市政道路中水泥搅拌桩处理设计方法

刘树林

摘要：结合实际工程，介绍苏州地区软土地基处理中水泥搅拌的计算方法，对设计步骤进行详细介绍，并提出对施工质量控制及注意事项要求

关键词：水泥搅拌桩 复合地基 沉降计算

水泥搅拌桩搅拌处理是在市政道路设计过程中常用的处理方法，它采用水泥作为固化剂，通过特定的机械，进行深层搅拌处理，边搅拌边喷射水泥浆液，机械搅拌原状土的过程中，喷射的水泥浆液及与原状软土搅拌在一起，产生复杂的物理及化学反应，从而改变了原状软土的结构，使软土固结成具有一定强度，稳定的水泥土，从而提高原状软土的承载力。

苏州属于长三角地区，年降水量大，河流密集，地下水丰富，在市政道路施工过程中经常遇到软弱土层处理问题，水泥搅拌桩处理方法是满足设计要求的前提下较为经济合理的处理方法，它最大的利用原土，具备有施工艺成熟，不污染环境，加固费用低廉等优点，是苏州地区比较常采用的软土加固方法。

1、工程概况

吴淞路位于吴中区郭巷镇，西起善浦村，东至官浦村。沿线自西向东依次跨越徐村港、五浦港、六浦港、赭墩河、西官浦、下浦港河等众多河道及鱼塘，道路宽度为24m，总长5.376km。

根据勘探报告该工程道路路基范围内土层较为复杂，地表下自上而下依次可分为如下：

1-1素填土：形态为软塑、松散，部分位置为淤泥质土。该层土工程性能差，压缩性高。比贯入阻力Ps=0.84MPa，地基承载力基本容许值[fa0]=50kPa。

2-1粉质粘土、淤泥质粉质粘土：软塑～流塑形态，静力触探比贯入阻力Ps=0.75MPa，该层土工程性能差压缩性高，地基承载力基本容许值[fa0]=60kPa。

2-2淤泥质粉质粘土：为流塑形态，部分为淤泥含有机质，个别位置夹泥炭质土，压缩性特高工程性能极差，静力触探比贯入阻力Ps=0.41MPa，地基承载力基本容许值[fa0]=45kPa。

3-1粉质粘土：为软塑～可塑形态。埋深较深，静力触探比贯入阻力Ps=1.65MPa，该层土压缩性中等工程性能一般，地基承载力基本容许值[fa0]=130kPa。

3-2粘土、粉质粘土：为可塑形态。埋深较深，静力触探比贯入阻力Ps=2.46MPa，地基承载力基本容许值[fa0]=200kPa。

本次设计道路路基范围内主要存在的软弱土层为1-1素填土、2-1粉质粘土～淤泥质粉质粘土、2-2淤泥质粉质粘土层，这三层土具有含水量高、空隙比大、压缩性高、强度低等特点，力学性质较差，是苏州地区典型的软弱土层。由于道路两侧拍卖地块尚未开发建设，本道路的建成势必作为该区域建设的主要同通道，经多次比选，对道路路基下出现软弱土层较厚段落采用水泥搅拌桩加固处理。

2、水泥搅拌桩处理计算

2.1水泥搅拌桩桩长、桩径及桩顶标高确定

水泥搅拌桩桩顶标高确定为1.1m标高位置，路基施工先开挖至设计标高后再进行水泥搅拌桩施工。由于本工程部分段落软土厚度超过15m，达到20m，故在估算桩身强度的前提下先进行有效桩长计算，对于远大于有效桩长段落，考虑施工质量因素以及节省造价，布置水泥搅拌桩长度满足有效临界最小桩长的要求，未穿透软土层，其他位置桩长穿透土层。软桩身直径采用50cm。

2.2确定单桩承载力特征值

根据JGJ79-2002《建筑地基处理技术规范》规范规定，设计阶段采用如下公式进行估算并取小值。

Ra=μp*∑qsia*li+α*A*qp Ra=η*fcu*Ap

由于软土路基厚度较厚，通过取值计算，fcu=1.6Mpa很明显桩的承载力主要有桩身强度确定，两公式取小值Ra=94KN。

2.3确定置换率和桩间距

根据规范中要求，处理后的水泥搅拌桩复合地基承载力的初步计算可采用下式：

fspk=m*Ra/Ap+β*（1-m）*fsk 面积置换率m=（fspk-β*fsk）/（Ra/Ap-β*fsk）

布桩数n=m*A/Ap

根据车行道计算荷载及路基覆土厚度要求复合地基承载力要求达到fspk=150Kpa，通过计算面积置换率为0.196，桩间距取1.0m，采用正方形布孔。

2.4下卧层地基强度验算

地基强度验算过程中可将搅拌桩和桩间土考虑为一整体，视为一个假想实体基础，通过下面公式进行下卧层地基强度验算。

pk=（fspk*A+G-As*qs-fs（A-A1））/A1≤fz

其中A为基础底面积 As为假想实体基础侧标面积 A1未假想实体基础底面积

Fz为假想实体基础底面经修正后的地基承载力

fz=fak+ηb*γ（b-b0）+ηd*γm（d-d0）

ηb -- 基础宽度地基承载力修正系数 ηd -- 基础深度地基承载力修正系数

通过对各参数取值计算，经修正后pk <= fz，通过附加荷载pk最大值 <= 1.2*fz， 满足下卧层满足强度要求

2.5 沉降计算

加固区域复合地基承受来自上部传递来的竖向荷载后，所产生的垂直沉降S包括复合地基本身产生的压缩沉降S1，还包括复合地基下土层压缩沉降S2，即S=S1+S2

S1=（P+P0）*L/2E0 P= （fak*A-fs（A-A1）） /A1 E0=mEp+（1-m）Es，

P为桩土复合层顶面平均压力

E0为复合土层变形模量 Ep和Es分别为搅拌桩和桩间土的变形模量

桩端下未加固土层的沉降量S2按照地基规范中分层总和法进行计算。

本工程对各个点位及不同厚度软土段分别计算，通过计算 S1=20～40mm范围，不同位置，不同桩长计算出结构稍有差异。而S2=130～160mm范围，水泥搅拌桩处理后总沉降在15～20cm范围。能够满足本工程建设使用要求，能够达到设计要求。

2.6 水泥搅拌桩桩顶褥垫层设置

褥垫层的作用是将上部荷载均匀传递到水泥搅拌桩及桩间土之间，减少应力集中。不同厚度的褥垫层还能起到调节桩及桩间土荷载比例的作用，由于本道路路基属于柔性基础，本次设计中在水泥搅拌桩交工面位置设置40cm碎石土作为褥垫层。

3、总结

本工程水泥搅拌桩施工养护结束后，经检测单桩承载力及复合地基承载力检测试验，结果均达到设计要求。后续进行灰土路基施工中，通过对加固区域沉降观察，施工期间沉降在合理范围。本工程目前已竣工通车且该道路已使用近3年，工后沉降比较稳定，工程效果良好。对于本工程总结以下几点：

3.1在满足设计道路路基荷载要求的前提下，水泥搅拌桩复合承载力不宜提高太多，本工程中复合地基承载力特征值只提高约20%，再继续提高承载力导致置换率变大，会造成一定的浪费。

3.2控制变形在规范合理范围，市政道路埋设管线较多，不宜产生过大的工后沉降，但同时也不要盲目对水泥搅拌桩桩长加长，如本工程软土层厚度最深达到20m，目前施工水平超过15m深度的水泥攪拌桩施工质量不好控制，更深层的往往带来搅拌不均，下部桩身强度较低，造价的增加。设计中在满足沉降控制同时合理布置桩长，优化置换率，以达到经济目的。

3.3由于水泥搅拌桩施工过程中普遍存在一些质量问题，这就要求我们设计人员应考虑实际具体施工以及土层不均匀的情况，合理选取设计参数，偏于安全设计，是复合地基无论是在施工后检测，还是在竣工通车使用中不超过控制的沉降。

参考文献：建设部《建筑地基处理规范》JGJ79-2002

交通部《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》JTG/T D31-02-2013