水泥土搅拌桩处理地基的应用及设计关键

□刘香君 □买巨喆 □张明恩（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 概况

本工程为倒虹吸工程，管身尺寸为单孔2.50m×2.50m，C30钢筋混凝土结构，倒虹吸管身设计基底压应力为230kPa，地基承载力特征值为120kPa，需要进行处理，根据技术经济比较，采用水泥土搅拌桩处理。桩径为0.60m，正三角形布置，桩间距0.90m，桩长6.50m。

2 地质条件

倒虹吸管身基础座于第②层黄土状轻壤土，层厚5.80～7.90m，该层下部为第③层黄土状中壤土，层厚6.80～7.20m，以及第④层中粉质壤土。水泥土搅拌桩桩周土主要为黄土状轻壤土，为粉土。该层土的天然含水量为19.40%，孔隙比为0.57，塑性指数为8.20，液性指数为0.60，压缩模量为8.50MPa，承载力特征值为120kPa，侧阻力特征值为25kPa。第③层黄土状中壤土的压缩模量为5.90MPa，第④层中粉质壤土压缩模量为6.90MPa。

3 设计计算

3.1 设计要点

水泥土搅拌法处理地基的设计的关键在于搅拌桩的水泥掺量、无侧限抗压强度fcu的选取和桩长的确定。水泥土的抗压强度决定了水泥土搅拌桩的有效桩长。当实际桩身强度大于式（2）所给出的强度值时，增加桩长可提高单桩承载力；当实际桩身强度小于式（2）所给出的强度值时，则单桩承载力受桩身强度控制，即使增加桩长也不能提高单桩承载力。所以，笔者认为在初步设计时，根据地质条件合理选择fcu的值是重要的，关系到水泥土搅拌法处理地基的安全性和经济性。同时，还要根据地基变形的要求进行计算来最终确定桩长。

3.2 单桩承载力计算

单桩承载力特征值按式（1）计算，同时要满足式（2）的要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力不小于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力。

式中：up—桩的周长，m；qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；lpi—桩长范围内第i层土的厚度，m；αp—桩端端阻力发挥系数，可取0.40～0.60；qp—桩端端阻力特征值，kPa，取未经修正的桩端地基土承载力特征值；Ap—桩的截面积，m2；fcu—与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，边长为70.70mm的立方体在标准养护条件下90d龄期的立方体无侧限抗压强度平均值，kPa；η—桩身强度折减系数，干法可取0.20～0.25，湿法可取0.25。

拟加固土层为黄土状轻壤土，属粉土，由于要求处理后的承载力提高幅度较大，为了提高有效桩长，可采用提高水泥等级和掺量的方式来提高水泥土的抗压强度，但根据经验，过高的桩身强度对复合地基承载力的提高以及桩间土的发挥是不利的。初步选用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量为15%。根据以往工程试验数据，与本工程土层的物理力学性质相近的土层，当水泥掺量15%时，水泥土的无侧限抗压强度基本在2.50MPa以上，为保证安全，取fcu为2300kPa，取桩端端阻力发挥系数为0.45，设计桩径采用0.60m。为保证安全和经济，确定桩长的原则为由式（1）确定的单桩承载力应和由式（2）确定的单桩承载力相接近，并使前者的计算值略小于后者。根据此原则确定的单桩长为6.50m，单桩承载力为162.30kN。

3.3 复合地基承载力计算

加固后搅拌桩复合地基承载力特征值按式（3）计算。

式中：fspk—复合地基承载力特征值，kPa；fsk—处理后桩间土承载力特征值，取天然地基承载力特征值，kPa；λ—单桩承载力发挥系数，取1.00；m—面积置换率。水泥土搅拌桩采用正三角形布置，为满足要求的复合地基承载力，经计算，采用的桩间距为0.90m。

3.4 水泥土搅拌桩复合地基变形计算

上面介绍，对于有控制地基变形要求的建筑物，水泥土搅拌桩桩长的最终确定还应通过地基变形计算来最终确认设计的桩长是否合理。

3.4.1 水泥土搅拌桩复合地基应力分布

由于搅拌桩桩体强度和刚度较小，与刚性桩不同的是，在荷载作用下，桩间土应力在桩顶附近集聚现象明显，桩端土中没有明显的应力集中现象。所以水泥土复合地基变形由桩身范围内的压缩变形和下卧层的压缩变形组成。

3.4.2 地基变形计算

3.4.2.1 计算桩身范围内的压缩变形

计算桩身范围内的压缩变形s1，将复合地基看做一个整体，用分层总和法计算。

式中：pz—搅拌桩复合土层顶面的附加压力值，kPa；pzl—搅拌桩复合土层底面的附加压力值，kPa；Esp—搅拌桩复合土层的压缩模量，MPa；Ep—搅拌桩桩体的压缩模量，可取（100～200）fcu，MPa；Es—桩间土的压缩模量，MPa；l—搅拌桩桩长，m。

这里需要注意的是，计算复合土层底面的附加压力值pzl时，应考虑加固层对应力的收敛作用，否则会夸大非加固层的变形。这里可采用按照应力扩散法计算pzl。

桩体压缩模量取100fcu，经计算s1为10.80mm。

3.4.2.2 计算桩端下未加固土层的压缩变形

搅拌桩桩端下未加固土层的压缩变形s2按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中的公式进行计算，即：

式中：φs—沉降计算经验系数，按规范采用；Esi—搅拌桩桩端下第i层土的压缩模量，MPa；zi、zi-1—桩端至第i层土、第i-1层土底面的距离，m；αi、αi-1—桩端至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，按规范采用。

经过计算未加固土层的最终沉降量s2为42mm。

地基经过处理后的最终沉降量为s1+s2，为52.80mm，计算结果满足建筑物沉降量的要求，说明选择的桩长和桩的布置是安全的。

4 复合地基荷载试验结论

根据水泥土搅拌桩检测报告，通过复合地基荷载试验，确定处理后的复合地基承载力≥234kPa，满足设计要求。

5 经验

在采用水泥土搅拌桩处理地基时，设计的关键在于合理选择水泥土的无侧限抗压强度，进而确定搅拌桩的有效桩长，这两点关系到水泥土搅拌桩设计的安全性和经济合理性。

对于小型建筑物的水泥土搅拌桩处理，可根据以往的类似地基土层的性质的经验数据，比较合理地确定水泥土的抗压强度，而对于重要或者地基处理投资较大的建筑物，在设计前，应进行处理地基土的室内配比试验，以便更加合理地确定水泥土的强度参数，从而确保地基处理的安全和经济合理。