水泥搅拌桩法加固混凝土水池下软土层浅述

■申耀国，周继超 ■铁道第三勘察设计院机环处，天津 300251

1 基本概念

1.1 软土地基的特性

软土是指沿海的滨海相、三角洲相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，广泛分布于东部沿海地区，它具有孔隙率大、天然含水量高、压缩性高、抗剪强度低等特点，是一种呈软塑到流塑状态的饱和粘性土［1］～［2］。基于这些特性，造成软土地基承载力低、后期沉降量大且不均匀，沉降持续时间较长。

1.2 水泥搅拌桩的特性

水泥搅拌桩亦称水泥土桩，通过与桩周土层和桩端土层的共同协调作用成为一种人工加固的复合地基。

水泥和软土经搅拌后，首先发生水泥的水解水化反应，析出大量的Ca2+，能和具有一定活性的土粒进行:a.离子交换和团粒化反映;b.硬化反应;c.碳酸化反应等一系列变化、固化作用，将原来分散的土团粒凝聚成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土，协同周围土基，将荷载传递到桩端土层上，从而提高地基的承载力。

1.3 水泥搅拌桩的受力变形性能及适用性

水泥搅拌桩为素桩，刚性较差，受力变形性能介于刚性桩和柔性桩(如砂桩、碎石桩等)之间，可认为是“半刚性桩”。

地基处理中，深度一般以3m 为界，小于3m 的一般挖除换填;当须处理的软土深度(或厚度)大于3m 时，可考虑用此法。其适用处理的土层为淤泥、淤泥质土、软塑状粘性土、粉土和不含大块块石的素填土;含水量较高的粘性土，其承载力小于120kPa 或标贯击数小于5 者、标贯击数小于10 的砂性土等均适宜。一般认为:桩长超过10m 后，其再增长部分的效果已不理想，但也有文献研究表明，水泥搅拌桩的作用桩长可至18～20m［3］［4］。

1.4 水泥搅拌桩的优点

(1)最大限度地利用了原地基土。

(2)施工时基本无振动、无噪音、无污染、无地面隆起，对相邻建筑物和周围地下管线不产生有害影响;

(3)可灵活采用柱状布桩形式;

(4)比排水预压法工期大为缩短。虽然水泥土的强度以90 天龄期为准，但其成桩后7 天强度可达设计强度的30～50%，28 天可达60～75%，可满足一般工程的工期要求［5］。

2 设计

(1)水泥搅拌桩复合地基承载力标准值，应通过复合地基载荷试验确定。也可按下式计算:

fcp，k:复合地基承载力标准值(KPa);fp，k:桩体的单位面积承载力标准值(KPa);fs，k:桩间天然地基土承载力标准值(KPa);fcu，k:水泥土无侧限抗压承载力标准强度(KPa);qp:桩端土层的承载力标准值(KPa);qsi:第i 层土的摩阻力标准值(KPa);Up:水泥土桩的周长(m);Ap:水泥土桩的截面积(m2);Ii:第i 层土的厚度(m);m:置换率(宜取0.15 -0.30);β:桩间天然地基土承载力折减系数，η:水泥土强度折减系数(宜取0.35～0.50)

(2)fp，k——可由上列的公式2 -2 和2 -3 分别算出，要求:

①由公式2 -2、2 -3 两式算出的结果要接近、不要相差过大:

②由式2 -2 的结果宜略大于式2 -3 的结果;

③最后将两式结果中的较小值代入式2 -1 计算。

之所以有上面三点要求，是综合考虑水泥土桩与桩间土、桩端土有良好的协同作用。若式2 -2 算出的值过大，相当于强桩弱土，土发挥不了其应有的能力，这种情况可适当降低水泥掺入量来降低桩体的强度;若式2 -3 算出的结果过大，说明桩的长度过大或不必要穿透较硬的持力层。

实际设计中，当要求的复合地基承载力不大时，由式2 -2 算出的fp，k已满足，当由式2 -3 算出值大于式2 -2 值，而又再不便于调整桩长等措施来降低fp，k值时，只要不是过大(50KPa 以内)，认为是可行的，选取较小值代入式2 -1 计算。

(3)fp-k——水泥土的无侧限抗压标准值。

○，1 水泥掺量。规范建议值7～15%，也有取7～18%，但实际设计中多取10～20%。

○，2 水泥标号一般要求用C425，若以C325 为标准，则用同量的C425 时，水泥土强度提高20～30%。强度相同时，C425 的掺量可较C325 减少2～3%，有条件时可掺入与水泥同量的粉煤灰，强度可增加10%左右。

表1 不同桩径水泥用量表

③水胶比，一般采用0.5～0.6，由于水泥浆是用灰浆泵输送，要较好的流动性。但软土含水量较高，对成桩强度增长不利，为减少含水量又利于泵送，可考虑掺入部分减水剂:木质硫酸钙(水泥量的0.2%)，三乙纯铵(水泥量的0.05%)，也有掺l～2%石膏的，可起到早强作用，但有观点认为石膏的硫酸根离子对水泥土有不利影响［6］。

④fcu，k的强度一般在1.0～2.0MPa 之问，以90 天龄期为准。

(4)β 值是反映桩和土共同作用的一个参数。当桩端土为软土时:β=0.5～1.0;当桩端土为硬土时:β=0.1～0.4;当不考虑桩间土作用时:β=0。根据笔者的工作经验，通常需加固的软土层下多是承载力较高的土层，如中砂、粉土等，故取值0.5≤β ＜1.0 的情况较为普遍。

(5)算例:天津和谐型大功率机车检修基地污水处理站回用水池，容积100m3，池顶覆土500mm，要求地基承载力不小于150kPa。

设计桩直径D=0.5m，fcu，k取2MPa，η 取0.5，Ap=0.19635m2，Up=1.57m，桩距S 取1.2m，置换率m=0.1574(梅花形布置桩)

由公式2 -2 可得:fp，k=ηfcu，k=0.5 ×2=1MPa=1000kPa

桩长6m，就是处理10.78m，深入淤泥质粉土层2m。则有

图1 地质柱状图

由式2 -3 可知:

将上式结果代入式2 -1，取β=0.8、m=0.15

则有:fcp，k=0.15 ×1000 +0.8(1 -0.15)× 120=231.6kPa ＞150kPa(满足)

设计计算时，自变量较多，除桩土和桩周土强度是客观存在外，其余参数均由设计者选定，故设计者必须根据工程经验和现场情况，优化各参数，以达到经济适用的目的。在设计中，调整置换率最方便，需提高承载力就适当加大桩径或减少桩距。

设计时尚须注意:1.桩顶50cm 内因靠近顶面，成桩强度差，应人工挖除;2.桩顶与基础底面之间应铺一层30cm 左右的碎石或砂砾石作为“褥垫层”以防应力集中。

［1］中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79 -2002)，中国建筑工业出版社，2002.

［2］中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ 94 -2008)，中国建筑工业出版社，2008.

［3］郑刚，王长祥，顾晓鲁.软土中超长水泥搅拌桩复合地基承载力研究［J］.岩土工程学报，2002(06).

［4］王树栋，娄国充.水泥搅拌桩在天津沿海软基加固中的应用［J］.铁道建筑，2008(10).

［5］温建兴.水泥搅拌桩在某软弱地基场地中的应用［J］.山西建筑，2011(33).

［6］赵宏华，韩选江.水泥搅拌桩复合地基加固性能研究［J］.建筑技术，2008(05).