土体固化在桩基施工中的应用

1 工程概况

珠海机场综合交通枢纽项目一期工程位于珠海市金湾区珠海航空产业基地， 处于珠海机场T1、T2 航站楼与城际铁路之间。 项目主要建设内容为：航站楼前交通枢纽、配套商业服务中心及相关业务用房、地铁预留、轨道及轨道交通旅客行李通道（土建）等。

本工程桩型为预应力高强混凝土管桩及缓黏结预应力灌注桩，预应力高强混凝土管桩桩径为500 mm、600 mm，共9 931 根，沉桩方式为静压沉桩法，缓黏结预应力灌注桩桩径为1.1~1.6 m，共计331 根，沉桩方式为旋挖机钻孔。

根据工期计划桩基施工期间为雨季阶段， 由于静压沉桩法对场地的地耐力要求较高，在新填土、淤泥土及积水浸泡过的场地施工易陷机，对表土层软弱的地方需事先进行处理，所以静压桩机对地基需要较好的土层，以便于桩机正常行走，确保施工质量。

依据岩土工程详细勘察报告书所述， 场地土的类型属软弱土，具体各地层特性指标如表1 所示。

表1 各地层特性指标统计表

2 地基承载力验算

2.1 静压桩机地基压力计算

静压桩机施工时地面承受压力最大时为桩机吊桩施工时，把所压的地面面积理想为长方形基础，基础宽9 m，长为15 m，通过岩土工程勘察报告得知，地基自上而下为素填土、吹填砂、中砂、粉质黏土、淤泥等。

当静压桩机吊起桩机时对路面压力最大， 静压桩机自重为770 t， 管桩重量440×15=6 600 kg， 对地 基 最大压力 为770+6.6=776.6 t， 单侧接地面积为1.8×15=27 m2， 则压力为：P=776.6×10/27/2=144 kPa。

2.2 旋挖机地基压力计算

当旋挖钻机进行作业时对路面压力最大， 旋挖钻机自重为136 t，对地基最大压力为136 t，单侧接地面积为1×6.86=6.86 m2，则压力为：P=136×10/6.86/2=99.1 kPa。

查勘察报告，按照最不利验算得素填土的重度17.5 kN/m3，凝聚力12 kPa，内摩擦角17.5°，太沙基极限承载力Pu计算公式为：

式中，γ 为地基土的重度，kN/m3；b 为基础的宽度，m；c 为地基土的黏聚力，kN/m3；d 为基础的埋深，m；Nγ、Nc、Nq为地基承载力系数， 是内摩擦角的函数， 可以通过查太沙基承载力系数表，内摩擦角φ 约17.5°，得Nγ=1.8，Nq=4.45，Nc=12.9。

代入式（1），得：

Pu=0.5×1.8×17.5×1.8+0×17.5×4.45+12×12.9=183.15 kPa。

183.15 /2=91.6 kPa，与地勘报告给的地基承载力95 kPa 基本吻合，以下计算均按地勘报告提供的承载力。

因95 kPa＜144 kPa，所以素土层的承载力不满足要求，需对基底土体进行处理[1]。

3 换填方案选择

结合项目特点，选择了碎石换填、混凝土硬化、土壤固化剂3 种处理方案桩进行比选。

3.1 方案一：碎石换填

基底附加压力设计值取144 kPa，近似计算取：

式中，Pz为相应于作用的标准组合时，垫层底面处的附加压力值，kPa；Pcz为垫层底面处的自重压力值，kPa；b 为矩形基础或条形基础底面的宽度，m；l 为矩形基础底面的长度，m；Pk为相应于作用的标准组合时， 基础底面处的平均压力值，kPa；z 为基础底面下垫层的厚度，m；∂为层（材料）的压力扩散角，(°)。

验算素填土作为新填土的软弱下卧层的承载力。 根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》压力扩散角∂取27.6°。

代入数据计算得：

（b+2ztan∂）=2.64；（l+2ztan∂）=15.84

Pz+Pcz=92.98 kPa≤faz=95 kPa， 素填土作为新填土的下卧层满足承载力要求。

根据以上计算当采用碎石换填， 换填厚度为800 mm，同时验算素填土作为新填土的软弱下卧层的承载力均满足承载力要求[2]。

验算淤泥作为素填土的软弱下卧层的承载力， 淤泥层埋深约3 m，根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》压力扩散角∂取30°，代入数据计算得：

（b+2ztan∂）=5.26；（l+2ztan∂）=18.46

Pz+Pcz=40.04 kPa≤faz=50 kPa； 淤泥作为素填土的下卧层满足承载力要求。

3.2 方案二：混凝土硬化

采用C20 混凝土进行硬化， 浇筑厚度200 mm 用于静压桩机行走，同时桩基施工完后需进行混凝土破除及外运。

3.3 方案三：土壤固化剂

采用土壤固化剂进行基层加固处理。 土壤固化剂是土壤固化外加剂的简称，是一种由多种无机、有机材料合成的用以固化各类土壤的新型节能环保工程材料。 对于需加固的土壤，根据土壤的物理和化学性质，只需掺入一定量的固化剂，经拌匀、压实处理，即可达到需要的性能指标。

同时采用挖机进行翻动原场地内素填土层（厚度为600 mm，代替碎石换填及混凝土硬化）来回翻碎，同时均匀撒布水泥、掺入一定比例土壤固化剂拌和， 待固化剂溶液充分渗透至土壤表面从而达到承载力要求[3]。

3.4 经济性对比

碎石换填800 mm 厚、面积为7.57 万m2、经测算工程造价约400 元/m3，总造价为1 200 万元；由于碎石回填后需考虑桩基施工完成后需进行二次开挖转运，价格较高不经济，故此方案不予采用。

C20 混凝土硬化、 厚度为200 mm、 经测算工程造价约625元/m3，总造价为937.5 万元，采用混凝土硬化价格较高、不经济，同时混凝土硬化待桩基施工完后需进行破除及外运，不利于节能环保，故混凝土硬化不予采用。

采用固化剂进行土体加固经测算施工成本为220 元/m3，同时待桩基施工完成后二次开挖转运量较小， 工程造价费用低，加固施工工期短。

综上所述，采用土壤固化剂进行基底处理最适合本项目。

4 土壤固化剂加固施工流程

素填土翻碎→水泥撒布拌和→土壤铺设→固化剂喷洒→压路机碾压→桩基施工。

5 土壤固化剂施工要点

5.1 素填土翻碎

采用挖机进行原场地取土，取土厚度为600 mm，取土完成后采用两台挖机来回翻碎。

5.2 水泥撒布拌和

水泥强度等级采用42.5，按0.22 t/m3在施工区域均匀撒布，并采用挖机进行拌和，使水泥与土壤拌和均匀，如图1 所示。

图1 水泥拌和

5.3 土壤铺设及固化剂喷洒

待水泥与土壤拌和后， 进行土壤分层铺设， 铺设厚度300 mm。然后将土壤固化剂与水混合，水∶土壤固化剂=9∶1，采用洒水车（或其他洒水措施）喷洒土壤固化剂水溶液于拌好的土上；待固化剂溶液充分渗透至土壤表面无明显水洼时，采用挖机再次翻地面，使下面渗透不到的土与上面的拌和均匀。 再次喷洒土壤固化剂溶液，确保土壤固化剂用量及土壤充分渗透。

5.4 压路机碾压

待渗透至用压路机压实时土不易粘在压路机上， 即可用压路机来回压实路面；随机抓一把土，手用力抓能成一团，然后用手指能轻松碾碎，是压实的最好时机，压实后保湿养护3 d确保表面湿润；土体固化施工完成后进行桩基施工。

5.5 试验效果

压实保湿养护3 d 后对于土体加固后地面采用轻型动力触探检测承载力，检测结果均满足静压桩机施工要求，同时静压桩机、旋挖机进行桩机施工时未出现陷机等现象，满足施工需求。

6 结语