水泥土攪拌樁復合地基的分析

肖青春 黃進元

（1、西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710000 2、武警北京總隊直工處，北京 100000 3、大慶開發區規劃建筑設計院，黑龍江 大慶 163316）

1 引言

隨著我國工業布局和城市發展的規劃，越來越多的建筑將建在地基條件較差的場地，建在軟土地基上的建筑物將越來越多。作為加固飽和軟土地基的一種方法，水泥土攪拌樁基礎利用水泥作為固化劑，通過特制的機械，將軟土和水泥強制攪拌，利用水泥和軟土之間所產生的一系列物理－化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的優質地基。這種方法的出發點是最大限度地利用了原土，相比較處理軟土地基的其它方法，該方法具有施工方便、費用低廉、加固軟土較深等優點。

2 水泥土攪拌樁復合地基的工程特性

2.1 地基處理概述

地基是指承托建(構)筑物基礎的一部分范圍很小的場地，根據基礎以下的土體名稱和性質的不同分別稱為碎石土地基、砂土地基、粘性土地基、軟弱土地基、凍土地基、膨脹土地基和鹽漬土地基等，當基礎直接建造在未經加固的天然土層上時，稱為天然地基。若天然地基較為軟弱，不能滿足建(構)筑物作用下承載力的要求、變形要求或在地震作用下有可能產生液化、震陷及失穩時則先要經過人工加固處理后再建造基礎，這種對不良地基進行補強加固的過程稱為地基處理。

2.2 地基處理的對象

地基處理的軟土對象有以下幾類：

軟土這里的軟土應為相對軟弱土，是指該土層在上部結構荷載加上后，其承載力或變形不能滿足規范規定要求的土層。這里既包括淤泥及淤泥質土，也包括土質相對較好但當上部結構荷載很大而不能滿足要求的土。淤泥及淤泥質土是在靜水或緩慢流水環境下沉積，經生物化學作用形成，有的富含有機物，其天然含水量大于液限。這類土的特性是天然含水率高，天然孔隙比大，滲透系數小，抗剪強度低，地基變形大，不均勻變形也大，且沉降緩慢。沖填土也即新近沉積土，成分比較復雜，這里主要是要對強度較低和壓縮性較高的久固結粘性沖填土進行研究，以確定處理方案。雜填土這類成分尤為復雜，多為建筑垃圾、生活垃圾及工業廢料等，這類土結構松散，均勻性差，壓縮性高，強度低，設計地基處理方法時應尤其注意其縱向不均勻性。較軟弱土是指土質相對較好，但由于上部建筑物荷載較大，而不能滿足要求的地基土。對這類土進行地基處理設計時，應確保其加固后的復合強度和最終變形指標能滿足上部結構的要求。動力失穩土這類土包括由地震影響可能引起液化的砂性土，粉土及可能引起震陷的軟土。

2.3 地基處理的方法及適用范圍

地基處理方法的分類多種多樣，如按時間分可分為臨時處理和永久處理；按深度分可分為淺層處理和深層處理;按處理的方式可分為化學處理和物理處理。一般采用按照地基處理機理進行分類。

3 復合地基

復合地基能夠較好利用增強體和天然地基兩者承擔建(構)筑物荷載，所以具有比較經濟的特點。自國外1962年首次開始使用“復合地基”（Composite Foundation)一詞以來，復合地基的概念己成為很多地基處理方法的理論分析及公式建立的基礎和根據。

3.1 復合地基的基本概念

所謂復合地基，一般可認為由兩種剛度(或模量)不同的材料(樁體或樁間土)所組成，在相對剛性基礎下兩者共同分擔上部荷載并協調變形。其研究方法經常是在眾多根樁所加固的地基中，選取一根樁及其影響的樁周土所組成的單元體作為研究對象。

3.2 復合地基的特點

復合地基具有以下特點:

工藝簡單：深層攪拌樁可一次完成成孔與成樁，施工速度快，工期短。復合地基目前已有較為成熟的施工工藝，原料拌和、灌注、夯填均易操作，技術指標容易控制。

施工方便：施工機械均為常用建筑機械，如長螺旋鉆機、振動沉管機、粉噴機、混凝土攪拌機等，某些工藝如夯實水泥土樁，采用人工洛陽鏟即可施工。

造價低廉：復合地基充分發揮樁間土的承載力，減少用樁量，且不使用昂貴的鋼材，耗用建筑三材少，一般可就地取材或使用工業廢料，大大降低造價，且有利于環保。

適用范圍廣：采用復合地基可明顯提高地基承載力，減少沉降。過去人們認為復合地基只能用于中小型工程，隨著復合地基技術的發展，在大型工程及高層建筑中，應用越來越廣，在超高層中的應用也不乏其例。此外，復合地基還可用于消除地基液化、邊坡加固等。

3.3 復合地基的分類

樁體如按成樁所采用的材料可分為:散體土類樁-如碎石樁、砂樁等;水泥土類樁-如水泥土攪拌樁、旋噴樁等;混凝土類樁-樹根樁、CFG樁等。樁體如按成樁后樁體的強度(或剛度)可分為:柔性樁-散體土類樁屬于此類樁;半剛性樁-水泥土類樁;剛性樁-混凝土類樁。半剛性樁中水泥摻入量的大小將直接影響樁體的強度。當摻入量較小時，樁體的特性類似柔性樁;而當摻入量較大時，又類似于剛性樁，為此，它具有雙重特性。

4 水泥土攪拌樁復合地基中的應用

4.1 布樁形式的選擇及加固范圍的確定

攪拌樁的布樁形式對加固效果有較大的影響，根據擬建工程地質條件、上部結構的荷載要求以及現階段深層攪拌法的施工工藝和設備，攪拌樁一般采用柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀四種布樁形式。

柱狀。在所要加固的地基范圍之內，每間隔一定的間距設置1根攪拌樁，即成為柱狀加固形式。適用于加固區表面和樁端土質較好的局部飽和軟弱夾層；在深厚的飽和軟土地區，對基底壓力和結構剛度相對均勻的較大的點式建筑，采用柱狀加固形式并適當增大樁長，放大樁距，可以減小群樁效應。

壁狀和格柵狀。將相鄰攪拌部分重疊搭接即成為壁狀或格柵狀布樁形式。一般適用于深基坑開挖時軟土邊坡的圍護結構，可防止邊坡坍塌和岸壁滑動。在深厚軟土地區或土層分布不均勻的場地，上部結構的長寬比或長高比大，剛度小，易產生不均勻沉降的多層磚混條形基礎，采用格柵式加固形式使攪拌樁在地下空間形成一個封閉整體，可提高整體剛度，增強抵抗不均勻沉降的能力。

塊狀。將縱橫兩個方向相鄰的攪拌樁全部重疊搭接即成為塊狀布樁形式，它適用于上部結構荷載面積大，不均勻沉降要求較為嚴格的構筑物的地基處理；另外在軟土地區開挖深基坑時，為防止坑底隆起和封底時，也可以采用塊狀布樁形式。攪拌樁按照其強度和剛度是介于剛性樁和柔性樁之間的一種樁形，但其承載性能又和剛性樁相近，因此在設計攪拌樁的加固范圍時，可只在上部結構的基礎范圍內布置，不必像柔性樁那樣在基礎之外設置圍護樁。布樁的形式可為正方形、正三角形等多種形式。布樁時摩擦樁必須考慮群樁效應，樁距不宜過小。目前，攪拌樁的樁徑大多在φ500～700mm。由于基礎寬度的限制，常常會給布樁造成困難，多數工程樁距較小。解決這個矛盾的途徑：一是采用單軸攪拌，將樁徑縮至φ400mm左右；二是在基礎和攪拌樁的樁頂之間設置150～300mm厚的粗粒材料墊層拉開樁距；三是增加樁長，減少樁數，增大樁距。實踐證明，采用以上措施是有效的。復合地基中，攪拌樁的樁距不宜小于2d(d為樁徑)。

4.2 水泥土攪拌樁沉降變形

影響水泥土攪拌樁沉降的主要因素：樁長對沉降的影響水泥土攪拌樁的強度和壓縮模量介于剛性樁和柔性樁(散體材料樁之間。樁頂荷載通過樁側摩阻力和樁端阻力傳遞給土體，同時樁體發生側向膨脹，且主要發生在樁頂以下一定長度范圍內，該段樁體是水泥土攪拌樁的主要受力區。水泥土攪拌樁的主要破壞形式是樁體的環向拉伸導致沿徑向開裂破壞。此外，樁體也可能發生壓碎破壞。當地基中的滑動面穿過樁體時，還有因剪切破壞導致斷樁的情況。研究表明，水泥土攪拌樁存在臨界樁長，超過臨界樁長，增加樁長并不能減少地基沉降。

[1]葉觀寶.地基加固新技術，機械工業出社，2002

[2]李寧,韓煊.褥墊層對復合地基承載機理的影響,土木工程學報,2001