1前言

 

　　自1983年铁道部引入水泥土搅拌桩施工技术以来，水泥土搅拌桩复合地基逐步在工民建的多层建筑和铁路软基处理中得到了越来越广泛的应用，其施工工艺亦越来越成熟。

 

　　河南省焦作市开发区，位于太行山山前冲洪平原地带，地下10m深度内普遍分布一套灰色、黄褐色粉土和粉质粘土互层的软弱地层。由于近年封山育林和市区地下水禁采，地下水位已有明显回升，上部地层进一步软化。该类土具有含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数大、承载力较低的特点，不作处理，一般是不能满足3～6层建筑地基承载力要求。目前，水泥土搅拌桩复合地基已被广泛应用于本区多层建筑的基础处理，并取得了较好的社会经济效益；但在使用中，由于建设开发单位为了自身经济利益需要提前交付工程，常将地基处理施工和检测时间强制压缩。于是出现了在水泥土凝结时间不足28d时即要求取得该试桩或工程桩的单桩、复合地基承载力的难题。为此，探讨水泥土搅拌桩复合地基承载力的影响因素和如何合理、快速地确定复合地基承载力的方法，有着十分现实的意义。

 

　　下面分别就水泥土搅拌桩的加固、受力原理和复合地基承载力影响因素结合工程实例进行探讨。

 

　　2水泥土搅拌桩加固原理和受力机理

 

　　2.1水泥土搅拌桩加固软土原理

 

　　水泥土搅拌桩是利用喷粉（浆）桩机在钻孔过程中，将水泥或水泥浆以气雾状或中压液体喷入被加固的软土地层中，经钻头叶片旋转，将加固料与地层强制拌合；加固料经水化、水解，与地层中相关成分发生一系列物理化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸三钙、水化铁酸钙和氢氧化钙以及水化硫铝酸钙等，使软土硬结，形成整体性强、水稳性好和具有一定强度的柱体，与原土体共同作用、承担上部荷载---即复合地基。

 

　　2.2水泥土搅拌桩复合地基受力机理

 

　　水泥土搅拌桩复合地基，通过褥垫层的扩散作用，使上部荷载分别由水泥土搅拌桩和桩间土按一定比例承担，经复合体四周摩擦力的扩散作用，向下传递，直至桩尖土层及其下部地层；开始时侧摩阻力增长比较快，端阻力则发挥作用较小；随着上部荷载的增大，复合土体压缩量和位移量逐渐增大，荷载沿复合土体向下传递。

 

　　3影响水泥土搅拌桩复合地基承载力的因素

 

　　影响水泥土搅拌桩复合地基承载力的因素可分自然因素与人为因素。

 

　　3.1自然因素

 

　　主要为地层物理性指标、地下水、PH值、温度和龄期等。

 

　　3.1.1地层物理性指标

 

　　（1）地层：桩间土层的承载力愈高，则复合地基承载力值愈高。

 

　　（2）物理性指标：地层的物理性指标将直接影响处理范围内的地层与水泥搅拌后形成的复合土体的强度，从而影响复合地基承载力。这包括土质成分、有机质含量和液塑限等。

 

　　①土质成分：当地层中含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等矿物时，软土加固效果较好，有助于承载力的提高；而对含有伊利石、氯化物和水铝石英等矿物的粘性土加固效果较差。

 

　　②有机质含量：当土层中有机质含量较高时会阻碍水泥土水化反应，影响水泥土的强度增长。

 

　　③液塑限：随软土的液限、塑限的增加，水泥土无侧限抗压强度fcu会降低，且两个指标差值越大，塑性指数Ip>25时，易形成泥团，加固效果较差。

 

　　3.1.2地下水

 

　　当地下水无明显流动，且不含或少含对水泥土有膨胀侵蚀等有害成分时有助于复合地基的承载力增长；否则，复合地基的承载力则明显下降。

 

　　3.1.3PH值

 

　　主要体现在对水泥土的侵蚀破坏方面。PH值较低的地基土加固效果差。

 

　　3.1.4温度

 

　　负温作用下，水泥土强度增长缓慢，甚至停止；正温后，则反应加强，强度逐渐增长。

 

　　3.1.5龄期

 

　　随龄期增长，水泥土强度亦有所增长。其他条件相同时，不同龄期的水泥土抗压强度间大致呈线性，经验式如下：fcu7/fcu28=0.47～0.63，fcu14/fcu28=0.62～0.80，fcu60/fcu28=1.15～1.46，fcu90/fcu28=1.43～1.80。由此可见，水泥土搅拌桩复合地基承载力是随着时间增长，并具有前期快、后期缓的特点。

 

　　3.2人为因素

 

　　人为因素主要有设计指标、材料、施工工艺、检测方法、施工和试验人员素质等。

 

　　3.2.1桩的设计指标

 

　　①桩长和分布在一定荷载下，桩身强度越大，灰土置换率越高，天然地基承载力越高，则所需桩长越短，反之，越长。桩的布置常有正三角形和正方形两种。在其他参数相同的情况下，前者的复合地基承载力比后者的高。

 

　　②计算参数通常，水泥掺入比αw=12%～20%，fcu=0.3～2.0MPa，且随着αw的增长，fcu也有所增长，桩侧、桩端等折减参数提高将会明显提高复合地基承载力。

 

　　③置换率增加置换率对提高水泥土搅拌桩复全地基承载力的效果较好。

 

　　3.2.2材料

 

　　主要是水泥标号、外加剂和掺入比等方面对复合地基的影响。

 

　　可见，提高水泥标号、掺入比和加入有益的外加剂均有助于提高水泥土的fcu，相应的承载力也将提高。

 

　　在实际工程中，当桩身长度较大时常采用变掺量设计，尤其是10m以内的1/3上部桩长范围，因其轴力较大，提高掺入比、水灰比会对上部桩身强度有增强作用，而在下部则相反，可适当降低。

 

　　3.2.3施工工艺

 

　　施工中的转速、提升速度、复搅、复喷长度和遍数等对复合土体均匀性和桩体的强度有直接影响，进而影响了复合地基的承载力。

 

　　3.2.4检测方法

 

　　检测方法：检测方法不同，则会得出承载力不同。如轻便触探N10或标准贯入试验与载荷试验的结论就常不一致，这需要积累区域性资料统计分析。

 

　　桩身取芯试验（28d）若因取芯操作不当、会导致芯样提前破损，会降低复合地基承载力评价值。

 

　　载荷试验中如采取的垫层的厚度和板径不同，试验结果也随之改变。如褥垫层适当增厚可使桩土应力比n下降，折减系数β增加；同时板径和板形影响也较为明显。如正三角形布桩的压板宜为圆形，矩形的为矩形，并视为复合地基的一个单元代表块。

 

　　3.2.5施工和试验人员素质施工和试验人员素质高，有助于复合地基承载力的提高

 

　　综上所述，设计参数一定时，水泥土搅拌桩上部3-5倍桩径内桩身质量好坏对复合地基承载力影响最大。各类自然因素和人为因素也是影响水泥土搅拌桩复合地基承载力的重要因素。

 

　　4水泥土搅拌桩复合地基承载力的确定方法

 

　　（1）规范法：目前工程设计中常采用《建筑地基处理技术规范》中推荐的计算公式（7.1.5-2）、式（7.1.5-3）和式（7.3.3）进行设计。

 

　　（2）静载荷试验：在桩体达到一定龄期后（通常取28d），据试验得到的压力-沉降曲线（Q-S），确定单桩承载力和复合地基承载力。对于深层搅拌桩复合地基，当桩径500mm，1m板，一般用相对变形值7mm所对应地基承载力。

 

　　（3）经验法：在新建工程设计中，调查原有建（构）筑物下的工程地质条件和曾采用的承载力，通过类比或参考相邻场地的工程地质条件和施工及设计参数，按其相近程度确定其单桩和复合地基承载力。

 

　　（4）原位测试成果推算法：根据原位测试成果如轻型触探和标准贯入试验等推算单桩承力，然后结合规范公式计算复合地基承载力。

 

　　（5）数值计算法：首先建立桩和土的复合体模型，通过有限元分析等方法，从理论上分析、推算单桩和复合地基承载力。

 

　　5实例

 

　　某厂二期工程技改项目除尘环保设施基础，设计采用水泥土搅拌桩，桩径为Φ500mm，以第④层粉质粘土为桩端持力层，桩入土深度10.0m，有效桩长7.0m，桩距1.0m，正方形布置，要求水灰比1.0，fcu达2.0MPa，单桩承载力130kN，复合地基承载力170kPa，地下水位2.7m左右。

 

　　按《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002计算单桩竖向承载力特征值Ra=142kN和130kN（取α=0.5，η=0.33）；取Ra=130kN，则搅拌桩复合地基的承载力特征值fspk=170kPa（取β=0.4）；理论上，该设计计算值较为合理。

 

　　由于该除尘设施能否及时建成运行，直接影响到整个二期机组的正常运转。为此，建设方对工期的要求非常迫切。在未进行试桩情况下，直接施工工程桩，且7d后即组织桩检单位进场检测。本次共采用三种手段：

 

　　（1）标准贯入试验，检测桩身上部3～5m左右的水泥土强度和均匀性，标贯值在18～30击之间，经统计，平均值21.5击，标准差约2.35，说明标贯值分布较均，水泥土的均匀性较好且水泥土的强度中等；

 

　　（2）取桩身上部水泥土芯的部分代表样进行无侧限抗压试验，fcu在0.85～1.25MPa之间，说明水泥土强度已达到设计值的50%左右；

 

　　（3）静载荷试验（5cm厚中砂垫层）测得单桩承载力Ra=70～76kN，复合地基承载力fspk=130～135kPa；

 

　　这说明7d后桩身水泥土强度已超过桩周土层的，但施工时形成的扰动孔隙水压力尚未消失完全，水泥土体强度稍有提高时，复合地基承载力有少量增长；另外，如果采用此时的Ra、按规范中公式计算，fspk≈110kPa，尚不及未处理的天然地基承载力，是不合理的。这正与水泥土搅拌桩复合地基承载力的增长过程一致。本工程中，水泥土强度增长的后期，明显有Δfspk随ΔRa增大而增大。按水泥土强度增长规律，在达到28d后，复合地基承载力应能达到设计值。考虑到距场地300m左右处已建成6.5层、砖混结构的综合办公楼，采用桩型及参数同上。经多方探讨，最终维持原设计方案。

 

　　本工程桩基完工后采用人工开挖基坑和清理土方，待基础施工完毕时正好接近1个月工期。如今，该工程已运转多年，经沉降观测，各指标均符合规范要求，说明后期复合体强度增长正常，复合地基承载力达到设计要求，且该过程在上部荷载加载之前已完成。

 

　　由以上实例，可以得出：在严把施工质量关的基础上和邻近场地已有成功先例时，水泥土搅拌桩复合地基龄期不足可进行桩检，并根据检测结果，结合其他统计资料，得出该区域提前检测的判别标准：①邻近场地已有成功先例且工程地质条件相近时，7d后检测水泥土强度不小于设计值50%的，静载荷试验测得Ra不小于设计值50%的，fspk不小于设计值75%时，可以认为桩检合格；②当15d后进行静载荷试验，测得Ra不小于设计值75%的，fspk不小于设计值85%时，可以认为桩检合格。

 

　　6结论

 

　　通过上述分析和实例，得出如下结论：

 

　　（1）焦作市开发区的多层建筑采用水泥土搅拌桩复合地基较为经济合理，且一般取桩径为500mm，桩长7～8m，桩间距为1.0m左右；

 

　　（2）设计参数一定时，水泥土搅拌桩上部3-5倍桩径内桩身质量好坏对复合地基承载力影响最大；自然因素如地层物理性指标、地下水、PH值、温度和龄期，人为因素如设计指标、材料、施工工艺、检测方法、施工和试验人员素质等也是影响水泥土搅拌桩复合地基承载力的重要因素；

 

　　（3）对焦作地区水泥土搅拌桩复合地基，当邻近场地已有成功先例且工程地质条件相近时，7d后检测水泥土强度不小于设计值50%的，静载荷试验测得Ra不小于设计值50%的，fspk不小于设计值75%时，可以认为桩检合格；当15d后进行静载荷试验，测得Ra不小于设计值75%的，fspk不小于设计值85%时，可以认为桩检合格。