深層水泥攪拌樁與素混凝土樁在地基處理中的比較

周國(guó)雨鎮(zhèn)江電力設(shè)計(jì)院，江蘇鎮(zhèn)江 212001

目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)項(xiàng)目不斷增加，對(duì)地基土的要求也越來越高，但可供選擇的天然地基卻十分有限，地基處理方案的選擇和確定是否恰當(dāng)合理，已成為控制和影響工程投資、質(zhì)量、進(jìn)度的主要因素。筆者在變電所的設(shè)計(jì)過程中，多次遇到地基土為軟土且軟土層較厚、承載力較低的情況，變電所作為比較重要的工業(yè)建筑，對(duì)地基承載力和變形要求較高，對(duì)于這個(gè)情況，采用地基處理是比較可行的方法。地基處理可增加軟土地基的承載力，減少沉降量，而深層水泥攪拌樁和素混凝土樁是地基處理中經(jīng)常采用的。深層水泥攪拌樁為一種介于剛性樁與柔性樁之間具有一定壓縮性的樁，通常歸于柔性樁，素混凝土樁則為典型的剛性樁，現(xiàn)就這兩種樁的作用機(jī)理、承載力的計(jì)算、適用范圍以及地基載荷試驗(yàn)等問題作出比較分析。

1 作用機(jī)理

深層水泥攪拌樁的基本原理是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)過程，可通過專用機(jī)械設(shè)備將固化劑灌入需處理的軟土地層內(nèi)，并在灌注過程中上下攪拌均勻，使水泥與土發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成水泥水化物并形成凝膠體，將土顆粒或小土團(tuán)凝結(jié)在一起形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)整體，這就是水泥骨架作用；同時(shí)，水泥在水化過程中生成的鈣離子與土顆粒表面的鈉離子進(jìn)行離子交換作用，生成穩(wěn)定的鈣離子，從而進(jìn)一步提高土體的強(qiáng)度，達(dá)到提高其復(fù)合地基承載力的目的；另外，水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，這種反應(yīng)也能使水泥土增加強(qiáng)度，但增長(zhǎng)的速度較慢，幅度也較小。

素混凝土樁的基本原理是通過樁與土體的摩擦力而使基樁具有一定的承載力，它不與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而是通過置換原理，提高地基土的承載力。地基處理時(shí)的素混凝土樁與灌注樁相比，一是它無需配鋼筋；二是它對(duì)持力層的要求不是很高，通常以摩擦力為主，主要承受豎向力。

2 承載力計(jì)算

深層水泥攪拌樁的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)復(fù)地基載荷試驗(yàn)確定，也可按下式計(jì)算：

式中 fsp,k——復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值

m——面積置換率

Ap——樁的截面積

fs,k——樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值

β——樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁端土為軟土?xí)r，可取0.5～1.0, 當(dāng)樁端土為硬土?xí)r，可取0.1～0.4，當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時(shí)，可取0

Rk

d——單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)單樁載荷試驗(yàn)確定

其中樁間土承載力折減系數(shù)β還應(yīng)根據(jù)建筑物對(duì)沉降要求而有所不同。當(dāng)建筑物對(duì)沉降要求控制較嚴(yán)時(shí)，即使樁端是軟土，β值也應(yīng)取小值，這樣較為安全；當(dāng)建筑物對(duì)沉降要求控制較低時(shí)，即使樁端是硬土，β值也可取大值，這樣較為經(jīng)濟(jì)。

單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rkd除了可通過現(xiàn)場(chǎng)單樁載荷試驗(yàn)確定外，也可按下列二式計(jì)算，取其中較小值：

式中 fcu,k——與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值

η——強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.35～0.50

-qs——樁周土的平均摩擦力，對(duì)淤泥可取5～8kPa,對(duì)淤泥質(zhì)土可取8～12kPa，對(duì)粘性土可取12～15kPa

Up——樁周長(zhǎng)

l——樁周長(zhǎng)

qp——樁端天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)，可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定確定

α——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6

深層水泥攪拌樁的復(fù)合地基承載力計(jì)算的關(guān)鍵問題為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算，單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式中，（1）式按樁身強(qiáng)度確定單樁豎向承載力，（2）式按土對(duì)樁的支承力確定單樁豎向承載力，單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值取二者中較小者。（1）式中，樁身強(qiáng)度與水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu,k有著最直接的關(guān)系，fcu,k可根據(jù)試驗(yàn)得出，（2）式中，樁周土摩擦力-qs直接影響著單樁豎向承載力，樁周土摩擦力可按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》取值。

從以上分析可以看出，當(dāng)（1）式強(qiáng)度值大于（2）式強(qiáng)度值時(shí)，此時(shí)樁的承載力由土對(duì)樁的支承力控制，可增加樁長(zhǎng)來提高單樁豎向承載力；當(dāng)（2）式強(qiáng)度值大于（1）式強(qiáng)度值時(shí)，此時(shí)樁的承載力由樁身強(qiáng)度控制，存在著無效樁長(zhǎng)。在工程實(shí)踐中，樁身強(qiáng)度往往是控制因素。

在深層水泥攪拌樁單樁設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)使土對(duì)樁的支承力與樁身強(qiáng)度確定的承載力相近，并使后者略大于前者最為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)復(fù)合地基承載力要求較高時(shí)，這時(shí)樁身強(qiáng)度往往影響著復(fù)合地基承載力的提高，因此，采用樁身強(qiáng)度較高的素混凝土樁成為比較好的方法。與深層水泥攪拌樁相比，素混凝土樁不但與土體具有較高的摩擦力，又具有很高的樁身強(qiáng)度。

素混凝土樁的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，也可按深層水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算公式計(jì)算。此時(shí)，確定單樁承載力時(shí)，樁身強(qiáng)度將不再成為控制因素，因?yàn)榧词顾鼗炷翗稑渡砘炷翗?biāo)號(hào)為C10（通常混凝土標(biāo)號(hào)應(yīng)采用C15～C20），根據(jù)樁身強(qiáng)度確定的單樁承載力往往也大于按土體對(duì)樁的支承力確定的單樁承載力。在按深層水泥攪拌樁單樁承載力計(jì)算公式計(jì)算素混凝土樁單樁承載力時(shí)，樁周土摩擦力-qs可按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的條文說明中取其中大值。

3 適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

深層水泥攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高且地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于120kPa的粘性土等地基。當(dāng)用于處理泥炭土或地下水具有侵蝕性時(shí)，宜通過試驗(yàn)確定其適用性。有機(jī)質(zhì)對(duì)深層水泥攪拌樁的影響較大，因此，必須在工程地質(zhì)勘察時(shí)探明土層中有機(jī)質(zhì)含量，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量大于10%時(shí)，深層水泥攪拌樁不宜使用。

深層水泥攪拌樁作為一種經(jīng)常采用的地基處理方法，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）深層水泥攪拌樁將固化劑和原地基軟土就地?cái)嚢杌旌希蚨畲笙薅鹊睦昧嗽痢?/p>

2）施工時(shí)無振動(dòng)、無噪聲、無污染，而且不會(huì)使地基側(cè)向擠出，對(duì)周圍原有建筑物的影響很小，可在市區(qū)內(nèi)和密集建筑群中進(jìn)行施工。

3）與鋼筋混凝土樁基相比，節(jié)省了大量的鋼材，并降低了造價(jià)。

深層水泥攪拌樁的缺點(diǎn)主要是它對(duì)復(fù)合地基承載力的提高有一定的限度，其承載力不大于160kPa，當(dāng)復(fù)合地基承載力要求較高時(shí)，攪拌樁不再有優(yōu)勢(shì)，另外，攪拌樁的施工技術(shù)要求較高，容易出現(xiàn)質(zhì)量事故。

素混凝土樁由于樁身強(qiáng)度有了很大的提高，對(duì)復(fù)合地基承載力有了較大程度的提高，彌補(bǔ)了深層水泥攪拌樁這方面的缺點(diǎn)；同時(shí)它適用范圍也比深層水泥攪拌樁廣。在具有這些優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，它與深層水泥攪拌樁相比，經(jīng)濟(jì)性能不如深層水泥攪拌樁。可以說，素混凝土樁在性能、造價(jià)方面，它是介于鋼筋混凝土攪拌樁與深層水泥攪拌樁之間的一種地基處理方法。

4 質(zhì)量檢驗(yàn)

深層水泥攪拌樁在施工期質(zhì)量檢驗(yàn)有以下幾個(gè)方面：樁位、樁頂樁底高程、樁身垂直度、樁身水泥摻量及水泥標(biāo)號(hào)、外摻劑的使用、攪拌頭上提噴漿的速度、漿液水灰比及攪拌的均勻性等，必須按規(guī)范對(duì)上述幾個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)。工程竣工后的質(zhì)量檢驗(yàn)，通常采用靜載荷試驗(yàn)，對(duì)于承受垂直荷重的攪拌樁，靜載荷試驗(yàn)是最可靠的質(zhì)量檢驗(yàn)方法。對(duì)于單樁復(fù)合地基，載荷板的大小應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)置換率來確定，即載荷板面積應(yīng)為一根樁所承擔(dān)的處理面積，否則，應(yīng)予修正。試驗(yàn)標(biāo)高應(yīng)與基礎(chǔ)底面設(shè)計(jì)標(biāo)高相同。深層水泥攪拌樁通常是摩擦樁，所以試驗(yàn)結(jié)果一般不出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，承載力可按沉降的變形條件選取。靜載荷試驗(yàn)應(yīng)在28d齡期后進(jìn)行，而設(shè)計(jì)要求均為90d，其承載力對(duì)于齡期的換算關(guān)系完全不同于室內(nèi)水泥土強(qiáng)度的換算關(guān)系，根據(jù)資料分析，28d復(fù)合地基承載力推算到90d的承載力，可以乘以1.1左右的系數(shù)。

素混凝土樁施工期質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)按樁基規(guī)范進(jìn)行。工程竣工后的質(zhì)量檢驗(yàn)，既可針對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行，也可測(cè)試單樁承載力，按公式推算復(fù)合地基承載力。

5 注意事項(xiàng)

采用水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理，目前在設(shè)、施工方面的技術(shù)要求已基本完善；而采用素混凝土樁進(jìn)行地基處理，目前規(guī)范中涉及的不是太多。采用素混凝土樁進(jìn)行地基處理時(shí)，需注意素混凝土樁為剛性樁，若要使它能與樁間土共同協(xié)調(diào)工作，必須在樁頂與基礎(chǔ)底板之間設(shè)置一層褥墊層。褥墊層通常由級(jí)配砂石、粗砂、碎石等散體材料組成。采用褥墊層后，在復(fù)合地基中有以下幾個(gè)作用：

1）可以保證樁、土共同承擔(dān)荷載，褥墊層的設(shè)置為素混凝土樁提供了受荷后，樁上、下刺入的條件。

2）可以減少基礎(chǔ)地面的應(yīng)力集中，隨著褥墊層厚度的增加，樁對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的集中效應(yīng)會(huì)顯著降低。

3）可以調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比，隨著褥墊層厚度的增加，土承擔(dān)的荷載也隨著增加。

6 結(jié)論

通過以上分析，可見采用深層水泥攪拌樁與素混凝土樁進(jìn)行地基處理，它們的作用機(jī)理雖然有所不同，但它們都是通過置換掉一定面積的土體來提高復(fù)合地基土的承載力，是各有優(yōu)缺點(diǎn)的。作為地基處理的手段，深層水泥攪拌樁在經(jīng)濟(jì)上是有一定優(yōu)勢(shì)的；素混凝土樁在復(fù)合地基承載力要求較高的時(shí)候則具有一定的優(yōu)勢(shì)，它在經(jīng)濟(jì)性能上不如深層水泥攪拌樁，但與鋼筋混凝土攪拌樁相比，它是具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的。

[1]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79-2002)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]地基處理技術(shù)規(guī)范(DBJ08-40-94)[S].上海:上海市建設(shè)委員會(huì),1995.

[3]葉關(guān)寶,葉書麟.地基加固新技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.