水泥攪拌樁法加固混凝土水池下軟土層淺述

■申耀國，周繼超 ■鐵道第三勘察設計院機環處，天津 300251

1 基本概念

1.1 軟土地基的特性

軟土是指沿海的濱海相、三角洲相、湖泊相、沼澤相等主要由細粒土組成的土，廣泛分布于東部沿海地區，它具有孔隙率大、天然含水量高、壓縮性高、抗剪強度低等特點，是一種呈軟塑到流塑狀態的飽和粘性土［1］～［2］。基于這些特性，造成軟土地基承載力低、后期沉降量大且不均勻，沉降持續時間較長。

1.2 水泥攪拌樁的特性

水泥攪拌樁亦稱水泥土樁，通過與樁周土層和樁端土層的共同協調作用成為一種人工加固的復合地基。

水泥和軟土經攪拌后，首先發生水泥的水解水化反應，析出大量的Ca2+，能和具有一定活性的土粒進行:a.離子交換和團粒化反映;b.硬化反應;c.碳酸化反應等一系列變化、固化作用，將原來分散的土團粒凝聚成具有整體性、水穩性和一定強度的水泥土，協同周圍土基，將荷載傳遞到樁端土層上，從而提高地基的承載力。

1.3 水泥攪拌樁的受力變形性能及適用性

水泥攪拌樁為素樁，剛性較差，受力變形性能介于剛性樁和柔性樁(如砂樁、碎石樁等)之間，可認為是“半剛性樁”。

地基處理中，深度一般以3m 為界，小于3m 的一般挖除換填;當須處理的軟土深度(或厚度)大于3m 時，可考慮用此法。其適用處理的土層為淤泥、淤泥質土、軟塑狀粘性土、粉土和不含大塊塊石的素填土;含水量較高的粘性土，其承載力小于120kPa 或標貫擊數小于5 者、標貫擊數小于10 的砂性土等均適宜。一般認為:樁長超過10m 后，其再增長部分的效果已不理想，但也有文獻研究表明，水泥攪拌樁的作用樁長可至18～20m［3］［4］。

1.4 水泥攪拌樁的優點

(1)最大限度地利用了原地基土。

(2)施工時基本無振動、無噪音、無污染、無地面隆起，對相鄰建筑物和周圍地下管線不產生有害影響;

(3)可靈活采用柱狀布樁形式;

(4)比排水預壓法工期大為縮短。雖然水泥土的強度以90 天齡期為準，但其成樁后7 天強度可達設計強度的30～50%，28 天可達60～75%，可滿足一般工程的工期要求［5］。

2 設計

(1)水泥攪拌樁復合地基承載力標準值，應通過復合地基載荷試驗確定。也可按下式計算:

fcp，k:復合地基承載力標準值(KPa);fp，k:樁體的單位面積承載力標準值(KPa);fs，k:樁間天然地基土承載力標準值(KPa);fcu，k:水泥土無側限抗壓承載力標準強度(KPa);qp:樁端土層的承載力標準值(KPa);qsi:第i 層土的摩阻力標準值(KPa);Up:水泥土樁的周長(m);Ap:水泥土樁的截面積(m2);Ii:第i 層土的厚度(m);m:置換率(宜取0.15 -0.30);β:樁間天然地基土承載力折減系數，η:水泥土強度折減系數(宜取0.35～0.50)

(2)fp，k——可由上列的公式2 -2 和2 -3 分別算出，要求:

①由公式2 -2、2 -3 兩式算出的結果要接近、不要相差過大:

②由式2 -2 的結果宜略大于式2 -3 的結果;

③最后將兩式結果中的較小值代入式2 -1 計算。

之所以有上面三點要求，是綜合考慮水泥土樁與樁間土、樁端土有良好的協同作用。若式2 -2 算出的值過大，相當于強樁弱土，土發揮不了其應有的能力，這種情況可適當降低水泥摻入量來降低樁體的強度;若式2 -3 算出的結果過大，說明樁的長度過大或不必要穿透較硬的持力層。

實際設計中，當要求的復合地基承載力不大時，由式2 -2 算出的fp，k已滿足，當由式2 -3 算出值大于式2 -2 值，而又再不便于調整樁長等措施來降低fp，k值時，只要不是過大(50KPa 以內)，認為是可行的，選取較小值代入式2 -1 計算。

(3)fp-k——水泥土的無側限抗壓標準值。

○，1 水泥摻量。規范建議值7～15%，也有取7～18%，但實際設計中多取10～20%。

○，2 水泥標號一般要求用C425，若以C325 為標準，則用同量的C425 時，水泥土強度提高20～30%。強度相同時，C425 的摻量可較C325 減少2～3%，有條件時可摻入與水泥同量的粉煤灰，強度可增加10%左右。

表1 不同樁徑水泥用量表

③水膠比，一般采用0.5～0.6，由于水泥漿是用灰漿泵輸送，要較好的流動性。但軟土含水量較高，對成樁強度增長不利，為減少含水量又利于泵送，可考慮摻入部分減水劑:木質硫酸鈣(水泥量的0.2%)，三乙純銨(水泥量的0.05%)，也有摻l～2%石膏的，可起到早強作用，但有觀點認為石膏的硫酸根離子對水泥土有不利影響［6］。

④fcu，k的強度一般在1.0～2.0MPa 之問，以90 天齡期為準。

(4)β 值是反映樁和土共同作用的一個參數。當樁端土為軟土時:β=0.5～1.0;當樁端土為硬土時:β=0.1～0.4;當不考慮樁間土作用時:β=0。根據筆者的工作經驗，通常需加固的軟土層下多是承載力較高的土層，如中砂、粉土等，故取值0.5≤β ＜1.0 的情況較為普遍。

(5)算例:天津和諧型大功率機車檢修基地污水處理站回用水池，容積100m3，池頂覆土500mm，要求地基承載力不小于150kPa。

設計樁直徑D=0.5m，fcu，k取2MPa，η 取0.5，Ap=0.19635m2，Up=1.57m，樁距S 取1.2m，置換率m=0.1574(梅花形布置樁)

由公式2 -2 可得:fp，k=ηfcu，k=0.5 ×2=1MPa=1000kPa

樁長6m，就是處理10.78m，深入淤泥質粉土層2m。則有

圖1 地質柱狀圖

由式2 -3 可知:

將上式結果代入式2 -1，取β=0.8、m=0.15

則有:fcp，k=0.15 ×1000 +0.8(1 -0.15)× 120=231.6kPa ＞150kPa(滿足)

設計計算時，自變量較多，除樁土和樁周土強度是客觀存在外，其余參數均由設計者選定，故設計者必須根據工程經驗和現場情況，優化各參數，以達到經濟適用的目的。在設計中，調整置換率最方便，需提高承載力就適當加大樁徑或減少樁距。

設計時尚須注意:1.樁頂50cm 內因靠近頂面，成樁強度差，應人工挖除;2.樁頂與基礎底面之間應鋪一層30cm 左右的碎石或砂礫石作為“褥墊層”以防應力集中。

［1］中華人民共和國行業標準《建筑地基處理技術規范》(JGJ79 -2002)，中國建筑工業出版社，2002.

［2］中華人民共和國行業標準《建筑樁基技術規范》(JGJ 94 -2008)，中國建筑工業出版社，2008.

［3］鄭剛，王長祥，顧曉魯.軟土中超長水泥攪拌樁復合地基承載力研究［J］.巖土工程學報，2002(06).

［4］王樹棟，婁國充.水泥攪拌樁在天津沿海軟基加固中的應用［J］.鐵道建筑，2008(10).

［5］溫建興.水泥攪拌樁在某軟弱地基場地中的應用［J］.山西建筑，2011(33).

［6］趙宏華，韓選江.水泥攪拌樁復合地基加固性能研究［J］.建筑技術，2008(05).