水泥搅拌桩在公路软基处理中的应用

2016-06-24陈武军厦门中平工程监理咨询有限公司361000

河南建材 2016年3期

关键词：水泥搅拌桩软土路基处理

陈武军厦门中平工程监理咨询有限公司（361000）

水泥搅拌桩在公路软基处理中的应用

陈武军
厦门中平工程监理咨询有限公司（361000）

摘要：主要对水泥搅拌桩在某一级公路软土路基处理中的应用进行分析，并从加固原理、加固设计等方面进行了阐述，为水泥搅拌桩在今后公路软基处理设计中的应用提供了参考依据。

关键词：水泥搅拌桩；软土路基；处理

1　水泥搅拌桩概述

1.1水泥搅拌桩的适用范围

采用水泥与软土充分搅拌后形成的复合地基可以大大地提高承载力，减少沉降量。故水泥搅拌桩能在公路路基、铁路、建筑物、办公楼、机场、水坝、港口等各种工程中应用。

1.2水泥搅拌桩的作用范围

1）水泥的水化反应

普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁和三氧化硫等组成。在水泥拌入软基中后，很快与软土中的水发生水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化铁酸钙等化合物。其中，氢氧化钙和水化铝酸钙溶解于水，随着水解与水化的反应，溶液达到饱和，形成凝胶体。

2）水泥水化物与土颗粒的作用

①凝硬作用。水泥与水发生反应析出大量的钙离子，钙离子与软土中的矿物质进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物。这些新生成的物质在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。②离子交换。软土中含有多种矿物质，并有游离钠离子Na+和钾离子K+，它们和水泥水化生成的钙离子Ca2+进行当量吸附交换，使土里水化膜变薄，土颗粒集合成大团粒，让土体强度提高。

3）碳酸化作用

水泥水化物中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水反应生成不溶于水的碳酸钙，也能提高软土的强度。

2　工程概况

该项目为某县新建一级公路，全长40 km，路基标准横断面为24.5 m，设计速度为80 km/h。软基合同段地处平原区，所经处水系发育，地表鱼塘密布，沟渠纵横，地下水位一般在1.0～2.2 m之间。根据附近水文地质资料和现场勘查，评价场区地下水对钢筋混凝土无腐蚀性。

其物理力学性质如下（从上而下）：

①耕植土及亚黏土：软一可塑，厚1.0～2.5 m，容许承载力为100～200 kPa，极限摩阻力为40 kPa左右。②淤泥：灰黑色，流塑，一般厚度为2.0～7.5 m，少数段达9～12 m。含水量为51.2％～96.2％。容许承载力为40～50 kPa，极限摩阻力为10～20 kPa，空隙比1.7～2.35，压缩系数为1.15～2.21 MPa-1，快剪粘聚力为3.5～10 kPa，内摩擦角为1～3.5°。③砂层：厚1.5～12 m，一般5～9 m，容许承载力为100～300 kPa，极限摩阻力为35～75 kPa。④风化残积亚黏土：厚1.8～6 m，容许承载力为200～2 400 kPa，极限摩阻力为50～85 kPa。

在总结经验的基础上，综合比较论证，决定采用水泥搅拌桩法进行处理，根据承载力和变形要求，处理后的复合地基承载特征值应达到200 kPa。

3　水泥搅拌桩设计

水泥搅拌桩设计计算主要包括承载力计算及变形计算两方面，主要是确定桩径、桩长、桩的布置形式、置换率及水泥的掺入比等。

3.1单桩承载力计算

确定单桩承载力的方法有很多，主要有公式计算法、静载试验法及原位测定法三大类。对水泥搅拌桩的设计计算而言，通常采用的方法为公式计算法，静载试验法和原位观测常常用于成桩的检测。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）中推荐的单桩承载力标准值计算公式为：

其中：R为单桩竖向承载力标准值；fcu为与搅拌桩桩身加固配比相同的室内加固土试块的无侧限抗压强度的平均值；n为强度折减系数，一般取0.35～0.50；Ap为桩的截面积；fk为桩端地基的承载力标准值；fk为桩端天然地基土的承载力折减系数，一般取0.4～0.6；qs为桩周土的平均摩擦力；up为桩身周长；l为桩长。

计算时，用上述两个公式同时计算，并取其中较小的值作为单桩承载力标准值。

3.2复合地基承载力计算

水泥搅拌桩在垂直荷载作用下有一定的压缩变形，在桩身压缩变形的同时，其周围的软土也分担一部分荷载，形成了柔性桩复合地基。水泥搅拌桩的复合地基承载力标准值可按下式计算：

其中：fck为复合地基承载力标准值；m为桩土面积置换率；β为桩间土折减系数；fa为桩间天然地基容许承载力。经计算设计要求为：单桩承载力特征值为150 kN，复合地基承载力特征值为200 kPa。

3.3沉降计算

当复合地基承受上部传递来的垂直荷载后，所产生的沉降变形包括桩土复合层本身的压缩变形和桩土复合地面以下土的沉降量之和。计算公式如下：

其中n为复合地基的桩土应力比，可采用3～10。

4　处理方案

4.1设计方案

通过计算本项目采用水泥搅拌桩处理方案为：桩径为50 cm；桩长要求打穿淤泥层，一般4～9 m，个别桥头到12 m；路基软土桩距1.5 m×1.3 m（排距），等腰三角形布置，桥头20 m范围内，1.0 m×1.3 m（排距）；水泥标号采用42.5号普通硅酸盐水泥，并在桩顶铺设一层50 cm中粗砂垫层，其上设置一层土工格栅。桩施工完毕三个月后方可填筑路堤或施加其他荷载，并在加载前进行试桩。

4.2水泥掺入量的确定

水泥掺入量由室内配合比试验确定。根据软土的天然含水量、孔隙比的不同，水泥掺入量应相应变化。要求室内配合比试验的90 d无侧限抗压强度R90≥1.2 MPa，时间紧张时也可按28 d无侧限抗压强度R90≥0.8 MPa。

4.3施工注意事项

水泥搅拌桩处理软土属于隐蔽工程，且通常是昼夜连续施工。为了在施工工程中加强对施工工艺、水泥用量、桩长、施工进度的控制，专门配了数名监理工程师24 h跟踪旁站监督。由监理工程师逐桩签证，做到每桩都有完整记录。