搅拌桩复合地基优化设计

廖伟权

（佛山市水利水电建筑设计有限公司，广东 佛山 528000）

搅拌桩复合地基优化设计

廖伟权

（佛山市水利水电建筑设计有限公司，广东 佛山 528000）

珠江三角洲地质中普遍存在淤泥和淤泥性土，采用水泥搅拌桩作为地基处理的方式因此得到广泛应用，是目前处理软弱地基的重要方法之一。本文试以顺德区陈村镇南涌闸站重建工程的地基为研究案例，探讨水泥搅拌桩的地基加固处理方式选择，在满足地基承载力和各水工建筑物沉降量控制要求的基础上，采用数值模拟计算完成深层搅拌桩复合地基的优化设计，以达到既满足工程质量要求又符合投资预算成本的双重目标。

地基处理；水泥搅拌桩；设计优化

水泥搅拌桩的加固地基为复合地基中的一种，是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在一定深度范围内把地基土与水泥强行拌和固化形成具有水稳型和足够强度的水泥土，制成桩体、块体和墙体等，并与原地基土共同作用，提高地基承载力，改善地基变形特性的一种地基处理技术，适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。珠江三角洲由于普遍存在淤泥和淤泥性土，因此采用水泥搅拌桩作为地基处理的方式得到广泛应用。本文试以顺德区一泵站工程为研究案例，探讨应用搅拌桩复合地基的优化设计。

1 工程概况

顺德区陈村镇南涌闸站重建工程位于南顺联安围陈镇排灌区，主要水工建筑物包括自流闸、泵站防洪闸、泵房、穿堤涵管、清污机闸和进水前池段和出水消力池段组成。其中泵站设计工况下排水流量为10.0 m3/s，设计引水流量为5.8 m3/s。泵站总装机容量900 kW，安装2台竖井式贯流泵。工程为三等工程，主要建筑物（自流闸、泵站）为3级，次要建筑（护岸、挡墙）为4级。

本工程经过可研和初设两个阶段的地质勘察，共完成钻孔16个，总进尺367.4 m，作标准贯入试验107次，取土工试验样34个，取岩石抗压样8个，部分岩土层力学参数见表1。

表1 部分岩土层力学参数表

2 地基处理设计思路

2.1 存在问题

1）根据泵站的平面、垂直布置，泵站各水工建筑基础大部分处于（2）层的粉质粘土及（3）层的淤泥质土，根据主要建筑物的整体计算，地基的承载力均达不到设计要求，见表2，需进行地基处理。

2）工程靠近外江，外江与内涌水位差较大，外江U型槽加上自排闸室底板地下轮廓线长约29 m，若取外江校核水位4.87 m，内涌常水位0.6 m，则水头差为4.27 m，相应渗径系数为29/4.27=6.79，小于规范[1]粉细砂地基的渗径要求（自排闸基础处于第（4）层的粉砂地质，规范要求7～9），同样需采取措施增加渗径。

表2 主要水工建筑物基底附加应力表

3）工程主要建筑物顺水流方向布置长约110 m，垂直水流方向约60 m，在此范围内土层变化复化，下伏的淤泥、淤泥质土厚薄不一，各建筑物对地基的荷载各不相同，需综合考虑由于各建筑物地基处理方案，避免不均匀沉降对建筑物之间造成的危害。

2.2 设计思路

1）解决自流闸渗透问题。结合工程所在地的实际情况，采用密排水泥搅拌桩形成防渗帷幕垂直防渗效果显著，而且能明显增长渗径，因此初拟在自流闸闸室前部布设两排φ500@400密排搅拌桩，布设后地下轮廓线长为53 m，相应渗径系数为12.41，满足规范[1]要求。另外按规范要求，采用改进阻力系数法计算出口段坡降为0.2，满足粉砂地基出口段土容许坡降［J］=0.33～0.39的要求。

2）提高地基承载力和防止各建筑物沉降不均匀。提高地基承载力的方法很多，由于考虑到自流闸应用水泥搅拌桩防渗，为便于施工，考虑全站区均采用水泥搅拌桩处理。此方案另一个优点就是能较有效控制建筑物之间的沉降。

确定全站的地基处理方案后，设计的目的在于计算出满足地基承载力和建筑物之间沉降要求的搅拌桩的置换率和桩的长度。

3 设计优化

3.1 优化思路

1）设计单个建筑物的单桩长度和置换率。

在完全满足拟建建筑需要的地基承载力的基础上最大限度节省建设费用，并使地基沉降量控制在允许值之内，是复合地基优化设计的重要目标[2]。要实现这一目标，主要采用的手段是以单桩长度l和桩间距c为自变量，在满足复合地基承载力要求的同时，求取单桩长度之和L的最小值。

根据规范[3、4]要求，轴心竖向力作用下，基础地面的平均竖向力须满足下式

式中：NK为荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖向力；FK为荷载效应标准组合下，作用于承台项面的竖向力；GK为桩基承台和承台上土自重标准值，对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力；R为复合基桩竖向承载力特征值。同时，应满足加固区变形量和下卧层土层压缩量小于设定总压缩量：

并且，同时应使修正后的地基容许承载力fa大于底面附加压力值，即：

单桩长度总和L为单桩长l与桩根数乘积ni

当最小的L确定时，得到一组l，ni(进而确定置换率m)和Si等数据。

2）各建筑物最终沉降量之间的综合考虑。

参照规范[1]的相关规定，相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm，考虑地基已经过处理和工程的实际情况，将相邻建筑物的沉降差定为不超过3 cm。在此基础上将已计算出的各建筑物的总压缩量进行比对，若不满足要求，则重新选定建筑物的设计单桩长，重新计算，最终符合要求。

3.2 优化实施

计算可以通过程序进行实施。先定议初始岩土参数、基础底面附加应力值、水泥搅拌桩水泥掺量及最小、最大桩长和桩间距，通过循环语句，逐步增加桩长的步长，计算出复合地基承载力，加固区和下卧区的沉降量，当总沉降量和承载力同时满足要求则跳出循环，得出单个建筑物设计总桩长[5]。

在此基础上，复核各建筑物间的沉降量。通过计算：自流闸、泵房、防洪闸、压力涵管的最终沉降量分别为 24.52，22.07，25.66，29.98 mm。

目前本工程已完成水下验收，根据实测的沉降数据显示基本与设计相符。

4 结论

1）由于工程实施过程中，搅拌桩复合地基的沉降量一般会偏大于混凝土预制桩处理的地基，如果连接在一起的不同建筑物分别采用搅拌桩和预制桩进行地基处理，则容易造成建筑物之间不均匀沉降，设计时应慎用。

2）对于搅拌桩复合地基，提高置换率比增加桩长的效果更好。从本次设计来看，置换率比桩长更能反映沉降量的变化，置换率增大以后，桩身和桩间土的应力和承载作用得到进一步的发挥，加固区的整体刚度也得到增强，能够促使加固区将荷载较为均匀地传给下卧层，沉降量明显减小。而桩长增加，对桩身强度的要求也就随之增高，而过高的桩身强度将不利于桩间土承载力的发挥。但是，以上认识究竟是个案还是普遍存在，特别是考虑到下伏土层的厚度、特性的关键性影响，结论有待进一步研究。

［1］SL265-2001，水闸设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［2］陆基洪，水泥土搅拌桩在软基处理中的应用［J］.中国高新技术企业，2010（27）.

［3］JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［4］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［5］杨磊，贺为民，周杨等.深层搅拌桩复合地基的优化设计［J］.岩土力学，2010（8）.

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2011-04-07