换土垫层法与深层搅拌桩法联合加固地基的应用

摘 要：本文通过工程实例，介绍了采用换土垫层法与深层搅拌桩法联合加固软弱地基的处理方法、施工工艺及效果。检测结果表明，处理后的复合地基承载力提高一倍以上，并减小基础沉降量，调节了沉降差异。经济效果显著，可对类似场地的工程设计、施工提供参考。

关键词：换土垫层；深层搅拌桩；设计；施工；检测

中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0237-03

引 言

软弱地基的处理方法很多，有换土垫层、深层搅拌桩、挤密砂桩和碎石桩等，尽可能避免在同一地基场地内分地段采用不同的地基处理方式，以免形成强度差异和压缩性差异。在河池地区财政局办公楼主楼地基处理中综合应用了换土垫层、深层搅拌桩取得了很好的处理效果，节约了工程造价，提高了工效，缩短了工期，具有较好的技术效果和经济效益。

1 工程概况

广西河池地区财政局办公楼位于河池市城西开发区，主楼地上13层（高39m）、地下一层，框剪结构，底层占地面积56.6m×15.5m，基础采用筏板基础，基础埋深-4.5m，±0.00标高193.5m，设计要求地基承载力标准值f■=280kPa。

2 场地工程地质条件概况

2.1 地形地貌

拟建场地跨越两种地貌单元：（1）～（5）轴地段属六圩古河床地貌，（5）～（14）轴地段属剥蚀残丘地貌（见图1）。

2.2 地层分布及特征

根据《河池地区财政局城西开发区办公楼岩土工程勘察报告》，本场地地层自上而下为：

（1）冲积淤泥质土：黑褐色，软塑状态，仅分布于（1）～（5）轴，层厚2.4～6.5m；

（2）冲积圆砾：灰褐色，松散状态，饱和，仅分布于（1）～（5）轴，层厚0.3～0.5m；

（3）残积粉土：棕黄色，坚硬状态，分布于全场地，层厚8.7～17.6m；

（4）残积粉质粘土混碎石：棕黄色，硬塑状态，分布于全场地，钻探深度内尚未揭穿该层，层厚>10.9m。

2.3 地下水

场地内地下水主要赋存于（1）～（5）轴圆砾层孔隙中，属潜水类型，由地表水（六圩河）和降雨补给，稳定水位埋深5.2～6.4m，水量较大。

3 地基处理方案的选择

根据场地冲积层（淤泥质土）属软弱土层，而残积层（粉土）承载力未能满足设计要求的特点，勘察报告建议采用两种地基处理方案：①场地西段15m（即（1）轴往（14）轴15m）采用换土垫层，以残积粉土作为持力层；②采用桩基础。针对场地存在的工程地质问题，设计单位采用了？准500mm锤击沉管灌注桩方案，桩长20m，同时设计要求先对场地（1）～（5）轴冲积软弱地层采用深层搅拌桩进行加固使软弱土层力学性质与（5）～（14）轴的残积土层力学性质一致后，再进行锤击沉管桩施工。

受建设单位委托，我单位承担了该工程地基处理任务。施工进场后我单位项目技术人员对场地工程地质条件进行了深入调查，发现以上地基处理方案加固后采用桩基存在着造价偏高，施工工艺复杂，施工质量不易控制，工期较长，甚至还有振动、噪音公害等问题。针对场地工程地质条件及設计对地基的要求，本着安全可靠、经济合理的原则，图纸会审时我单位提出了采用换土垫层法与深层搅拌桩法联合加固方案取代深层搅拌桩+桩基方案的建议，施工报价仅为原基础方案的60%。得到建设单位和设计单位的认可，并最终采用了该地基加固处理方案。

4 方案设计

4.1 设计思路

先对（1）～（5）轴的冲积软弱土层进行深层搅拌桩加固处理，使得加固后（1）～（5）轴复合地基承载力标准值和压缩模量与（1）～（5）轴残积粉土层基本一致，然后进行换土垫层设计，提高整个场地地基力学强度以满足建筑物上部结构的要求，设计按两个步骤进行：①按地基承载力特征值fak=250kPa（即残积粉土层力学强度）进行换土垫层设计，确定垫层厚度及宽度；②根据筏板基础埋深、换土垫层厚度和软弱冲积土层厚度确定（1）～（5）轴搅拌桩处理深度（即桩长）进行深层搅拌桩设计。

4.2 换土垫层设计

（1）加固机理：利用强度较高的级配碎石料置换场地部分残积粉土，并经碾压、振实，以提高地基承载力，减少附加应力对相对软弱持力层（残积粉土层）的作用，减少基础沉降的一种地基处理方法。

（2）垫层厚度确定：垫层厚度根据下卧软弱土层顶面处（即垫层底面处）的附加应力设计值与土的自重应力不大于同一标高处软弱土层的地基承载力设计值来确定，其表达式为：

经计算，确定垫层厚度Z=1.20m。

（3）垫层宽度确定：垫层宽度除满足应力扩散的要求外，还应考虑垫层应有足够的宽度及侧面土的强度条件，防止垫层材料向侧边挤出而增大垫层的竖向变形量，常见的经验方法为扩散角法：

式中b′-垫层底面宽度；Z-垫层厚度；θ-垫层的压力扩散角，可按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）表3.2.1采用。

经计算，垫层宽度沿筏板基础外扩0.87m，为便于施工垫层宽度均采用沿筏板基础外扩1.0m。

（4）垫层材料：由就地取材采用本地料厂产的碎石料进行击实试验确定，采用5～40mm石灰石级配碎石料，含泥量<3%。

4.3 深层搅拌桩设计

4.3.1 加固机理

利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地下将软土和固化剂（水泥）强制搅拌均匀，水泥颗粒表面的矿物质很快与软土中的水发生复杂的水化水解反应，生成氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐等化合物，这些物质在水、空气中逐渐硬化，形成水泥骨架，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥固化体。

4.3.2 设计参数的选择

根据勘察报告提供的土层岩土参数、筏板基础设计平面图及说明结合附近工程实践经验，选取下列参数：

4.3.3 单桩竖向承载力特征值计算

搅拌桩平面布置按近似正方形均匀布置，桩间距：纵向0.82m、横向0.79m。

5 施工工艺

本次施工先采用挖土机以筏板基础底面标高（即189m），对基坑进行开挖，然后进行（1）～（5）轴深层搅拌桩施工，最后采用人工开挖到垫层底面标高，对深层搅拌桩检测，检测合格后再进行垫层施工。

5.1 搅拌桩施工

（1）成桩设备：本工程使用的桩机是中国有色金属工业总公司浙江地质勘查局研制的DBJ-14D型单头深层搅拌桩机，成桩施工过程中具有无振动、无噪间、无环境污染、无侧向挤压等优点。

（2）施工参数：水泥为主固化剂，粉煤灰为外掺剂，水泥掺入量为土重的15%，外掺剂掺入量为水泥的15%，水灰比0.8，采用四次喷浆搅拌工艺，施工过程中提升速度不得超过1m/min。

（3）施工工藝流程：桩机就位→送浆搅拌至设计桩底标高→送浆搅拌提升至设计桩顶标高→第二次送浆搅拌至设计桩底标高→送浆搅拌提升至设计桩顶标高→成桩移位。

5.2 换土垫层施工

5.2.1 施工顺序

①基坑开挖：为了避免机械作用造成断桩场地（1）～（5）轴基坑采用人工开挖，（5）～（14）轴采用挖土机开挖但预留30cm采用人工清理浮土。②验槽：开挖清理完毕后经相关地质人员验槽确认已满足设计要求后，方可进行下道工序。③备料：按室内试验设计配合比备料，并按期对料源进行复检。④分层回填：第一层虚铺厚度为60cm，以后每层按30cm铺设直到设计标高。⑤碾压、振实：采用YZ14B型振动碾压机（自重14t，振动时作用力可达25t）分层碾压、振实，具体为：1～2遍非振动碾压；3～10遍振动碾压；11～12遍非振动碾压；⑥分层检测：利用水袋法对每振动碾压完一层垫层的压实度进行随机抽检，检测合格后方可进行下一层铺设。按上述步骤反复施工直至设计标高。

5.2.2 施工工艺流程

6 处理效果检测

6.1 深层搅拌桩效果检测

（1）载荷试验：根据复合地基载荷试验报告，由上部结构设计单位及监理单位随机抽验的三个试验点（221#桩处、333#桩处、434#桩处）的复合地基承载力特征值分别为360kPa、336.8kPa、343.6kPa，均大于设计要求250kPa；各试验点的最大沉降量分别为8.34mm、11.88mm和13.24mm，残余沉降量分别为5.48mm、8.47mm和8.94mm，变形较均匀，满足设计要求。

（4）开挖检验：据现场基坑开挖情况，成桩质量好，用镐锄较难挖掘，桩头坚硬，桩身水泥土拌和均匀。

6.2 换土垫层效果检测

6.2.1 压实度检测

按规范规定每50～100m2不少于1个检验点，进行抽验，第一层垫层抽检20个点，压实系数λc=0.972～0.994；第二层垫层抽检25个点，压实系数λc=0.968～0.986；第三层垫层抽检26个点，压实系数λc=0.968～0.991，均大于设计值λc=0.96，满足设计要求。

6.2.2 载荷试验

此次载荷试验由上部结构设计单位及监理单位随机抽9个点进行试验，其中（1）～（2）轴间2个点、（3）～（4）轴间1个点（4）～（5）轴间1个点、（6）轴1个点、（7）轴1个点、（8）轴2个点、（12）轴1个点，经第三方中心试验室进行检测，压板面积0.5m2（707mm×707mm），总加载量500kPa（为设计值的2倍）。总沉降量2.565～4.02mm，沉降变形较均匀，满足设计要求。

6.3 建筑最终倾斜检测

根据建筑物变形监测结果，建筑物竣工后最终倾斜率为1.1～1.7‰，满足规范要求。

7 几点体会

（1）采用换土垫层法和深层搅拌桩法联合加固软弱地基能使复合地基承载力得到较大的提高，减小沉降量，同时亦有助于调节基础的不均匀沉降。对于加固座落于不同地貌单元且地层力学性质差异较大的小高层建筑地基，具有较高的应用价值。

（2）方案设计之初应充分了解场地工程地质条件，以确保取得合理的设计参数，使得设计方案更经济、可靠。

（3）施工过程中严格按规范要求进行操作，在每个可能影响质量的环节进行施工、检测相结合，是保证获得理想的工程质量的关键所在。

8 结 语

随着城市的发展，建筑于两种不同力学性质地层是今后面临的岩土工程问题之一，常规的处理方法为采用造价较高的桩基础，借鉴河池地区财政局办公楼主楼利用换土垫层法和深层搅拌桩法联合加固地基的成功经验，做到勘察资料详细到位，设计合理，严把施工质量关，将会节约工程成本、缩短施工周期，取得良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）.中国建筑工业出版社，2012.

[2]《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）.中国建筑工业出版社，2011.

[3]《工程地质手册》（第四版）.中国建筑工业出版社，2007.

[4]《基础工程施工手册》.中国建筑工业出版社，1996.

收稿日期：2018-6-22

作者简介：翁敦贤（1974-），男，大学本科，主要从事岩土工程与地质灾害工程勘察、设计、施工及管理工作。