水泥土深层搅拌桩设计与施工问题探讨

一、前言
水泥土深层搅拌法是在处理软土地基方面被推广使用的一种方法，该方法是强制将粉状水泥与含水量较高的软土拌和，让水泥、土和水三者发生水化及物化反应，从而形成具有一定强度的水泥土桩，桩与桩间土组成复合地基。水泥土搅拌桩加固地基具有施工工期短，效率高，施工中无振动，无噪声，无地面隆起，不排污，不挤土，不污染环境等优点，因而在处理软土地基方面得到广泛的应用。
桩身质量一定程度上决定了水泥搅拌桩复合地基承载力。因此，在施工过程中对成桩工艺、施工机具和质量检验等的要求都较高，为此，对于相关的规范及规章要严格执行，以保证工程质量的安全可靠。实践表明，要增大软土地基的承载力，可以采用水泥搅拌桩处理方法来实现，这是由于深层搅拌法工后沉降小，该方法较为适用于沉降要求比较高的软土地基处理，因此，当前在处理软土地基方面人们较为推广的方法就为深层搅拌加固法。
二、水泥搅拌桩设计计算
水泥搅拌桩的常规设计步骤为:首先以场地工程地质条件为依据，对单桩竖向承载力进行确定，然后再以复合地基承载力的要求为依据，将置换率、桩数确定下来，再进行布桩，最后再进行必要的验算。复合地基承载力的验算、下卧层的强度验算、地基的沉降变形验算这三个部分为计算的主要内容。
（一）确定单桩竖向承载力特征值
我国《地基处理手册》规定: 要通过现场单桩载荷试验来确定单桩竖向承载力特征值。也可根据式(1)来进行估算，同时还要满足式(2)的要求，要确保式(2)桩身材料强度所确定的单桩承载力要大于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力，即在两者中取小值。
其中，R_a代表单桩竖向承载力特征值，kN。f_cu代表在标准养护条件下，与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(边长为70.7 mm或50 mm立方体)，90 d龄期的立方体无侧限抗压强度平均值，kPa。η代表桩身强度折减系数，其干法可取0.20-0.30，湿法则取0.25-0.33。A_p代表桩的截面积，m²。u_p代表桩的周长，m。n代表桩长范围内所划分的土层数。q_si代表桩周第i层土的侧阻力特征值，通常其值可取4 kPa-7 kPa，对于淤泥质土而言可取6 kPa-12 kPa，对于软塑性状态的粘性土而言可取10 kPa-15 kPa，对于可塑状态的粘性土而言可取12 kPa-18 kPa。l_i代表桩长范围内第i层土的厚度。M；a代表桩端天然地基土的承载力折减系数，通常其值可取0.4-0.6。q_p代表桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa。
（二）确定复合地基承载力
要通过现场复合地基载荷试验来确定水泥搅拌桩复合地基承载力特征值，也可以按照 (3)来计算:

其中，f_sp,_k代表搅拌桩复合地基承载力特征值，kPa；m代表面积置换率。β代表桩间土承载力折减系数，根据《地基处理手册》中的相关规定，在软土情况下桩端土的承载力可取0.5-1.0，在硬土情况下桩端土的承载力可取0.1-0.4，β=0是在不考虑桩间土作用时。f_s,k代表桩间天然地基土承载力特征值，kPa。
（三）确定桩数并布桩
由式(4)可以计算并确定水泥搅拌桩桩数:

其中，n代表桩数。A代表上部结构基础底面积，m²。要根据基础类型来确定水泥搅拌桩的布置，通常在布桩时采用正方形或等边三角形进行，桩间距根据面积置换率可算出，通常在基础范围内进行布桩，如果条件允许的情况下，适宜在基础外缘处加两排护桩。
（四）下卧层地基强度验算
如果所设计的搅拌桩置换率较大，且并不为单排桩时，要将搅拌群桩和桩间土看作为一个假想实体基础，通过式(6)可以验算出下卧层地基强度:
其中,R_b代表所假想的实体基础底面的平均竖向压力设计值。kPa；A代表上部结构基础底面积，m²。G代表假想实体基础自重，kN。A_s代表假想实体基础的侧表面积，m²。q_s代表所假想实体基础侧面的土层摩阻力平均值，kPa。A₁代表所假想实体基础得底面积， m²。f_sp代表复合地基设计值。k,f_s,_k代表桩间土承载力设计值,kPa。R_s代表所假想实体基础底面经修正后的地基承载力设计值，kPa。
（五）沉降计算
当上部基础传来的荷载时，该荷载由搅拌桩复合地基承受，同时还会产生的沉降S，桩土复合层本身的压缩变形S₁和下卧层的沉降S₂构成了沉降S，即S= S₁+ S₂。

其中，P代表桩土复合层顶面的平均压力，kPa。P₀代表桩土复合层底面的附加压力，kPa。γ_p代表桩土复合体的平均重度。L代表桩长。E₀代表桩土复合体的变形模量，kPa。E_p代表桩身水泥土的变形模量，kPa。E_s代表桩间土的变形模量，kPa。按照现行地基规范中的分层总合法可以计算出桩端下未加固土层的沉降量S_2，如式（8）：
其中，ΔP_si代表桩端下没有加固土层第i层复合土体上的附加应力增量，kPa。H_i代表桩端下没有加固土层第i层复合土层的厚度，m。E_si代表桩端下没有加固土层第i层复合土体的压缩模量，kPa。
(六)设计步骤
1、地基变形可以根据地层结构进行计算，加固深度由建筑物对变形量的要求来确定，即对施工桩长进行选择。
2、桩身强度和水泥掺入比及有关施工参数要根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验资料和现场工程经验进行选择。在缺少室内配比试验资料时，可以估算桩身无侧限抗压强度f_cu值为1.0 Mpa-1.6 MPa。
3、以桩身强度的大小及桩的断面尺寸为依据，单桩承载力可以由式(2)计算出。
4、单桩承载力由上述步骤可求得，地基土对桩提供的承载力可以由式(1)计算得出，对有效桩长计算并确定。
5、复合地基承载力fsp值要达到所规定要求，就要根据单桩承载力、有效桩长和上部结构进行确定，桩土面积置换率m和桩数计算值n通过式(4)和式(5)分别计算出来。
6、在布桩过程中要根据桩土面积置换率和基础形式进行，可仅限于在基础平面范围内布置搅拌桩。
7、在对复合地基变形进行计算时，如果达不到上部建筑物容许值时，既要对桩长进行调整然后再计算。
三、施工过程中的质量控制
软土地基自身承载力弱，因此对地基加固的标准要求很高，施工质量必须严格得到控制，以保证施工质量达到设计要求。在施工中，必须对每根桩的垂直度，包括搅拌桩的强度，桩长，桩位，送浆等严格按操作程序及技术标准去操作完成。在这些质量控制点上要严格进行技术监督，发现任何差错都必须立即纠正，否则可能酿成质量事故。
1、垂直度。对搅拌桩垂直度质量控制严格与否，直接影响到桩身的整体质量。在桩架上两个方向设置水平尺及2m高的线砣，使垂直线球保持在刻度范围内，每根桩打桩前检查一次，每钻进提升一次时，必须检查一次，使打桩全过程保持在允许的垂直度范围内。
2、搅拌桩强度。其质量控制要求是对入场的施工材料及时抽查、送验，对不符合技术要求的施工材料杜绝使用；随机检查水泥灰与水的配合比是否符合要求，达到标准。
3、桩长。其质量控制要求是计算好施工桩长，成桩前量好钻杆长度，并在桩架上做好标记，保证深度误差小于5cm，严格掌握好喷浆位置。
4、桩位。其质量控制要求是根据总承包方提供的控制点测量设置桩位（用竹签作标记），测量误差要小于1cm，搅拌头对准竹签误差也应小于1cm，累计误差小于2cm。
5、送浆。其质量控制要求，在灰浆挤压泵上安装挤压表或自动记录仪，防止送浆压力不足和桩身断浆。在送浆过程中，设专人观察，记录，发现问题及时与前台取得联系并进行补喷，补搅。
四、结束语
（一）将桩间天然地基土承载标准值取为桩间土承载力标准值。因水泥土在搅拌桩中将桩间土水分吸收，这样就可以固结天然地基土，从而就使得桩间土强度得以加强。因此，桩间土天然承载力标准值由桩间土被固结后的实际承载力所代替是可行的。
（二）深层搅拌桩利用了原有的软弱土，将天然地基软弱土与固化剂搅拌混合，从而大大减少了土方工程。相比灌注桩，即可以节省材料，还便于施工。尤其对于软土地基，深层搅拌桩对于软土地基的加固具有较好的实用性。
参考文献：
[1]张 建《深层搅拌桩承载力与桩体问题》中国建筑  2008.08
[2]王星华 《地基处理与加固》[M].长沙:中南大学出版社, 2002.
[3]张　韬 《深层搅拌桩应用计算实例》[J].结构工程师, 1995.
[4]孙成木 《深层搅拌桩在高填路基加固中的应用》[J].铁道勘察,2005.

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