水泥土攪拌樁復合地基設計計算中的關鍵技術探討與應用

【摘要】論文以遼陽市某公共衛生服務中心辦公樓基礎設計為例，結合地區經驗，探討分析了水泥土攪拌樁復合地基設計過程中的關鍵性技術問題，對水泥土攪拌樁復合地基設計中關于施工工藝、樁尺寸，單樁及復合地基承載力計算、褥墊層設置等相關技術措施和參數的確定進行了詳細闡述，對相關類似工程具有一定的參考和借鑒意義。

【關鍵詞】地基處理；復合地基；水泥土攪拌樁

利用深層攪拌法加固軟土可以最大限度地利用了場地原土，其施工設備簡單，且施工時無噪音、無污染，對周圍環境影響小[1]。由于這些優點，水泥土攪拌法廣泛用于在當今的建筑地基處理工程中，例如南京某住宅區軟土地基采用此法進行地基處理，比灌注樁方案節省100多萬元，效益明顯[2]。然而，水泥土攪拌樁這種半剛半柔性地基，其成樁過程復雜、影響因素眾多，在其承載機理方面仍有一些問題尚未得到解決[3] [4] [5]。因此，復合地基承載力及單樁承載力尚應通過靜載荷試驗確定。本文以遼陽市某辦公樓的基礎設計為例，對水泥土攪拌樁復合地基的設計方法和計算參數選取進行了較深入的探討和分析。

一、工程概況及場地條件

該工程總建筑面積為4815.36平方米，地上七層，鋼筋混凝土框架結構，遼陽地區抗震設防烈度7（0.1g）度，設計地震為第一組，標準凍結深度為1.1m，基本風壓0.55kN/m2。筆者根據巖土勘察報告，綜合考慮結構荷載、各土層地基承載力以及工程造價情況及遼陽地區經驗，最終確定基礎形式采用鋼筋混凝土擴展基礎，并采用深層攪拌法對地基進行加固處理。

二、水泥土攪拌樁復合地基設計關鍵性技術探討和分析

1.施工工藝選擇

水泥土攪拌樁的施工工藝分為漿液攪拌法（濕法）和粉體攪拌（干法）兩種。施工工藝、水泥及其摻入量的選擇，除了考慮工程施工實際情況以外，還應注意地基土化學組成、含水量等問題。如果天然地基的含水量較小，不能保證水泥水化，所以一般情況下，當地基土含水量小于30%時，不宜采用粉體攪拌法。此外，施工過程中水泥攪拌樁中不可避免會存在原狀土塊和水泥團塊，這與強制攪拌的程度有關[6]。本工程天然地基含水量小于30%，各土層PH值都大于4，且塑性指數均小于25，同時綜合施工實際條件，選擇漿液攪拌法施工。

2.樁身設計

（1）水泥強度等級及摻入量確定

水泥強度等級直接影響水泥土強度等級，采用水泥作為固化劑時材料，其他條件相同時，在同一土層中水泥摻入比不同，水泥土強度不同，規范[1]要求一般水泥土增強體的水泥摻入量不小于12%。文獻[7]更近一步指出，攪拌樁水泥宜選用P42.5及以上等級的普通硅酸鹽水泥，對承受豎向或水平荷載的水泥土結構，其水泥摻量宜取加固濕土質量的15%～20%。本工程水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，每米樁長摻入量為50Kg。

（2）樁尺寸確定

在復合地基中，樁徑、樁長是影響地基承載力性能和沉降變形的非常重要的參數，與上部結構荷載、地質條件、各土層物理力學性質等諸多因素有關，豎向承載攪拌樁的長度應根據上部結構對承載力和變形的要求確定[7]，并應穿透軟弱土層到達地基承載力較高的土層，且尚應考慮擬加固土層中施工機具所能保證的加固深度。本工程樁徑取500mm，樁體作用在粘土4-3層頂部，樁長為7.5m。

3.承載力計算

（1）增強體單樁豎向承載力特征值計算

Ra=upqsi lpi+αp qp Ap

參數含義及取值說明：

up：樁的周長（m），本工程樁徑500mm， 取值1.57m；

qsi：樁周第i層土的側阻力特征值（kPa），取值見表-1；

lpi：樁長范圍內第i層土的厚度（m），取值見表-1；

αp：樁端天然土承載力折減系數，可取0.4～0.6，本工程結合地區經驗，按規范取值0.4；

qp：樁端阻力特征值（kPa），對于水泥土攪拌樁，取未經修正的樁端土地基承載力特征值，本工程取值180kPa；

Ap：樁截面面積（m2），樁徑500mm，取值0.20 m2。

代入數據：

Ra=upqsi lpi+αp qp Ap

=1.57×（15×6+12×1.5）+0.5×180

×0.20=184KN

（2）復合地基承載力特征值計算

fspk=λm+β（1-m）fsk

參數含義及取值說明：

λ：單樁承載力發揮系數，一般取值為1.0；

m：面積置換率，m=d2/de2，d為樁身平均直徑（m），de為一根樁等效圓直徑（m）；

Ra ：單樁豎向承載力特征值（kPa）；

β：樁間土承載力發揮系數，本工程設計時，根據規范取值0.8；

Ra ：單樁豎向承載力特征值（kN）；

fsk：處理后樁間土承載力特征值（kPa），可取天然地基承載力特征值，本工程取值140 kPa。

代入數據：

fspk=λm+β（1-m）fsk

200=1.0×m×+0.8×（1-m）×140

反解出m=0.11，實際取值m=0.12

4.水泥土攪拌樁布置

以DJj01號基礎為例，根據面積置換率m=0.12，估算所需攪拌樁面積：3.4m×3.4m×0.12=1.387m2，所需樁個數為：1.387÷0.2=6.9（根），布樁時考慮樁間距取8根。

5.褥墊層設置

設置褥墊層將有利于發揮樁間土的作用。文獻[8]指出，選擇墊層的厚度時，除了要綜合承載力和沉降兩方面因素外，還要考慮實際的地質條件。褥墊層寬度確定應考慮到上部荷載必須全部通過褥墊層傳給下部土層，否則墊層材料就會被側向擠出，導致褥墊層失效[10]。根據應力擴散的原則，褥墊層設置寬度取值為：

B' -B+2HtanΦ+C

式中，B' 為褥墊層設置寬度；B為基礎寬度；H為褥墊層厚度；Φ為應力擴散角，可取褥墊層材料的內摩擦角；C為考慮施工因素影響的附加寬度，本工程綜合考慮相關標準規范及地區經驗，并結合文獻[8]的研究成果，褥墊層厚度取200mm。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基處理技術規范（JGJ79-2012）[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]陳希哲.土力學地基基礎（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2011.1.

[3]黃永明.載體樁復合地基在黃山某高層建筑中的應用[J].中國房地產業.2015.9