深层水泥搅拌桩与素混凝土桩在地基处理中的比较

周国雨镇江电力设计院，江苏镇江 212001

目前，随着经济的发展，建设项目不断增加，对地基土的要求也越来越高，但可供选择的天然地基却十分有限，地基处理方案的选择和确定是否恰当合理，已成为控制和影响工程投资、质量、进度的主要因素。笔者在变电所的设计过程中，多次遇到地基土为软土且软土层较厚、承载力较低的情况，变电所作为比较重要的工业建筑，对地基承载力和变形要求较高，对于这个情况，采用地基处理是比较可行的方法。地基处理可增加软土地基的承载力，减少沉降量，而深层水泥搅拌桩和素混凝土桩是地基处理中经常采用的。深层水泥搅拌桩为一种介于刚性桩与柔性桩之间具有一定压缩性的桩，通常归于柔性桩，素混凝土桩则为典型的刚性桩，现就这两种桩的作用机理、承载力的计算、适用范围以及地基载荷试验等问题作出比较分析。

1 作用机理

深层水泥搅拌桩的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，可通过专用机械设备将固化剂灌入需处理的软土地层内，并在灌注过程中上下搅拌均匀，使水泥与土发生水解和水化反应，生成水泥水化物并形成凝胶体，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体，这就是水泥骨架作用；同时，水泥在水化过程中生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子进行离子交换作用，生成稳定的钙离子，从而进一步提高土体的强度，达到提高其复合地基承载力的目的；另外，水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。

素混凝土桩的基本原理是通过桩与土体的摩擦力而使基桩具有一定的承载力，它不与土体发生化学反应，而是通过置换原理，提高地基土的承载力。地基处理时的素混凝土桩与灌注桩相比，一是它无需配钢筋；二是它对持力层的要求不是很高，通常以摩擦力为主，主要承受竖向力。

2 承载力计算

深层水泥搅拌桩的复合地基承载力标准值应通过现场复地基载荷试验确定，也可按下式计算：

式中 fsp,k——复合地基的承载力标准值

m——面积置换率

Ap——桩的截面积

fs,k——桩间天然地基土承载力标准值

β——桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0.5～1.0, 当桩端土为硬土时，可取0.1～0.4，当不考虑桩间软土的作用时，可取0

Rk

d——单桩竖向承载力标准值，应通过现场单桩载荷试验确定

其中桩间土承载力折减系数β还应根据建筑物对沉降要求而有所不同。当建筑物对沉降要求控制较严时，即使桩端是软土，β值也应取小值，这样较为安全；当建筑物对沉降要求控制较低时，即使桩端是硬土，β值也可取大值，这样较为经济。

单桩竖向承载力标准值Rkd除了可通过现场单桩载荷试验确定外，也可按下列二式计算，取其中较小值：

式中 fcu,k——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平均值

η——强度折减系数，可取0.35～0.50

-qs——桩周土的平均摩擦力，对淤泥可取5～8kPa,对淤泥质土可取8～12kPa，对粘性土可取12～15kPa

Up——桩周长

l——桩周长

qp——桩端天然地基土的承载力标准，可按国家标准《建筑地基基础设计规范》的有关规定确定

α——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6

深层水泥搅拌桩的复合地基承载力计算的关键问题为单桩竖向承载力标准值的计算，单桩竖向承载力标准值的计算公式中，（1）式按桩身强度确定单桩竖向承载力，（2）式按土对桩的支承力确定单桩竖向承载力，单桩竖向承载力标准值取二者中较小者。（1）式中，桩身强度与水泥土的无侧限抗压强度fcu,k有着最直接的关系，fcu,k可根据试验得出，（2）式中，桩周土摩擦力-qs直接影响着单桩竖向承载力，桩周土摩擦力可按《建筑地基处理技术规范》取值。

从以上分析可以看出，当（1）式强度值大于（2）式强度值时，此时桩的承载力由土对桩的支承力控制，可增加桩长来提高单桩竖向承载力；当（2）式强度值大于（1）式强度值时，此时桩的承载力由桩身强度控制，存在着无效桩长。在工程实践中，桩身强度往往是控制因素。

在深层水泥搅拌桩单桩设计时，一般应使土对桩的支承力与桩身强度确定的承载力相近，并使后者略大于前者最为经济。当复合地基承载力要求较高时，这时桩身强度往往影响着复合地基承载力的提高，因此，采用桩身强度较高的素混凝土桩成为比较好的方法。与深层水泥搅拌桩相比，素混凝土桩不但与土体具有较高的摩擦力，又具有很高的桩身强度。

素混凝土桩的复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按深层水泥搅拌桩复合地基承载力计算公式计算。此时，确定单桩承载力时，桩身强度将不再成为控制因素，因为即使素混凝土桩桩身混凝土标号为C10（通常混凝土标号应采用C15～C20），根据桩身强度确定的单桩承载力往往也大于按土体对桩的支承力确定的单桩承载力。在按深层水泥搅拌桩单桩承载力计算公式计算素混凝土桩单桩承载力时，桩周土摩擦力-qs可按《建筑地基处理技术规范》的条文说明中取其中大值。

3 适用范围及优缺点

深层水泥搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土等地基。当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时，宜通过试验确定其适用性。有机质对深层水泥搅拌桩的影响较大，因此，必须在工程地质勘察时探明土层中有机质含量，当有机质含量大于10%时，深层水泥搅拌桩不宜使用。

深层水泥搅拌桩作为一种经常采用的地基处理方法，具有以下几个优点：

1）深层水泥搅拌桩将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度的利用了原土。

2）施工时无振动、无噪声、无污染，而且不会使地基侧向挤出，对周围原有建筑物的影响很小，可在市区内和密集建筑群中进行施工。

3）与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，并降低了造价。

深层水泥搅拌桩的缺点主要是它对复合地基承载力的提高有一定的限度，其承载力不大于160kPa，当复合地基承载力要求较高时，搅拌桩不再有优势，另外，搅拌桩的施工技术要求较高，容易出现质量事故。

素混凝土桩由于桩身强度有了很大的提高，对复合地基承载力有了较大程度的提高，弥补了深层水泥搅拌桩这方面的缺点；同时它适用范围也比深层水泥搅拌桩广。在具有这些优点的同时，它与深层水泥搅拌桩相比，经济性能不如深层水泥搅拌桩。可以说，素混凝土桩在性能、造价方面，它是介于钢筋混凝土搅拌桩与深层水泥搅拌桩之间的一种地基处理方法。

4 质量检验

深层水泥搅拌桩在施工期质量检验有以下几个方面：桩位、桩顶桩底高程、桩身垂直度、桩身水泥掺量及水泥标号、外掺剂的使用、搅拌头上提喷浆的速度、浆液水灰比及搅拌的均匀性等，必须按规范对上述几个方面进行检验。工程竣工后的质量检验，通常采用静载荷试验，对于承受垂直荷重的搅拌桩，静载荷试验是最可靠的质量检验方法。对于单桩复合地基，载荷板的大小应根据设计置换率来确定，即载荷板面积应为一根桩所承担的处理面积，否则，应予修正。试验标高应与基础底面设计标高相同。深层水泥搅拌桩通常是摩擦桩，所以试验结果一般不出现明显的拐点，承载力可按沉降的变形条件选取。静载荷试验应在28d龄期后进行，而设计要求均为90d，其承载力对于龄期的换算关系完全不同于室内水泥土强度的换算关系，根据资料分析，28d复合地基承载力推算到90d的承载力，可以乘以1.1左右的系数。

素混凝土桩施工期质量检验应按桩基规范进行。工程竣工后的质量检验，既可针对复合地基进行，也可测试单桩承载力，按公式推算复合地基承载力。

5 注意事项

采用水泥搅拌桩进行地基处理，目前在设、施工方面的技术要求已基本完善；而采用素混凝土桩进行地基处理，目前规范中涉及的不是太多。采用素混凝土桩进行地基处理时，需注意素混凝土桩为刚性桩，若要使它能与桩间土共同协调工作，必须在桩顶与基础底板之间设置一层褥垫层。褥垫层通常由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成。采用褥垫层后，在复合地基中有以下几个作用：

1）可以保证桩、土共同承担荷载，褥垫层的设置为素混凝土桩提供了受荷后，桩上、下刺入的条件。

2）可以减少基础地面的应力集中，随着褥垫层厚度的增加，桩对基础产生的集中效应会显著降低。

3）可以调整桩土荷载分担比，随着褥垫层厚度的增加，土承担的荷载也随着增加。

6 结论

通过以上分析，可见采用深层水泥搅拌桩与素混凝土桩进行地基处理，它们的作用机理虽然有所不同，但它们都是通过置换掉一定面积的土体来提高复合地基土的承载力，是各有优缺点的。作为地基处理的手段，深层水泥搅拌桩在经济上是有一定优势的；素混凝土桩在复合地基承载力要求较高的时候则具有一定的优势，它在经济性能上不如深层水泥搅拌桩，但与钢筋混凝土搅拌桩相比，它是具有一定经济优势的。

[1]建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]地基处理技术规范(DBJ08-40-94)[S].上海:上海市建设委员会,1995.

[3]叶关宝,叶书麟.地基加固新技术[M].北京:机械工业出版社,1999.