水泥土攪拌樁處理地基的應(yīng)用及設(shè)計(jì)關(guān)鍵

□劉香君 □買巨喆 □張明恩（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 概況

本工程為倒虹吸工程，管身尺寸為單孔2.50m×2.50m，C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，倒虹吸管身設(shè)計(jì)基底壓應(yīng)力為230kPa，地基承載力特征值為120kPa，需要進(jìn)行處理，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用水泥土攪拌樁處理。樁徑為0.60m，正三角形布置，樁間距0.90m，樁長(zhǎng)6.50m。

2 地質(zhì)條件

倒虹吸管身基礎(chǔ)座于第②層黃土狀輕壤土，層厚5.80～7.90m，該層下部為第③層黃土狀中壤土，層厚6.80～7.20m，以及第④層中粉質(zhì)壤土。水泥土攪拌樁樁周土主要為黃土狀輕壤土，為粉土。該層土的天然含水量為19.40%，孔隙比為0.57，塑性指數(shù)為8.20，液性指數(shù)為0.60，壓縮模量為8.50MPa，承載力特征值為120kPa，側(cè)阻力特征值為25kPa。第③層黃土狀中壤土的壓縮模量為5.90MPa，第④層中粉質(zhì)壤土壓縮模量為6.90MPa。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

水泥土攪拌法處理地基的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于攪拌樁的水泥摻量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的選取和樁長(zhǎng)的確定。水泥土的抗壓強(qiáng)度決定了水泥土攪拌樁的有效樁長(zhǎng)。當(dāng)實(shí)際樁身強(qiáng)度大于式（2）所給出的強(qiáng)度值時(shí)，增加樁長(zhǎng)可提高單樁承載力；當(dāng)實(shí)際樁身強(qiáng)度小于式（2）所給出的強(qiáng)度值時(shí)，則單樁承載力受樁身強(qiáng)度控制，即使增加樁長(zhǎng)也不能提高單樁承載力。所以，筆者認(rèn)為在初步設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)地質(zhì)條件合理選擇fcu的值是重要的，關(guān)系到水泥土攪拌法處理地基的安全性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，還要根據(jù)地基變形的要求進(jìn)行計(jì)算來(lái)最終確定樁長(zhǎng)。

3.2 單樁承載力計(jì)算

單樁承載力特征值按式（1）計(jì)算，同時(shí)要滿足式（2）的要求，應(yīng)使由樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力不小于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力。

式中：up—樁的周長(zhǎng)，m；qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；αp—樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，可取0.40～0.60；qp—樁端端阻力特征值，kPa，取未經(jīng)修正的樁端地基土承載力特征值；Ap—樁的截面積，m2；fcu—與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊，邊長(zhǎng)為70.70mm的立方體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，干法可取0.20～0.25，濕法可取0.25。

擬加固土層為黃土狀輕壤土，屬粉土，由于要求處理后的承載力提高幅度較大，為了提高有效樁長(zhǎng)，可采用提高水泥等級(jí)和摻量的方式來(lái)提高水泥土的抗壓強(qiáng)度，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，過高的樁身強(qiáng)度對(duì)復(fù)合地基承載力的提高以及樁間土的發(fā)揮是不利的。初步選用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為15%。根據(jù)以往工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與本工程土層的物理力學(xué)性質(zhì)相近的土層，當(dāng)水泥摻量15%時(shí)，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本在2.50MPa以上，為保證安全，取fcu為2300kPa，取樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)為0.45，設(shè)計(jì)樁徑采用0.60m。為保證安全和經(jīng)濟(jì)，確定樁長(zhǎng)的原則為由式（1）確定的單樁承載力應(yīng)和由式（2）確定的單樁承載力相接近，并使前者的計(jì)算值略小于后者。根據(jù)此原則確定的單樁長(zhǎng)為6.50m，單樁承載力為162.30kN。

3.3 復(fù)合地基承載力計(jì)算

加固后攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值按式（3）計(jì)算。

式中：fspk—復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk—處理后樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值，kPa；λ—單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取1.00；m—面積置換率。水泥土攪拌樁采用正三角形布置，為滿足要求的復(fù)合地基承載力，經(jīng)計(jì)算，采用的樁間距為0.90m。

3.4 水泥土攪拌樁復(fù)合地基變形計(jì)算

上面介紹，對(duì)于有控制地基變形要求的建筑物，水泥土攪拌樁樁長(zhǎng)的最終確定還應(yīng)通過地基變形計(jì)算來(lái)最終確認(rèn)設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)是否合理。

3.4.1 水泥土攪拌樁復(fù)合地基應(yīng)力分布

由于攪拌樁樁體強(qiáng)度和剛度較小，與剛性樁不同的是，在荷載作用下，樁間土應(yīng)力在樁頂附近集聚現(xiàn)象明顯，樁端土中沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以水泥土復(fù)合地基變形由樁身范圍內(nèi)的壓縮變形和下臥層的壓縮變形組成。

3.4.2 地基變形計(jì)算

3.4.2.1 計(jì)算樁身范圍內(nèi)的壓縮變形

計(jì)算樁身范圍內(nèi)的壓縮變形s1，將復(fù)合地基看做一個(gè)整體，用分層總和法計(jì)算。

式中：pz—攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值，kPa；pzl—攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值，kPa；Esp—攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量，MPa；Ep—攪拌樁樁體的壓縮模量，可?。?00～200）fcu，MPa；Es—樁間土的壓縮模量，MPa；l—攪拌樁樁長(zhǎng)，m。

這里需要注意的是，計(jì)算復(fù)合土層底面的附加壓力值pzl時(shí)，應(yīng)考慮加固層對(duì)應(yīng)力的收斂作用，否則會(huì)夸大非加固層的變形。這里可采用按照應(yīng)力擴(kuò)散法計(jì)算pzl。

樁體壓縮模量取100fcu，經(jīng)計(jì)算s1為10.80mm。

3.4.2.2 計(jì)算樁端下未加固土層的壓縮變形

攪拌樁樁端下未加固土層的壓縮變形s2按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中的公式進(jìn)行計(jì)算，即：

式中：φs—沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按規(guī)范采用；Esi—攪拌樁樁端下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1—樁端至第i層土、第i-1層土底面的距離，m；αi、αi-1—樁端至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，按規(guī)范采用。

經(jīng)過計(jì)算未加固土層的最終沉降量s2為42mm。

地基經(jīng)過處理后的最終沉降量為s1+s2，為52.80mm，計(jì)算結(jié)果滿足建筑物沉降量的要求，說明選擇的樁長(zhǎng)和樁的布置是安全的。

4 復(fù)合地基荷載試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)水泥土攪拌樁檢測(cè)報(bào)告，通過復(fù)合地基荷載試驗(yàn)，確定處理后的復(fù)合地基承載力≥234kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 經(jīng)驗(yàn)

在采用水泥土攪拌樁處理地基時(shí)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于合理選擇水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而確定攪拌樁的有效樁長(zhǎng)，這兩點(diǎn)關(guān)系到水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。

對(duì)于小型建筑物的水泥土攪拌樁處理，可根據(jù)以往的類似地基土層的性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較合理地確定水泥土的抗壓強(qiáng)度，而對(duì)于重要或者地基處理投資較大的建筑物，在設(shè)計(jì)前，應(yīng)進(jìn)行處理地基土的室內(nèi)配比試驗(yàn)，以便更加合理地確定水泥土的強(qiáng)度參數(shù)，從而確保地基處理的安全和經(jīng)濟(jì)合理。