水泥攪拌樁在實際工程中的應用

陳依俤

引言：

水泥攪拌樁是指軟基處理的一種有效形式，是一種將水泥作為固化劑的主劑，利用攪拌樁機將水泥噴入土體并充分攪拌，使水泥與土發生一系列物理化學反應，使軟土硬結而提高地基強度。水泥攪拌樁適用于處理正常固結的淤泥、淤泥質土、素填土、黏性土（軟塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉細砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、飽和黃土；不適用于含大孤石或障礙物較多且不易清楚的雜填土、欠固結的淤泥和淤泥質土、硬塑及堅硬的黏性土、密實的砂類土，以及地下水滲流影響成樁質量的土層。水泥攪拌樁按主要使用的施工做法分為單軸、雙軸和三軸攪拌樁。

一、工程概況

浙江綠歐智能科技有限公司擬建的3#車間，占地152m（8m×19）×64m（16m×4），柱網為8m×16m地上兩層。一層層高10m，為鋼框架結構，地面活荷載為3t/m2；二層層高5.9m（檐口高度），為輕型屋面門式剛架結構，樓面活荷載為0.5t/m2。基本風壓為0.6KN/m2，地面粗糙度為A類；基本雪荷載為0.35KN/m2；抗震設防烈度為6度，場地土類別為Ⅳ類，調整后的地震動峰值加速度為0.0625g，地震動加速度反應譜特征周期為0.75s。

地下水位為1.0m，設計基礎埋深為d=1.20m。

（二）地基處理設計

2.2.1確定水泥攪拌樁復合地基承載力特征值fspk

⑴選擇水泥攪拌樁類型

工程樁采用三軸水泥攪拌樁φ650@450mm，樁截面面積Ap=0.8655m2，樁周長μp =4.0271m，樁長L=12.5m（樁頂標高為-1.600m），褥墊層厚度取300mm，布樁間距@1.10m×2.0m；水泥摻入量為20%，水灰比為0.45，樁身水泥土強度fcu=1.8Mpa。

地面樁采用單軸水泥攪拌樁φ500mm，樁截面面積Ap=0.1963m2，樁周長μp =1.57m，樁長L=6.0m（樁頂標高為-0.600m），褥墊層厚度取300mm，布樁間距@1.0m×1.0m；水泥摻入量為15%，水灰比為0.45，樁身水泥土強度fcu=1.6Mpa。

⑵確定單樁承載力特征值Ra

①按樁體材料所提供的單樁承載特征值：樁身強度折減系數η=0.25

工程樁：Ra=ηfcuAp = 0.25×1800×0.8655 = 389.5KN

地面樁：Ra=ηfcuAp = 0.25×1600×0.1963 = 78.5KN

②按樁端、樁側摩阻力計算單樁承載力Ra：樁端端阻力發揮系數αp=0.5

工程樁：Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 4.0271×（6×4+5×6.7+4.5×1.8）+0.5×40×0.8655 = 281.5 KN

地面樁：Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 1.57×（6×0.9+6×4.1+5×1）+0.5×55×0.1963 = 60.3 KN

綜合以上①、②，可確定單樁承載力特征值Ra取值如下：工程樁：Ra= 281.5KN，地面樁：Ra= 60.3KN。

⑶確定樁土面積置換率m

工程樁：m = Ap/s1s2 = 0.8655/（1.1×2.0）= 0.3934

地面樁：m = Ap/s1s2 = 0.1963/（1.0×1.0）= 0.1963

⑷確定水泥攪拌樁復合地基承載力特征值fspk

單樁承載力發揮系數λ=1.0，樁間土承載力發揮系數β=0.8

工程樁：fspk = λmRa/Ap+β（1-m）fsk = 1.0×0.3934×281.5/0.8655+0.8×（1-0.3934）×50 = 152Kpa 則設計計算取值為fspk = 150Kpa

地面樁：fspk = λmRa/Ap+β（1-m）fsk = 1.0×0.1963×60.3/0.1963+0.8×（1-0.1963）×50 = 92.4Kpa 則設計計算取值為fspk = 90Kpa

2.2.2計算地基承載力

⑴選擇柱下獨立基礎截面尺寸

基礎截面寬度b=3.0m，基礎截面長度l=5.2m，基礎截面面積A=15.6m2，基礎埋深d=1.2m，地下水位為1.0m。

⑵計算修正后的復合地基承載力特征值fsp

基礎埋深承載力修正系數ηd=1.0，基礎底面以上土的加權平均重度：

γm=（20×1.0+（20-10）×0.2）/1.2=18.33KN/m3

fsp = fspk+ηdγm（d-0.5）= 150+1.0×18.33×（1.2-0.5）= 162.8 Kpa

⑶地基承載力驗算

基礎自重和基礎上的土重：Gk =γmAd = 18.33×15.6×1.2 = 343.2KN

地面堆載產生的附加重量：Qk = 30×15.6 = 468KN

Wx=bl2/6=3.0×5.22/6 = 13.52m3 Wy=b2l/6=3.02×5.2/6 = 7.8m3

①Mxmax的標準組合：Mx=271KNm My=0 Vx=0 Vy=47KN N=1128KN

Pk =（Fk+Gk+Qk）/A =（1128+343.2+468）/15.6 = 124.3 Kpa

Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+271/13.52+0/7.8 = 144.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa

Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-271/13.52-0/7.8 = 104.3 Kpa>0

②Mymax的標準組合：Mx=0 My=3KNm Vx=15KN Vy=0 N=1128KN

Pk =（Fk+Gk+Qk）/A =（1128+343.2+468）/15.6 = 124.3 Kpa

Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+0/13.52+3/7.8 = 124.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa

Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-0/13.52-3/7.8 = 123.9 Kpa>0

③Nmax的標準組合：Mx=2KNm My=0 Vx=0 Vy=3KN N=1585KN

Pk =（Fk+Gk+Qk）/A =（1585+343.2+468）/15.6 = 153.6 Kpa

Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 153.6+2/13.52+0/7.8 = 153.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa

Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 153.6-2/13.52-0/7.8 = 153.5 Kpa>0

綜合以上①、②、③，可知：地基承載力驗算滿足要求（最不利組合為Nmax）。

⑷軟弱下臥層驗算

由于三軸水泥攪拌樁（工程樁）持力層為②2層淤泥，樁端以下不存在軟弱下臥層，故無需進行軟弱下臥層驗算。

⑸沉降計算

ζ= fspk/fak =150/50=3

Es=（3.0×4+2.47×6.7+1.68×1.8）/12.5=2.53 Mpa

則復核地基土層的壓縮模量：Esp=ζEs=3×2.53=7.59 Mpa，復核地基土層厚度為12.9m。

地基變形計算深度估算：zn = b（2.5-0.4lnb）= 3.0×（2.5-0.4×ln3.0）= 6.2m

查《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）表5.3.7可得：△z = 0.6m

準永久荷載組合時基礎底面處的附加壓力值：Po = 1186/3.0/5.2+30 = 106 Kpa

① 分層總和法計算出的地基變形量如下表：（l/b = 5.2/3.0 = 1.73）

②

③ ②驗算地基變形計算深度zn

△sn' / ∑△si' = △sn' / si' = 0.70/44.7 = 0.016 ≤ 0.025，滿足要求。

③沉降計算經驗計算系數ψs

Po = 106 Kpa<0.75fak = 0.75×150 = 112.5 Kpa

Es' = ∑Ai / ∑（Ai / Esi）= 0.80042/（0.78792/7.59+0.0125/7.59）= 7.59 Mpa

查《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）表5.3.5可得：ψs = 0.678

④地基最終變形量 s

s = ψs s' = ψs∑ p0（ziαi - zi-1αi-1）/ Esi = 0.678×44.7 = 30.3mm

三、經濟比較

⑴PHC預應力管樁+無梁板地面方案

工程樁采用PHC600-130-A，持力層為⑤2-1層 粉質黏土，單樁承載力特征值為1500KN，樁長約為55m，柱下為雙樁承臺（1.2m×3.3m×1.5m（厚度））；地面樁采用PHC500-125-A，持力層為④1層黏土，單樁承載力特征值為650KN，樁長約為40m，布樁間距為@4m×4m。

⑵水泥攪拌樁處理方案與PHC預應力管樁+無梁板地面方案進行經濟分析，具體如下表：

由上表可知，浙江綠歐智能科技有限公司擬建的3#車間基礎及地面處理總造價，水泥攪拌樁處理方案比PHC預應力管樁+無梁板地面方案每平方可節約：

（132519-75309）/（16×8）= 447 元/m2（按一層建筑面積計算）。

結語：

根據當地工程經驗，水泥攪拌樁對地基土的加固效果良好，沉降均勻，質量可靠穩定。由此可見，水泥攪拌樁是一種具有工程造價低、處理效果好、質量易控制、施工工藝受環境制約少的成熟地基處理技術，在軟土場地施工中有較高的推廣意義。

（作者單位：福建省機電建筑設計研究院）