水泥土搅拌桩复合地基在软土地基处理中的应用研究

摘要：依托工程实例，通过水泥土搅拌桩的现场试验及理论分析研究；采用经验公式和现场试验相结合的方法；探讨了对水泥土无侧限抗压强度的合理取值；对搅拌桩设计的两种方法进行了比较。

关键词：搅拌桩、复合地基、承载力

Abstract: based on engineering example, through the water of the soil cement milling pile field test and theoretical analysis research; The experience formula and the method of combining the field test; Discusses the soil water without lateral restraint to the compressive strength of reasonable value; Mixing pile design of the two methods were compared.

Keywords: mixing pile composite foundation bearing capacity, and

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1.0前言

水泥土搅拌桩法在国内外应用比较普遍。该方法是美国在第二次世界大战后研制成功的。1953年日本引进该方法,1974年研制成水泥搅拌固化法,我国于1978年对这种方法进行研究,1980年在上海宝山钢铁总厂利用水泥土搅拌桩处理软土地基取得了成功,并通过了技术鉴定。国外使用水泥土搅拌法加固的土质有新吹填的超软土、泥灰土和淤泥土等饱和软土,加固深度达到60 m。国内目前采用搅拌法加固的土质有淤泥、淤泥质土和含水量较高的粘土、粉土、粉质粘土、砂质粘土等软弱土层地基[1]。

2.0加固机理

水泥土桩复合地基是指用水泥(或石灰)等材料作为固化剂,通过特制的搅拌机械,在地基深处就地将软弱土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,形成抗压强度比天然地基高得多,并具有整体性、水稳性的桩柱体,由若干根这类桩体和桩间土构成复合地基。水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种[2]。

水泥搅拌桩复合地基受荷载p=Q/A时，桩基桩间土一起发挥作用，共同承担荷载，即由桩体承受一部分荷载Fp，桩间地基土体受其余荷载Fs，桩体 受到的应力为δp=Fp/Ap，地基土体受到的应力为δs=Fs/As。

Q=Fp+Fs

A=Ap+As

A为复合地基处理面积；Ap，As分别为桩及桩间地基土的横截面积，复合地基面积置换率m= Ap/A。

因此复合地基受力既不同于普通的混凝土刚性桩基础，荷载主要由桩体承担，可以忽略桩间土的作用；但又不同于散体桩，桩与地基土在荷载作用下的位移基本是协调一致的，荷载可以直接按照面积置换率的大小分配到桩体与桩间地基土上。而水泥搅拌桩是一种介于二者之间的半刚性桩，具有比地基土较大的刚度和压缩模量，复合地基受荷载作用时，水泥土桩体上产生较明显的应力集中现象，即δp>δs，致使桩土出现相对位移，产生桩侧摩阻力，因此，复合地基的承载力不仅与单桩竖向承载力、桩间土承载力、搅拌桩面积置换率有关，也与桩端土的承载力、桩土压缩模量比、甚至桩长等因素有关。

3.0工程实例

3.1场地地质条件

本工程试验场地选择在广东省茂名市茂湛铁路一标段进行,根据现场钻探资料,试验场地的地质情况如下:

① 素填土(Q4ml)：灰褐;稍密;稍湿;以粘性土为主，含少量细砂、碎石，为既有茂名车站填筑所用，厚度1.0～1.1m，基本承载力120kPa；

②粉质黏土(Q4al)：黄色,灰歇色;软塑;主要由黏性土组成，含少量细砂粒，切面较光滑。埋深1.2m，层厚1.7～8.9m，基本承载力80～100kPa；

③ 变质泥质砂岩(ε)：全风化，棕红;原岩结构基本破坏，岩芯呈散状，局碎块，手瓣可碎，遇水易溶化，埋深3.1～10.2m，厚度不均，基本承载力大于200kPa。

地下水埋深1m，主要是第四系松散岩类孔隙水潜水，含水量小，透水性差。

3.2方案设计

此段路基为茂湛铁路正线，要求运行200km/h客车，路基填筑高度较低，为满足列车运行对基床强度的需要，对此处进行了处理。根据地质情况，选择采用水泥土搅拌桩处理，桩径0.5m，桩长4.5～10.2m，穿透素填土层和粉质粘土层，进入变质泥质砂岩硬土层至少0.5m。搅拌桩呈三角形分布,桩间距1.5m。根据《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》（铁建设函[2005]285号）规范对基床的要求，本工点要求处理后地基承载不小于180KPa；计算要求水泥土现场取样无侧限抗压强度不小于2.0MPa。

3.3复合地基承载力的确定

复合地基承载力的确定通常有两种方法，一种是通过经验公式估算承载力，再用现场实测无侧限抗压强度来验证；另一种方法是直接采用现场单桩或多种复合地基载荷试验确定。

3.3.1经验公式法

这种方法的思路是分别确定单桩竖向承载力 和桩间土的承载力 ，再结合搅拌桩的置换率ｍ，叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力 。桩体的承载力选桩身材料能够承受的抗力和桩周土提供的抗阻力两者中最小值。桩身材料的强度通过现场无侧限抗压强度试验确定。计算[3]如式(1)、（2）、（3）：

式中β为桩间土承载力折减系数； 为桩的周长； 为第i层土的桩侧摩擦力特征值和土层厚度； 桩端端阻力特征值； 为桩端天然地基土的承载力折减系数； 桩身强度折减系数； 搅拌桩桩身水泥土试块标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值。

3.3.2现场载荷试验

这种方法的思路是把桩体和桩间土体共同组成的复合土体作为一个整体来考虑，通过现场荷载试验方法直接确定复合地基的承载力。复合地基承载力基本值按以下规定确定：

1. 当荷载沉降Q-S曲线(见图2)上有明显的比列极限时，可取该比例极限荷载所对应的荷载（曲线a中直线段末段对应的荷载Qcr）；

2. 当极限荷载能确定时，而其值又小于对应比列极限值的1.5倍时，可取极限值载荷的一半（曲线a中Qu

3. 当压力―沉降曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定：取S/d=0.01所对应的荷载（d为荷载板的直径；曲线d中S1对应的载荷Q1，S1=0.006d）

现场对该段搅拌桩进行载荷试验，荷载沉降检测数据如表1所示；荷载―沉降曲线如图3所示。

表1 荷载―沉降曲线数据表

桩号

沉降（mm）

压力（kPa） 2# 7# 8# 11# 12# 14# 19# 20# 平均值

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00

45 1.56 2.07 2.02 1.77 1.93 1.94 2.00 1.87 1.90

90 3.23 3.95 4.31 4.03 4.24 3.98 4.27 3.96 4.00

135 4.89 5.58 7.30 6.51 7.10 6.38 6.70 6.32 6.35

180 6.80 7.62 11.03 9.48 10.24 9.57 9.98 9.35 9.26

225 8.86 10.05 15.6 12.83 13.71 13.11 13.6 12.93 12.59

270 11.81 13.54 20.7 16.39 17.73 17.23 17.76 17.34 16.56

315 15.44 18.52 26.34 20.43 22.4 21.93 22.27 22.35 21.21

360 20.06 24.32 33.25 24.97 27.71 27.74 27.38 28.58 26.75

S1=0.006d时的荷载（kPa） 225 225 160 185 180 184 182 185 191

根据图3载荷试验荷载―沉降关系曲线形式可以发现,曲线呈缓变形,没有明显的转折点，因此采用相对变形值确定复合地基承载力。由表1知S1=0.006d时，荷载值在160~225 kPa之间。试验点个数大于3个，极差值不超过平均值的30%，因此可取平均值为复合地基承载力，故复合地基承载力为190 kPa。

通过对载荷试验曲线的双曲线拟合可以发现单桩复合地基载荷试验Q-s曲线可以通过双曲线拟合方法得到很好的拟合效果。

3.3.3无侧限抗压强度

水泥土的立方体抗压强度fcu是水泥搅拌桩设计中的控制参数，直接关系到桩体的承载力大小，它与地基土的类别、水泥品种质量、水泥掺入数量和水泥土的养护龄期等有关。水泥含量和原状土的含水量是影响fcu的重要因素，一般水泥含量越高，fcu也越大且存在最低水泥含量；对于同一水泥掺入量的地基土，原状土的含水量w越大，则水泥土的抗压强度fcu越低。

现场桩孔取芯测试水泥土无侧限抗压强度汇总见表2。

表2 现场桩孔取芯测试水泥土无侧限抗压强度汇总表

桩号 检测桩长 取样深度（m） 水泥土抗压强度代表值（MPa） 备注

2# 5 3.0 2.4

7# 5 4.0 2.1

15# 5 3.0 2.3

16# 6.0 3.5 2.2

17# 6.0 3.0 2.3

18# 8.0 4.0 2.0

21# 5.0 3.0 2.2

22# 5.0 2.5 2.2

注：水泥的掺入量为55~80Kg/m，水泥掺入比为15.9~23.1。

由表2可知，现场实测的水泥土无侧限抗压强度值都大于2.0 MPa，这主要是因为水泥掺入比较高（20%左右）的原因，根据文章[4]的研究知此值在正常范围之内。

3.3.4两种方法的对比分析

使用经验公式计算时，取6m桩长，上层1m为素填土，下层5m为粉质粘土，桩深入硬土层不少于0.5m，代入(2)、(3)式知：由(2)式算的值较小，得 为260 kN；β取0.4，代入(1)式得使用经验方法计算的复合地基承载力为182kPa。而现场实测复合地基承载力值在160~225 kPa之间，平均值为191kPa之间，两侧之间相差不到5%，因此两种方法相互印证比较吻合。

4.结论

1. 设计过程中采用经验公式计算和现场实测相结合的方法是比较经济、可靠的。现场载荷试验验证采用经验公式计算方法确定复合地基的承载力是符合实际情况，设计也是比较安全的，经验计算方法关键是要把握各个参数的正确选择。

2.本工程中由于掺水泥量较大，桩体承载力较大，复合地基承载力主要受桩周土摩阻力和桩端土阻力的和控制。

3. 根据载荷试验Q-s曲线形式可以发现,曲线呈缓变形,变化趋势比较符合双曲线型，没有明显的转折点。

参考文献

[1]蔡来炳.福州地区水泥土搅拌桩复合地基承载特性的研究.建筑结构[J].2003.3

[2]王燕波.水泥土搅拌桩复合地基承载力的探讨.昆明冶金高等专科学校学报[J].2005.9

[3]建筑地基处理技术规范(JGJ-2002).中国建筑工业出版社.2002.

[4]地基处理手册（第二版）.中国建筑工业出版社.2000.8.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。