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摘要水泥搅拌桩复合地基是一种新型的地基处理技术，主要处理饱和软粘土地基。结合工程实例，通过对水泥搅拌桩的加固原理及其设计计算、构造措施、施工工艺、质量检验等环节的论述，证明了水泥搅拌桩具有施工工艺简单，加固效果显著等优点，值得推广应用。
关键词水泥搅拌桩；复合地基；设计计算；构造措施；施工工艺；质量检验
中图分类号：TU471.8文献标识码：A文章编号：
Abstract: Cement mixing composite foundation is a new ground-based processing techniques, dealing mainly with the saturated soft clay foundation. Combining with a conctrete example, cope with the cement mixing pile reinforcement principle and design calculations, structural measures, the construction process, quality inspection and other aspects to prove the advantages of the cement mixing pile construction process is simple, the reinforcement effect significant and should be widely applied.
Key Words: cement mixing pile; composite foundation; design calculations; structural measures; construction technology; quality inspection
一、引言
水泥搅拌桩是在20世纪90年代初在我国迅速发展起来的一门新技术，是“深层”搅拌法的一种类型。它是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制拌和均匀，利用水泥和软土产生的一系列物理-化学反应，生成水泥土加固体。这些加固土柱体与柱体间的土构成了一种复合地基，从而有效地提高了地基承载力，降低地基的沉降量，使之成为优良的地基[1] [2]。由于它具有加固效果明显，且施工过程中无振动，无污染，对周围环境及建筑物无不良影响，经济廉价，施工简便等优点而广泛应用于房屋建筑的软土地基加固中。水泥搅拌桩主要适合于处理正常固结的淤泥与淤泥质土和含水量较高地基承载力标准值不大于120KPa的粘性土、粉土等软土地基以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。本文主要介绍水泥搅拌桩在大荔某农场办公楼工程中的应用。
二、工程概况
农场办公楼为四层砖混结构，抗震设防烈度为7°，东西长为45.84m，宽为13.62 m，占地面积624.34㎡，地处黄河中下游右岸冲积平原腹地，场地平坦、开阔，原为农田。场地地下水主要为孔隙潜水，其水位埋深0.5～1.0m，对混凝土无侵蚀性。各地层岩性由上至下分别为：
①层地基土是工程性能差的人工填土，厚度仅0.5～1.5m，基坑开挖时应全部挖除。
②层黄土，棕黄色，稍湿（=18.0％），硬塑状（L =0.24），压缩模量s1-2= 7.62Mpa，湿陷性轻微，承载力略高，层厚4.20～4.90m，地基土的承载力特征值fak=140kPa;厚度较小，强度不能满足设计要求，工程性能一般，不能作为天然地基，应加固处理。
③层饱和黄土，褐黄色，饱和(=95%)，流塑状（L =1.09），压缩模量s1-2=7.83Mpa，地基土的承载力特征值fak=90kPa；层厚6.30～7.90m，承载力极低，工程性能极差，做为下卧层应对其强度进行验算。
④层粉土，灰黄色，湿(=21.7%)，密实 (＝0.637)，压缩模量s1-2= 9.18Mpa，地基土的承载力特征值fak=170kPa承载力略高，工程性能一般，可作持力层。
根据以上地质钻探资料，1至3层土结构松软，其强度及变形性能均不能满足建筑物对天然地基的要求，需对这些软土地基进行加固处理。由于工程工期紧，结合当地的施工技术水平，经技术经济综合分析比较，最后选定采用水泥搅拌桩对上述软土地基进行加固处理。
三、设计计算
水泥搅拌桩复合地基是由桩身、桩间土和褥垫层共同组成。水泥搅拌桩设计计算主要确定水泥掺入量、桩径、桩长、加固范围、褥垫层、桩土置换率以及桩的布置形式等内容[3]。
1.水泥掺入量。通过水泥土的室内配比试验，水泥搅拌桩固化剂采用强度等级为C20及以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为拟加固土体重量的15℅，即每延长米搅拌桩使用50Kg水泥，水灰比0.45～0.55，桩身强度能满足设计要求。
2.桩径。根据《建筑地基处理技术规范》[4]JGJ79-2002(以下简称《规范》)以及成桩施工机械等因素确定，工程水泥搅拌桩直径采用500mm。
3.桩长。根据《规范》，水泥搅拌桩的长度宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。由以上地质钻探资料可知，工程水泥搅拌桩有效桩长不小于12m，桩体必须进入第4层粉土层，不得少于0.5 m。
4.加固范围。根据《规范》，水泥搅拌桩可只在基础平面范围内布桩。工程基础采用钢筋混凝土条形基础，水泥搅拌桩在条形基础宽度范围內布桩。
5.褥垫层。根据《规范》，水泥搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度取300mm，其材料选用中粗砂。
6.桩土置换率。
（1）首先要确定单桩竖向承载力特征值Ra。根据《规范》，单桩竖向承载力特征值Ra必须同时满足第(11.2.4-1)及(11.2.4-2)式的要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于(或等于)由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力：
(1)
得 ；
按桩身强度计算单桩竖向承载力标准值公式为:
(2)
取单桩竖向承载力特征值。
（2）确定桩土置换率。工程要求水泥搅拌桩复合地基承载力特征值，根据《规范》第(9.2.5)式，确定桩土置换率m。复合地基承载力计算公式表达如下：
(3)
根据规范，当桩端为硬土时，β取0.1～0.4，β取0.4。
.
7.确定桩的布置形式。根据《规范》，本工程水泥搅拌桩采用等边三角形布桩。经计算，取桩间距S=0.8m。
8.下卧层地基强度验算
本工程可不做下卧层地基强度验算。
9.沉降计算
本工程可不做沉降计算。
四、构造措施
1、设置垫层
《规范》中对水泥搅拌桩复合地基没有明确规定要设置垫层，实际工程中也很少铺设垫层。但研究表明，垫层不仅能保证桩土共同承担荷载，还可以改善复合地基承载力性状。合理厚度的垫层，能调整桩土应力比，减小基础底面应力集中，保证桩土变形协调。对上部结构传来的水平荷载，通过垫层的调整作用，使其主要由桩间土来承担。有关文献[5]研究了垫层的厚度、粒径对复合地基性质的影响，得到如下结论：垫层厚度越薄，桩土应力比约大；粗粒径垫层易于发挥桩体强度，而级配良好的垫层，更易于发挥桩土两者的强度。对于水泥土复合地基，基础下设置一定厚垫层，还可以提高桩的承载力。基础下设垫层后，桩间土分担的荷载大大增加，使桩间土垂直附加应力σZ增加，桩间土水平附加应力σX 亦随着增加，其值如下：
(4)
式中：μ为土的泊松比。
随着桩间土水平附加应力的增加，桩间土对桩侧的正压力也增加，提高了桩的侧摩阻力。σX的作用，相当于三轴试验中的围压σ3，因此，随着σX的增加，可提高桩体抗压强度，尤其可增强桩顶部抵抗受压破坏的能力。
本工程设计时，采用灰土为垫层。厚度为300mm。因为垫层对桩承载力和桩间土利用率的提高还无法定量计算，所以单桩竖向承载力R和桩间土利用率β仍按常规设计取值。
2、加强整体刚度
（1）在±0.000处内外墙均设置基础圈梁。
（2）采用现浇楼板，房屋四角及楼梯间处设置构造柱与各楼层圈梁相互拉结。
五、施工工艺
1.施工准备
（1）做好场地平整，清除杂草树根，场地排水，场地低洼处应回填粘土，不得回填杂土。（2）做好水泥搅拌桩的施工技术准备工作，其主要内容是按照强度要求进行桩体混合料的室内配合比试验和现场的工艺性成桩试验。（3）现场成桩试验数量不得少于2根，它对指导后期施工非常重要，其目的是为了检验水泥搅拌桩的施工工艺﹑机械设备性能及质量控制关键环节，核对地质资料，根据发现的问题，修订施工工艺。
2.工艺流程
水泥搅拌桩的施工，采用二喷四搅工艺进行。其施工工艺流程为：桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→反循环提钻并喷水泥浆→至工作基准面以下0.3m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→成桩结束→施工下一根桩。
六、质量检验
水泥搅拌桩的质量控制应贯穿在施工的全过程，并应坚持全程的施工监理。施工过程中必须随时检查施工记录和计量记录，并对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定，以判断施工质量是否符合设计要求。1.桩身强度和搅拌的均匀性。成桩后3d内，可用轻型动力触探(N10)检查每米桩身的均匀性。检验数量为施工总桩数的1℅，且不少于3根。成桩7d后，采用浅部开挖桩头(深度宜超过停浆面下0.5m)，目测检查搅拌的均匀性，量測成桩直径。检查量为总桩数的5℅。2.复合地基静载荷试验。在28d龄期后，每一水泥搅拌桩加固区复合地基载荷试验检验数量为桩总数的0.5℅～1℅，且每项单体工程不应少于3点。经复合地基静载荷试验，水泥搅拌桩复合地基承载力不小于150KPa，满足设计要求。
七、结束语
水泥搅拌桩复合地基承载力很大程度上取决于桩身质量。因此,对施工机具、成桩工艺、质量检验等都提出较高的要求,应严格执行有关规范及规程,确保工程质量安全可靠。工程实践表明,采用水泥搅拌桩处理后的软弱地基承载力有较大增加,工后沉降小,这对于沉降要求比较高的软土地基处理是十分有效的,所以利用深层搅拌加固软土是一种值得推广的方法。
参考文献
[1]曾国熙,卢肇钧,蒋国澄,等.地基处理手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
[2]龚晓南.地基处理新技术[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.
[3]周文盛.浅谈水泥搅拌桩的设计计算[J].山西建筑，2008
关键词水泥搅拌桩；复合地基；设计计算；构造措施；施工工艺；质量检验
中图分类号：TU471.8文献标识码：A文章编号：
Abstract: Cement mixing composite foundation is a new ground-based processing techniques, dealing mainly with the saturated soft clay foundation. Combining with a conctrete example, cope with the cement mixing pile reinforcement principle and design calculations, structural measures, the construction process, quality inspection and other aspects to prove the advantages of the cement mixing pile construction process is simple, the reinforcement effect significant and should be widely applied.
Key Words: cement mixing pile; composite foundation; design calculations; structural measures; construction technology; quality inspection
一、引言
水泥搅拌桩是在20世纪90年代初在我国迅速发展起来的一门新技术，是“深层”搅拌法的一种类型。它是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制拌和均匀，利用水泥和软土产生的一系列物理-化学反应，生成水泥土加固体。这些加固土柱体与柱体间的土构成了一种复合地基，从而有效地提高了地基承载力，降低地基的沉降量，使之成为优良的地基[1] [2]。由于它具有加固效果明显，且施工过程中无振动，无污染，对周围环境及建筑物无不良影响，经济廉价，施工简便等优点而广泛应用于房屋建筑的软土地基加固中。水泥搅拌桩主要适合于处理正常固结的淤泥与淤泥质土和含水量较高地基承载力标准值不大于120KPa的粘性土、粉土等软土地基以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。本文主要介绍水泥搅拌桩在大荔某农场办公楼工程中的应用。
二、工程概况
农场办公楼为四层砖混结构，抗震设防烈度为7°，东西长为45.84m，宽为13.62 m，占地面积624.34㎡，地处黄河中下游右岸冲积平原腹地，场地平坦、开阔，原为农田。场地地下水主要为孔隙潜水，其水位埋深0.5～1.0m，对混凝土无侵蚀性。各地层岩性由上至下分别为：
①层地基土是工程性能差的人工填土，厚度仅0.5～1.5m，基坑开挖时应全部挖除。
②层黄土，棕黄色，稍湿（=18.0％），硬塑状（L =0.24），压缩模量s1-2= 7.62Mpa，湿陷性轻微，承载力略高，层厚4.20～4.90m，地基土的承载力特征值fak=140kPa;厚度较小，强度不能满足设计要求，工程性能一般，不能作为天然地基，应加固处理。
③层饱和黄土，褐黄色，饱和(=95%)，流塑状（L =1.09），压缩模量s1-2=7.83Mpa，地基土的承载力特征值fak=90kPa；层厚6.30～7.90m，承载力极低，工程性能极差，做为下卧层应对其强度进行验算。
④层粉土，灰黄色，湿(=21.7%)，密实 (＝0.637)，压缩模量s1-2= 9.18Mpa，地基土的承载力特征值fak=170kPa承载力略高，工程性能一般，可作持力层。
根据以上地质钻探资料，1至3层土结构松软，其强度及变形性能均不能满足建筑物对天然地基的要求，需对这些软土地基进行加固处理。由于工程工期紧，结合当地的施工技术水平，经技术经济综合分析比较，最后选定采用水泥搅拌桩对上述软土地基进行加固处理。
三、设计计算
水泥搅拌桩复合地基是由桩身、桩间土和褥垫层共同组成。水泥搅拌桩设计计算主要确定水泥掺入量、桩径、桩长、加固范围、褥垫层、桩土置换率以及桩的布置形式等内容[3]。
1.水泥掺入量。通过水泥土的室内配比试验，水泥搅拌桩固化剂采用强度等级为C20及以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为拟加固土体重量的15℅，即每延长米搅拌桩使用50Kg水泥，水灰比0.45～0.55，桩身强度能满足设计要求。
2.桩径。根据《建筑地基处理技术规范》[4]JGJ79-2002(以下简称《规范》)以及成桩施工机械等因素确定，工程水泥搅拌桩直径采用500mm。
3.桩长。根据《规范》，水泥搅拌桩的长度宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。由以上地质钻探资料可知，工程水泥搅拌桩有效桩长不小于12m，桩体必须进入第4层粉土层，不得少于0.5 m。
4.加固范围。根据《规范》，水泥搅拌桩可只在基础平面范围内布桩。工程基础采用钢筋混凝土条形基础，水泥搅拌桩在条形基础宽度范围內布桩。
5.褥垫层。根据《规范》，水泥搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度取300mm，其材料选用中粗砂。
6.桩土置换率。
（1）首先要确定单桩竖向承载力特征值Ra。根据《规范》，单桩竖向承载力特征值Ra必须同时满足第(11.2.4-1)及(11.2.4-2)式的要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于(或等于)由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力：
(1)
得 ；
按桩身强度计算单桩竖向承载力标准值公式为:
(2)
取单桩竖向承载力特征值。
（2）确定桩土置换率。工程要求水泥搅拌桩复合地基承载力特征值，根据《规范》第(9.2.5)式，确定桩土置换率m。复合地基承载力计算公式表达如下：
(3)
根据规范，当桩端为硬土时，β取0.1～0.4，β取0.4。
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7.确定桩的布置形式。根据《规范》，本工程水泥搅拌桩采用等边三角形布桩。经计算，取桩间距S=0.8m。
8.下卧层地基强度验算
本工程可不做下卧层地基强度验算。
9.沉降计算
本工程可不做沉降计算。
四、构造措施
1、设置垫层
《规范》中对水泥搅拌桩复合地基没有明确规定要设置垫层，实际工程中也很少铺设垫层。但研究表明，垫层不仅能保证桩土共同承担荷载，还可以改善复合地基承载力性状。合理厚度的垫层，能调整桩土应力比，减小基础底面应力集中，保证桩土变形协调。对上部结构传来的水平荷载，通过垫层的调整作用，使其主要由桩间土来承担。有关文献[5]研究了垫层的厚度、粒径对复合地基性质的影响，得到如下结论：垫层厚度越薄，桩土应力比约大；粗粒径垫层易于发挥桩体强度，而级配良好的垫层，更易于发挥桩土两者的强度。对于水泥土复合地基，基础下设置一定厚垫层，还可以提高桩的承载力。基础下设垫层后，桩间土分担的荷载大大增加，使桩间土垂直附加应力σZ增加，桩间土水平附加应力σX 亦随着增加，其值如下：
(4)
式中：μ为土的泊松比。
随着桩间土水平附加应力的增加，桩间土对桩侧的正压力也增加，提高了桩的侧摩阻力。σX的作用，相当于三轴试验中的围压σ3，因此，随着σX的增加，可提高桩体抗压强度，尤其可增强桩顶部抵抗受压破坏的能力。
本工程设计时，采用灰土为垫层。厚度为300mm。因为垫层对桩承载力和桩间土利用率的提高还无法定量计算，所以单桩竖向承载力R和桩间土利用率β仍按常规设计取值。
2、加强整体刚度
（1）在±0.000处内外墙均设置基础圈梁。
（2）采用现浇楼板，房屋四角及楼梯间处设置构造柱与各楼层圈梁相互拉结。
五、施工工艺
1.施工准备
（1）做好场地平整，清除杂草树根，场地排水，场地低洼处应回填粘土，不得回填杂土。（2）做好水泥搅拌桩的施工技术准备工作，其主要内容是按照强度要求进行桩体混合料的室内配合比试验和现场的工艺性成桩试验。（3）现场成桩试验数量不得少于2根，它对指导后期施工非常重要，其目的是为了检验水泥搅拌桩的施工工艺﹑机械设备性能及质量控制关键环节，核对地质资料，根据发现的问题，修订施工工艺。
2.工艺流程
水泥搅拌桩的施工，采用二喷四搅工艺进行。其施工工艺流程为：桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→反循环提钻并喷水泥浆→至工作基准面以下0.3m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→成桩结束→施工下一根桩。
六、质量检验
水泥搅拌桩的质量控制应贯穿在施工的全过程，并应坚持全程的施工监理。施工过程中必须随时检查施工记录和计量记录，并对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定，以判断施工质量是否符合设计要求。1.桩身强度和搅拌的均匀性。成桩后3d内，可用轻型动力触探(N10)检查每米桩身的均匀性。检验数量为施工总桩数的1℅，且不少于3根。成桩7d后，采用浅部开挖桩头(深度宜超过停浆面下0.5m)，目测检查搅拌的均匀性，量測成桩直径。检查量为总桩数的5℅。2.复合地基静载荷试验。在28d龄期后，每一水泥搅拌桩加固区复合地基载荷试验检验数量为桩总数的0.5℅～1℅，且每项单体工程不应少于3点。经复合地基静载荷试验，水泥搅拌桩复合地基承载力不小于150KPa，满足设计要求。
七、结束语
水泥搅拌桩复合地基承载力很大程度上取决于桩身质量。因此,对施工机具、成桩工艺、质量检验等都提出较高的要求,应严格执行有关规范及规程,确保工程质量安全可靠。工程实践表明,采用水泥搅拌桩处理后的软弱地基承载力有较大增加,工后沉降小,这对于沉降要求比较高的软土地基处理是十分有效的,所以利用深层搅拌加固软土是一种值得推广的方法。
参考文献
[1]曾国熙,卢肇钧,蒋国澄,等.地基处理手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
[2]龚晓南.地基处理新技术[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.
[3]周文盛.浅谈水泥搅拌桩的设计计算[J].山西建筑，2008