水泥搅拌桩在软土地基加固处理中的应用

2022-09-14雷才波

建材与装饰 2022年27期

雷才波

（中国市政工程中南设计研究总院，云南昆明 650000）

0 引言

水泥搅拌桩作为一种对软土地基进行处理的常见方法，其在各类的软土地基处理中，广泛应用，可以解决在浅层土层中的应力集中问题，使深层土层的沉降问题。其与刚性桩相比，其能很好地与桩的承载能力相协调，其具有降低施工成本，以及使施工效果得到保证等优势，因此在软土地基处理中，其具有很大的优势[1]。

在实际水泥搅拌桩的应用过程中，选择适合本工程的搅拌机从地面开始进行施工作业，直至达到设计深度，再通过搅拌机头，将水泥浆液注入土层中，然后继续进行搅拌作业，从而使得软土的强度与稳定性得到提高这样就会形成复合桩，使得软土地基的强度达到设计要求。

如果在实际的施工过程中，没有对软土地基进行处理，又或者处理的效果不好，会增加安全事故发生的可能性，严重时，会造成建筑物沉降甚至倒塌。因此，本文以一个实际的工程案列，研究在软土地基处理的过程中，水泥搅拌桩的具体设计与应用，为水泥搅拌桩的应用提供一定的参考价值。

1 水泥土搅拌桩加固机理及优点

1.1 深层搅拌法加固软土地基机理

水泥搅拌桩在对软土地基进行处理的过程中，主要用到的材料为水泥，辅助材料为各种外加剂，用到的搅拌机型号为主要为SJB-1型与SJB-2型，搅拌机的主要作用是将软土地基与固化剂进行充分地搅拌，使得软土与固化剂之间可以进行置换、团聚等物理反应，以及硬化、碳化等化学反应，使得软土地基的强度与变形模量得到很大地提升，使软土地基转变为良好的复合地基，从而地基的稳定性提高，使其能够满足上部结构对地基不同的要求[2]。

1.2 深层搅拌法加固软土地基的作用

1.2.1 桩体作用

深层搅拌桩的刚度与其周围土体的刚度相比，其刚度要远远大于土体刚度，因此，与原来的地基相比，承载能力相对提高。当在荷载作用下施加相同量的变形时，地基中的应力分布会根据材料模块的不同进行重新分布，使得地基沉降减少。

1.2.2 垫层作用

深层搅拌桩会与其周围的土体形成复合土层，该土层的力学特性比天然土层的力学性能要好，其具有换土、均匀受力以及加大应力扩散角的用途。当桩身没有完全进入软土层中时，其垫层的作用尤其显著。

1.2.3 加筋作用

深层搅拌桩可以使土体的抗剪能力增强，还可以使土坡的抗滑能力增强。

1.3 深层搅拌法加固软土地基的优点

1.3.1 加固效果良好

水泥土在经过搅拌加固后，其强度可以达到1MPa~2MPa之间。当水泥搅拌桩与周围的土体进行搅拌后，形成复合地基时，顶层的荷载可以通过刚性复合地基扩散到大量剩余土层，大大减少地基的沉降。

1.3.2 加固后的地基可以立即承受上部荷重

在经过深层搅拌加固后，经过15~30d的自然养护后，地基即可承担上部结构的荷载，其尤其适用于类似跑道状的加固工程的流水施工[3]。

1.3.3 施工的速度快

每个深度搅拌机可以运行250延m/d，如果在对软土地基进行处理过程中，需要搅拌桩的总数为23000根，其桩径按照50cm来算，桩长按照9m计算，因此共20.7×104延m，工期按照80d计算，仅仅需要11个深度搅拌机即可加固作业。

1.3.4 材料的运输量小

根据以上第三点中的搅拌桩的总数，完成该数量的搅拌桩需要的水泥为9500t，工期按照80d计算，每天要运输119t的水泥，这样可以降低临时道路的运输压力。

1.3.5 施工不受气候的影响

深层搅拌桩的施工受天气影响较小，因此在一些多雨的地区施工时，可以保证工期。

1.3.6 造价较低

如果市场中水泥价格为每吨400元，桩长按照9m来算，每米桩长的水泥用量为60kg，即每根深层搅拌桩的造价为180元，相比与其他软土地基处理方法，其造价较低。

2 工程概况

本文以某地区的一个混凝土框架结构的建筑工程为实际工程案列，该工程层数为四层，其土层的主要物理力学指标如表1所示。

表1 主要土层的物理力学性质指标

通过对施工场地进行地质勘探，可以发现该工程所处的区域，软土地层的厚度较厚，其含水量也比较高，土质的压缩性较高，但其强度却较低。对整个施工场地的地质情况与应力分布情况进行分析，选择水泥搅拌桩对其进行软土地基处理。在使用水泥搅拌桩的过程中，要结合专门的机器，使地基的承载能力得以提高，使地基沉降减小，满足上部结构的要求。

在实际施工过程中，需要将水泥掺入进去，使水泥与原有的土体相结合进行施工，同时要注意就地取材，降低施工成本。混凝土施工所用机械较为简单，结合地质条件，地基处理也较为简单，这样不仅仅可以使施工的效率得到提高，还可以降低对周边环境的影响。通常情况下，在对水泥搅拌桩进行设计的过程中，要对水泥与原有的土质的强度进行充分地考虑，同时要注意能提高水泥的强度尽量不提高水泥的用量。除此之外，在应用水泥搅拌桩的过程中，应尽量考虑长短水泥搅拌桩进行软土地基处理，这样可以是施工效果得到保证，还可以降低施工成本以及缩短工期[4]。受力机理如图1所示。

从图1可以看出，d为基础埋深，Ⅰ区采用长短桩，但是要注意的是，明确长桩与短桩之间合理的间距，以及合理的埋深，使桩体之间的共同作用，保证长短桩与地面的共同沉降，提高了Ⅰ区的承载能力。Ⅱ区为长桩区，可有效减少沉降问题，Ⅲ区为持力层。三区协同工作，从而使地基的承载能力得以提高，地基沉降值减小，同时在长短桩的配合使用下达到了预期的施工效果。

图1 受力机理

3 水泥搅拌桩设计要素

在结合长短桩使用进行软土地基处理时，要对应力分布进行充分地考虑，使地基的承载能力与强度得到保证。为了使水泥搅拌桩符合设计的要求，需要进行很多次的计算。在实际工程中，柱底尺寸一般为B×L=5m×5m，长短桩结合起来使用，长桩的桩长为17.5m，沉桩的长度18.8m，短桩的桩长为11m，沉桩的长度为11.6m，置换率（m）=0.2562，桩径为0.5m，水泥土强度fcu为1850kPa。

3.1 计算承载力特征值

（1）计算单桩竖向承载力特征值。

具体公式如式（1）、式（2）所示，应根据计算结果，将计算结果最小值作为施工依据[5]。

式中：η——桩身强度的折减系数，取0.25；α——桩端土承载力的折减系数，取0.5；up——桩周长；li——第i层土的厚度。

（2）计算水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值。根据相关规范与规定，计算公式如式（3）所示。

式中：β——桩间土承载力的折减系数，取0.5；fak——复合地基承载力特征值。根据实际的要求设定fak=130kPa，经过计算可以得到桩基下的桩数量为32根。

3.2 估算基底附加应力及沉降

根据Mindlin解可以得到软土地基中水泥搅拌桩的附加应力，如表2所示。

表2 基底附加应力

计算地基沉降进行时，通过利用复合无量法，根据置换率，分别计算兰格分区的沉降量，再将这三个分区的沉降量进行相加，即可得到地基沉降量，计算公式如式（4）所示。

在水泥搅拌桩中，复合土层的沉降量Si计算方法如式（5）所示。

式中：Pz——水泥搅拌桩的土层底面；Pzl——顶面的附加应力值；Espi——水泥搅拌桩的复合土层压缩模量。

根据实际的工程情况可知，Ep=185MPa，Espi的计算公式如式（6）所示。

最终得到该工程的沉降量为11.6mm。

4 试验验证

进行基础的静载荷试验。如果试验的结果比计算结果多出10%，则可以证明该设计符合要求。根据标准要求，本工程的长桩深度不超过15m，但是在实际情况中，长桩深度接近19m，因此需要进行长桩打桩部分的抗压强度检测，从而更好地反映出施工效果，主要的检测数据如表3所示。

表3 抗压强度检测数据统计

从表3可以看出，水泥土的抗压强度大于1.8MPa，说明超过15m部分的水泥屈服符合设计要求，整体效果良好。由此可见，本工程的水泥搅拌桩的强度明显提高。

5 水泥搅拌桩施工应对措施及质量控制

5.1 桩机的选择

在本工程的实际施工的过程中，长桩桩深接近19m，必须使用喷粉桩机进行施工。本文选用的粉喷桩机具体型号为GPP-5E，功率45kW，可施工距离可达22m，符合技术要求。打桩机中配置着传感器，可对深度与重量进行实时监测，而监测的数据可以实时传输到主机上，施工人员可以得到每米的喷灰量，从而可以根据实际的施工情况进行及时调整，确保搅拌桩各段均能满足设计的要求，使施工质量保持在正常范围之内[5]。