蚤曾蚤灶早 责蚤造藻曰 糟燥皂责燥泽蚤贼藻 枣燥怎灶凿葬贼蚤燥灶曰 凿藻泽蚤早灶 责则燥糟藻泽泽曰 蚤灶凿藻曾 糟葬造糟怎造葬贼蚤燥灶曰 责蚤造藻 枣燥怎灶鄄凿葬贼蚤燥灶 贼藻泽贼蚤灶早曰 枣燥怎灶凿葬贼蚤燥灶 则藻蚤灶枣燥则糟藻皂藻灶贼李瑞贤袁等院水泥土搅拌桩复合地基的设计及应用11