刚性桩-水泥土搅拌桩在软土地基中的应用

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1、概述

    近年来，地基处理技术得到快速发展，地基处理技术的发展不仅反映在机械、材料、设计理论、施工工艺、现场监测技术以及地基处理新方法的不断更新和进步等方面，而且反映在多种地基处理方法的综合应用方面。
    鉴于竖向增强体复合地基中桩的承载能力和变形特性不同，地基处理的技术效果和适用范围均不相同，刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基结合柔性桩复合地基和刚性复合地基的特点，以充分发挥其各自的优势，大幅度提高地基承载力，减少地基沉降，从而取得良好的技术效果和经济效益。

2、复合地基设计思想

2.1 设计的基本思路

    采用由刚性桩、水泥土搅拌桩和桩间土组成的复合地基，主要从以下几个方面^[1]考虑：
    ⑴当竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部受到压缩发生相对于土的向下位移，桩周土在桩侧界面上形成向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递过程中不断克服摩阻力并通过它向土中扩散，因而桩身的轴力沿着深度逐渐减小，在桩端处与桩底反力相平衡；与此同时，桩端持力层在桩端压力作用下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩间土的相对位移又使摩阻力进一步发挥。随着桩顶荷载的逐渐增加，上述过程周而复始地进行，直到变形稳定为止。由于桩身压缩量的累积，上部桩身位移总是大于下部，因此上部摩阻力总是先于下部发挥，桩侧摩阻力达到极限后就保持不变，继续增加的荷载就完全由桩端持力层承受，当桩底荷载达到桩端持力层的极限承载力时，桩便发生急剧的、不停滞的下沉而破坏。因此，增强桩身上部桩侧土的结构强度，对提高桩的承载力、改善桩的变形特性具有现实意义。
    ⑵水泥土搅拌桩加固软土地基改善软土的固结特性。通常水泥土的压缩曲线表现出明显的超固结特性，可近似地认为水泥土桩体不存在固结现象，而只有弹性的桩身压缩。水泥土搅拌桩加固深厚软土地基一般不会贯穿整个软土层，由此形成的加固层和下卧层软土的固结特性仍可用双层地基一维固结理论来分析。从固结机理来看，加固层渗透性极低的水泥土搅拌桩（比原状土低3到4个数量级^[2]）设置减小下卧层软土的排水固结；同时加固层竖向附加应力向水泥土搅拌桩集中而使桩间土所受应力大大减小，孔隙压力也大为降低，因此在下卧层软土和加固层桩间土之间形成较大的孔隙压力差，加快下卧层软土的固结。
    ⑶水泥土搅拌桩改善天然软土的性质。流塑态软粘土拌入固化剂后形成的加固土呈坚硬状态。粘聚力和内摩擦角较原状土增加，其抗压、抗剪强度、变形模量等指标分别比天然软土提高数十倍至数百倍。当固化剂掺入比α_w>5%时，加固土无侧限抗压强度q_u可达500～4000kP_a，相应抗拉强度σ₁=(0.15～0.25)q_u，粘聚力c=(0.2～0.3)q_u，摩擦角Ф变化于20o～30o之间，变形模量E₅₀=(120～150)q_u。加固土强度随固化剂掺入比、水泥标号和加固土龄期的增加而提高。随着水泥掺量的增加抗渗系数由原状土的10^-7㎝/s下降为（10^-7～10^-11）㎝/s数量级。
    ⑷桩、土复合构成的地基形成了平面及竖向合适的刚度级配梯度和三维共同工作的应力状态，达到对天然地基承载力的有效补强，满足设计要求，减少地基的沉降。
    ⑸长刚性桩、短水泥土搅拌桩的布置，形成三层地基刚度，符合天然地基土层浅弱深强的规律以及地基应力传递特征，同时长刚性桩可以进入深层良好土层，减少复合地基的沉降。
    ⑹复合地基与上部结构通过褥垫层的柔性连接，在水平荷载作用下，有效地传递垂直荷载。
    ⑺复合地基与上部结构柔性连接的褥垫层调整复合地基的桩土荷载分配，发挥土体的承载能力特别是浅层土体的承载作用；垫层的作用归纳为：
    ①保证桩体和桩间土共同承担荷载，在上部荷载作用下，桩体一定程度“剌入”褥垫层中，充分发挥桩间土作用。在实测的复合地基桩体和桩间土时程曲线（给定荷载下）中，桩、土受力始终为一常数；
    ②调整桩、土荷载分担比，垫层越厚，桩间土承担的荷载越多；荷载水平越高，桩承担的荷载占总荷载的百分比越大。因此调整垫层厚度可调整桩土荷载分担比，反之根据桩土应力的要求来确定垫层的厚度；
    ③缓解基础底面的应力集中，桩顶对应的基础应力与桩间土对应的基础底面应力之比随垫层厚度的变化而变化；据研究：当垫层厚度大于10㎝时，桩对基础底面产生的应力集中已明显降低；当垫层厚度为30㎝时，n只有1.2左右；
    ④调整桩土水平荷载的分配，未设置褥垫层时，水平荷载主要由桩承担。随着褥垫层的设置和增厚，桩顶承受的水平荷载逐渐变小。当褥垫层厚度大到一定程度时，水平荷载主要由桩间土承担，桩体发生水平折断的可能性减小，桩在复合地基中失去工作能力的机会减小。
    ⑤褥垫层的设置，复合地基中桩体存在向上的剌入变形，阻止桩间土的变形。

2.2 复合地基承载力计算

    刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基承载力计算的思路：⑴由天然地基和刚性桩复合形成复合地基，视为一种新的等效天然地基，其承载力特征值为f_spk1。⑵将等效天然地基和水泥土搅拌桩复合形成复合地基，求得复合地基承载力即刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基承载力。
    具体推导如下^[3]：

    天然地基土的承载力特征值为f_ak。刚性桩的断面面积为A_pl，平均面积置换率为m₁，单桩承载力特征值为R_al，则刚性桩和天然地基形成的复合地基承载力特征值为

    式中：α₁为桩间土承载力提高系数，与土性和刚性桩成桩工艺及桩径、桩距等有关。对非挤土成桩工艺，α₁=1；β₁为桩间土承载力发挥系数，一般β₁≤1。

    水泥搅拌桩的断面面积为A_p2，平均面积置换率为m₂，单桩承载力特征值为R_a2。水泥土搅拌桩与承载力特征值为f_spk1的等效天然地基复合后的承载力，即

　　式中：f_spk为刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值；α₂为桩间土承载力提高系数，与土性和刚性桩成桩工艺及桩径、桩距有关。对非挤土成桩工艺，α₂=1；β₂为桩间土承载力发挥系数，一般β₂≤1。

2.3 复合地基的复合模量

    复合模量表征的是复合土体抵抗变形的能力。由于复合地基是由土和增强体（桩）组成，复合模量与土和桩的模量密切相关。确定刚性桩－水泥土搅拌桩复合地基复合模量的基本方法为：⑴按单一桩型复合地基复合模量确定方法求得天然地基和刚性桩所形成复合地基的复合模量，并将其视为一等效天然地基；⑵按单一桩型复合地基确定方法，求得等效天然地基和水泥土搅拌桩形成复合地基的复合模量即为刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基的复合模量。
    图1为刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基示意图，刚性桩桩长L₂，水泥土搅拌桩桩长L₁。范围为加固区A₁，（L₂－L₁）范围为加固区A₂。L₁以下为非加固区A₃，计算深度范围内共分五个土层，各层天然地基土压缩模量分别为E_s1，E_s2，E_s3，E_s4，E_s5，刚性桩和天然地基形成复合地基后的面积置换率为m₁，第1层土天然地基承载力特征值为f_ak，刚性桩加固后复合地基承载力特征值为f_spk1，模量提高系数ζ₁= f_spk1/f_ak，桩长为L₂的水泥土搅拌桩复合地基面积置换率为m₂（计算时不考虑刚性计的存在），复合地基承载力特征值为f_spk，则桩长L₂范围内模量提高系数为ζ₂=f_spk/ f_spk1。
    文献^[3]提出多桩型复合地基的复合模量计算方法；由此可推得刚性桩－水泥土搅拌桩的复合模量，加固区A₁模量提高系数为η=f_spk/f_ak。加固区A₂模量提高系数为ζ₁，非加固区A₃模量不变。

图1  刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基示意图

Fig.1 Nigid pile－deep mixing pile composite foundation

2.4 刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基检测

    桩身质量检测，可依照各类桩的检测方法分别进行检测，如刚性桩可采用低应变检测，水泥土搅拌桩可采用轻便触探或抽芯检测。
    对于一般的复合地基加固效果检测，《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)规定采用复合地基静载荷试验，单桩复合地基载荷试验的承压板可用圆形或方形，面积为一根桩承担的处理面积；多桩复合地基载荷试验的承压板可用方形或矩形，其尺寸按实际桩数所承担的处理面积确定。
    在确定刚性桩－水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值时，当Q～S曲线上有明显的比例极限时，而其值不小于对应比例界限的2倍，可取比例界限；当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半；当Q～S曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定；即取沉降比s/b或s/d等于0.006所对应的压力。

3、现场静载荷试验

3.1  PTC＋水泥土搅拌桩复合地基

    某教学楼工程，地基土物理力学指标如表1。工程采用PTC＋水泥土搅拌桩复合地基，PTC桩径Φ500，桩长37m，桩端进入⑨层砾石；水泥土搅拌桩桩径Φ500，桩长15m，桩端进入③层淤泥质粘土，1根PTC与4根水泥土搅拌桩组合成一个处理单元；现场静载试验Q～S曲线如图2。

表1   地层的物理力学指标

Table2  Physical and mechanical parameters of the soil

土层

层顶标高/m

f_k/kPa

q_s/kPa

q_p/ kPa

①粘土

 

65

11

 

②淤泥

1.00～1.50

50

5.5

 

③淤泥质粘土

21.50～27.80

80

11

 

④圆砾

28.60～29.30

220

30

1000

⑤淤泥质粘土

30.10～31.30

80

11

 

⑥粘土

20.90～34.50

140

20

450

⑦圆砾

26.85～35.50

220

30

1000

⑧淤泥质粘土

25.80～35.90

100

13

 

⑨砾石

≥31.40

300

45

1500

   (a)水泥土搅拌桩Q～S曲线    (b)PTC及复合地基Q～S曲线

       图2  静载试验曲线图

    Fig.2   Loading  test  curves

3.2　预制桩＋水泥土搅拌桩复合地基

    某地下水池工程，场地岩土主要工程特性指标如表2。地基采用水泥土搅拌桩复合地基，桩径Φ500，桩长16.0m，按1000×1000mm纵横双向均匀布置，设计单桩竖向承载力标准值不小于150kN，单桩复合地基承载力标准值不小于180kP_a；施工后抽检8根桩进行载荷试验，水泥土搅拌桩单桩或单桩复合地基承载力标准值均未达到设计要求。

表2  场地的岩土主要工程特性指标

Table 2  Physical and mechanical parameters of the soil

土名

f_k/kP_a

E_s/MPa

q_s/kPa

q_p/kP_a

①粘土

90

3.5

12

 

②淤泥

45

1.0

6

 

③粘土

④粘土混碎石

155

180

4.5

6.5

20

25

700

1100

    采用预制钢筋砼桩加固，桩身截面200×200㎜，砼强度C₃₀，主筋4ф16，箍筋φ6@200；桩长20m，分五段浇制，底段带桩靴。桩段间用焊接法接桩(或硫磺胶泥)；布桩采用每4根水泥土搅拌桩间插入1根预制桩，形成复合地基；在桩顶铺设一层厚为350mm的天然级配卵石垫层，改良地基中桩土荷载分配，充分发挥地基土的承载力。施工完毕后，选择4组复合地基进行静荷载试验；结果见图3，试验得到的复合地基承载力标准值均大于200kPa。

(a)水泥土搅拌桩Q～S曲线 (b)预制桩＋水泥土搅拌桩Q～S曲线

图3  复合地基静载试验曲线图

Fig.3   Loading test curves of the composite foundation

4 结束语

    ⑴ 刚性桩—水泥土搅拌桩所形成的复合地基可得到较高的复合地基承载力，改善地基的平面刚度组合与竖向刚度梯度，提高桩间土的参与作用，使复合地基承载力大幅度提高；减少复合地基的沉降量，具有较好的技术和经济效益；
    ⑵ 刚性桩—水泥土搅拌桩组成的复合地基，其承载力发挥与桩的类别、强度、长度、置换率、桩端土及桩间土的类别及强度有关；
    ⑶ 刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基静载荷检测时，其压板宜采用方形或矩形，尺寸按实际桩数所承担的处理面积确定