水泥搅拌桩在实际工程中的应用

陈依俤

引言：

水泥攪拌桩是指软基处理的一种有效形式，是一种将水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结而提高地基强度。水泥搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土（软塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉细砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、饱和黄土；不适用于含大孤石或障碍物较多且不易清楚的杂填土、欠固结的淤泥和淤泥质土、硬塑及坚硬的黏性土、密实的砂类土，以及地下水渗流影响成桩质量的土层。水泥搅拌桩按主要使用的施工做法分为单轴、双轴和三轴搅拌桩。

一、工程概况

浙江绿欧智能科技有限公司拟建的3#车间，占地152m（8m×19）×64m（16m×4），柱网为8m×16m地上两层。一层层高10m，为钢框架结构，地面活荷载为3t/m2；二层层高5.9m（檐口高度），为轻型屋面门式刚架结构，楼面活荷载为0.5t/m2。基本风压为0.6KN/m2，地面粗糙度为A类；基本雪荷载为0.35KN/m2；抗震设防烈度为6度，场地土类别为Ⅳ类，调整后的地震动峰值加速度为0.0625g，地震动加速度反应谱特征周期为0.75s。

地下水位为1.0m，设计基础埋深为d=1.20m。

（二）地基处理设计

2.2.1确定水泥搅拌桩复合地基承载力特征值fspk

⑴选择水泥搅拌桩类型

工程桩采用三轴水泥搅拌桩φ650@450mm，桩截面面积Ap=0.8655m2，桩周长μp =4.0271m，桩长L=12.5m（桩顶标高为-1.600m），褥垫层厚度取300mm，布桩间距@1.10m×2.0m；水泥掺入量为20%，水灰比为0.45，桩身水泥土强度fcu=1.8Mpa。

地面桩采用单轴水泥搅拌桩φ500mm，桩截面面积Ap=0.1963m2，桩周长μp =1.57m，桩长L=6.0m（桩顶标高为-0.600m），褥垫层厚度取300mm，布桩间距@1.0m×1.0m；水泥掺入量为15%，水灰比为0.45，桩身水泥土强度fcu=1.6Mpa。

⑵确定单桩承载力特征值Ra

①按桩体材料所提供的单桩承载特征值：桩身强度折减系数η=0.25

工程桩：Ra=ηfcuAp = 0.25×1800×0.8655 = 389.5KN

地面桩：Ra=ηfcuAp = 0.25×1600×0.1963 = 78.5KN

②按桩端、桩侧摩阻力计算单桩承载力Ra：桩端端阻力发挥系数αp=0.5

工程桩：Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 4.0271×（6×4+5×6.7+4.5×1.8）+0.5×40×0.8655 = 281.5 KN

地面桩：Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 1.57×（6×0.9+6×4.1+5×1）+0.5×55×0.1963 = 60.3 KN

综合以上①、②，可确定单桩承载力特征值Ra取值如下：工程桩：Ra= 281.5KN，地面桩：Ra= 60.3KN。

⑶确定桩土面积置换率m

工程桩：m = Ap/s1s2 = 0.8655/（1.1×2.0）= 0.3934

地面桩：m = Ap/s1s2 = 0.1963/（1.0×1.0）= 0.1963

⑷确定水泥搅拌桩复合地基承载力特征值fspk

单桩承载力发挥系数λ=1.0，桩间土承载力发挥系数β=0.8

工程桩：fspk = λmRa/Ap+β（1-m）fsk = 1.0×0.3934×281.5/0.8655+0.8×（1-0.3934）×50 = 152Kpa 则设计计算取值为fspk = 150Kpa

地面桩：fspk = λmRa/Ap+β（1-m）fsk = 1.0×0.1963×60.3/0.1963+0.8×（1-0.1963）×50 = 92.4Kpa 则设计计算取值为fspk = 90Kpa

2.2.2计算地基承载力

⑴选择柱下独立基础截面尺寸

基础截面宽度b=3.0m，基础截面长度l=5.2m，基础截面面积A=15.6m2，基础埋深d=1.2m，地下水位为1.0m。

⑵计算修正后的复合地基承载力特征值fsp

基础埋深承载力修正系数ηd=1.0，基础底面以上土的加权平均重度：

γm=（20×1.0+（20-10）×0.2）/1.2=18.33KN/m3

fsp = fspk+ηdγm（d-0.5）= 150+1.0×18.33×（1.2-0.5）= 162.8 Kpa

⑶地基承载力验算

基础自重和基础上的土重：Gk =γmAd = 18.33×15.6×1.2 = 343.2KN

地面堆载产生的附加重量：Qk = 30×15.6 = 468KN

Wx=bl2/6=3.0×5.22/6 = 13.52m3 Wy=b2l/6=3.02×5.2/6 = 7.8m3

①Mxmax的标准组合：Mx=271KNm My=0 Vx=0 Vy=47KN N=1128KN

Pk =（Fk+Gk+Qk）/A =（1128+343.2+468）/15.6 = 124.3 Kpa

Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+271/13.52+0/7.8 = 144.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa

Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-271/13.52-0/7.8 = 104.3 Kpa>0

②Mymax的標准组合：Mx=0 My=3KNm Vx=15KN Vy=0 N=1128KN

Pk =（Fk+Gk+Qk）/A =（1128+343.2+468）/15.6 = 124.3 Kpa

Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+0/13.52+3/7.8 = 124.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa

Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-0/13.52-3/7.8 = 123.9 Kpa>0

③Nmax的标准组合：Mx=2KNm My=0 Vx=0 Vy=3KN N=1585KN

Pk =（Fk+Gk+Qk）/A =（1585+343.2+468）/15.6 = 153.6 Kpa

Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 153.6+2/13.52+0/7.8 = 153.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa

Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 153.6-2/13.52-0/7.8 = 153.5 Kpa>0

综合以上①、②、③，可知：地基承载力验算满足要求（最不利组合为Nmax）。

⑷软弱下卧层验算

由于三轴水泥搅拌桩（工程桩）持力层为②2层淤泥，桩端以下不存在软弱下卧层，故无需进行软弱下卧层验算。

⑸沉降计算

ζ= fspk/fak =150/50=3

Es=（3.0×4+2.47×6.7+1.68×1.8）/12.5=2.53 Mpa

则复核地基土层的压缩模量：Esp=ζEs=3×2.53=7.59 Mpa，复核地基土层厚度为12.9m。

地基变形计算深度估算：zn = b（2.5-0.4lnb）= 3.0×（2.5-0.4×ln3.0）= 6.2m

查《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）表5.3.7可得：△z = 0.6m

准永久荷载组合时基础底面处的附加压力值：Po = 1186/3.0/5.2+30 = 106 Kpa

① 分层总和法计算出的地基变形量如下表：（l/b = 5.2/3.0 = 1.73）

②

③ ②验算地基变形计算深度zn

△sn' / ∑△si' = △sn' / si' = 0.70/44.7 = 0.016 ≤ 0.025，满足要求。

③沉降计算经验计算系数ψs

Po = 106 Kpa<0.75fak = 0.75×150 = 112.5 Kpa

Es' = ∑Ai / ∑（Ai / Esi）= 0.80042/（0.78792/7.59+0.0125/7.59）= 7.59 Mpa

查《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）表5.3.5可得：ψs = 0.678

④地基最终变形量 s

s = ψs s' = ψs∑ p0（ziαi - zi-1αi-1）/ Esi = 0.678×44.7 = 30.3mm

三、经济比较

⑴PHC预应力管桩+无梁板地面方案

工程桩采用PHC600-130-A，持力层为⑤2-1层 粉质黏土，单桩承载力特征值为1500KN，桩长约为55m，柱下为双桩承台（1.2m×3.3m×1.5m（厚度））；地面桩采用PHC500-125-A，持力层为④1层黏土，单桩承载力特征值为650KN，桩长约为40m，布桩间距为@4m×4m。

⑵水泥搅拌桩处理方案与PHC预应力管桩+无梁板地面方案进行经济分析，具体如下表：

由上表可知，浙江绿欧智能科技有限公司拟建的3#车间基础及地面处理总造价，水泥搅拌桩处理方案比PHC预应力管桩+无梁板地面方案每平方可节约：

（132519-75309）/（16×8）= 447 元/m2（按一层建筑面积计算）。

结语：

根据当地工程经验，水泥搅拌桩对地基土的加固效果良好，沉降均匀，质量可靠稳定。由此可见，水泥搅拌桩是一种具有工程造价低、处理效果好、质量易控制、施工工艺受环境制约少的成熟地基处理技术，在软土场地施工中有较高的推广意义。

（作者单位：福建省机电建筑设计研究院）