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摘要：研究表明: 砼芯水泥土搅拌桩施工方便、单桩承载力高、沉降量小、造价低廉, 且施工对周围环境影响小, 在软土地基工程中具有广泛的应用价值。文中通过对砼心水泥土搅拌桩和水泥土搅拌桩复合地基承载力、复合地基沉降量和技术经济指标进行的对比分析, 得出砼心水泥土搅拌桩应用方案优于水泥土搅拌桩的结论。
关键词： 砼芯水泥土 搅拌桩 软土地基 应用
中图分类号：TU447 文献标识码：A 文章编号：
前言
砼心水泥搅拌桩桩身由水泥土搅拌桩和小直径预制混凝土心桩两部分构成,。它是在水泥土搅拌桩成桩之后, 混凝土初凝之前,用压桩机械将预制混凝土心桩压入水泥土体内,待水泥土凝固后, 混凝土心桩与水泥土搅拌桩共同工作, 承受上部荷载的一种新型桩。砼心水泥土搅拌桩以高弹模的混凝土预制桩作为受力核心, 以大面积的水泥土搅拌桩传递桩身应力，有机地结合了混凝土预制桩与水泥土搅拌桩的特点, 形成了一种中间强度高、四周强度低的合理桩身结构, 充分发挥了心桩与水泥土桩体的性能。
一、砼心水泥土搅拌桩的工作机理
水泥土搅拌桩是将水泥作为固化剂, 通过深层搅拌机械, 使水泥与软土发生物理化学反应, 硬结而形成具有水稳定、整体性和一定强度的桩基,施工方便、经济, 对软土有十分明显的加固效果。但其桩体强度低, 抗变形能力弱, 荷载不能有效传递到桩身下部, 当施加在桩顶的荷载增加时并不能使桩的轴力和变形向更深处传递, 而是使有效桩长范围内的桩身变形增大以抵抗外荷的增加,侧摩阻力的发挥也仅局限于有效桩长范围内。受有效桩长的限制, 水泥土搅拌桩对地基承载力提高有限, 通常难以满足高层建筑对承载力与变形的要求。而预制钢筋混凝土桩虽具有较高的桩身强度, 但在利用侧摩阻力为主的软土地区, 桩身强度不能充分发挥, 造成材料强度浪费, 使工程造价提高。
砼心水泥土搅拌桩受力机理是利用水泥土深层搅拌桩有较大的桩侧摩阻面积和水泥土对预制桩有很大的摩阻系数, 同时利用预制桩具有良好的受压特性, 两者复合受力, 形成的复合截面桩身强度大面积增加, 使得有效桩长增长, 调动了下部水泥土发挥作用, 桩侧端摩阻力增大, 整个桩身压缩变形大大减少, 沉降量减少。砼心水泥土搅拌桩综合了水泥土搅拌桩和混凝土预制桩的优点,实现了桩身强度和桩周( 端) 土承载力的良好匹配, 使荷载能够有效传递。
二、砼心水泥搅拌桩在宁常高速公路中的应用
某工程主要地貌单元为高亢平原和埋藏古湖沼, 软土埋藏浅, 厚度也较大, 最厚可达20~ 30 m, 土体的物理力学性质为: 黄灰色亚粘土和淤泥质粘土, 局部混粉砂, 部分为淤泥质亚粘土, 流塑, 高空隙比, 高压缩性, 天然含水量26% ~ 42%; 天然空隙比0. 651~ 1. 187; 饱和度75% ~ 98% ; 压缩模量3. 0~ 9. 4 MPa, 地基容许承载力80~ 280 kPa。
1 设计方案
某工程地基主要为淤泥质软土, 埋深7 m 左右, 层厚15m 左右, 平均压缩模量3 MPa, 天然地基承载力特征值80 kPa。设计填土高度5. 7 m, 地基承载力特征值为140 kPa。按分层总和法估算该未经处理软土层的累计沉降达1. 07 m 左右。为使处理后的地基承载力满足设计要求, 并能有效控制沉降, 采取砼心水泥搅拌桩进行处理。
根据地质资料, 设计水泥土搅拌桩桩径500mm, 桩深至2 ~ 3 层底, 桩长分别为19. 5 m 和23. 5 m 两种, 水泥掺量14% , 水灰比( 质量比)0. 6。心桩采用预制方桩, 混凝土强度等级C30。理想状态下当桩身强度和桩周土阻力同时达到极限时, 求得最优心桩边长为188 mm, 最优心桩长度13. 2 m。取心桩截面200 mmX 200 mm, 心桩长13 m。按砼心桩复合地基沉降计算: 沉降系数m s=1. 2, 砼心桩复合地基得总沉降量为30. 9 cm。
2砼心桩复合地基沉降分析
为了检验砼心桩的应用效果, 选取湿喷桩处理方案与之进行比较。桩长23 m, 桩径500 mm, 桩间距1. 1 m。按照复合地基的计算方法, 算出此处湿喷桩复合地基的总沉降为40. 8 cm。按有限元分析。
结果反映: 2 种桩型沉降曲线趋势一致, 砼心桩为6. 4 cm, 湿喷桩为7. 8 cm; 路面沉降最小值发生在路肩, 砼心桩为5. 1 cm, 湿喷桩为6. 1 cm。路中央到路肩沉降曲线平稳过渡, 这种路面中央沉降最大, 路肩沉降最小的规律, 符合盆型沉降模式。在同样满足设计荷载的条件下, 砼心桩复合地基的沉降小于湿喷桩复合地基。
按理論公式计算和有限元计算的砼心桩、湿喷桩的沉降对比如表2。
3 砼心桩与湿喷桩复合地基的技术经济对比
试验段原设计方案是采用湿喷桩进行处理,设计桩长23. 5 m, 桩径500 mm, 经计算按梅花形布置桩的间距为1. 1 m, 在100 mX 60 m 范围内总布桩数约为5 880 根。后改为砼心水泥土搅拌桩处理方案, 搅拌桩桩长23. 5 m, 桩径500 mm,心桩桩长13 m, 截面200 mmX 200 mm, 经计算按梅花形布置桩间距为1. 7 m, 在100 mX 60 m范围内总布桩数约为2 244 根。
表3 为两种地基处理方案的经济技术对比表。
根据上述对比结果可知: 砼心水泥土搅拌桩地基处理方案在技术、经济两方面均优于水泥土搅拌桩。
三、砼心水泥土搅拌桩的设计要点
( 1) 砼心水泥土搅拌桩可作为复合地基的增强体, 用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。
( 2) 确定处理方案前应收集拟处理区域内详尽的工程勘察资料。尤其是填土层的厚度和组成; 软土层的分布情况, 地下水及pH 值; 土的含水量、塑性指数和有机质含量等。
( 3) 水泥土搅拌桩固化剂宜选用强度等级
32. 5 级以上的普通硅酸盐水泥或矿渣水泥, 水泥掺量宜取被加固湿土重量的12% ~ 18%, 水泥浆的水灰比( 质量比) 一般选用0. 5~ 0. 8。外加剂可根据工程需要选用。水泥土搅拌桩成桩后桩顶部分水泥土心样28 d 抗压强度不宜低于0. 5 MPa。
( 4) 砼心水泥土搅拌桩的设计主要是确定水泥土搅拌桩的置换率和长度、心桩的截面积和长度。水泥土搅拌桩宜穿过软土层达到承载力相对较高的土层, 桩径不宜小于心桩直径( 或边长) 加250 mm, 且不应小于500 mm。心桩直径( 或边长) 宜取200~ 300 mm, 当水泥土搅拌桩直径为500 mm 时, 心桩直径可取200 mm。
( 5) 心桩强度等级不应低于C25, 砼保护层厚度不应小于20 mm。
四、砼心水泥土搅拌桩的施工要点
( 1) 水泥土搅拌桩的施工及质量控制按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79 ---2002 水泥土搅拌桩的有关要求执行。
( 2) 心桩的制作、接桩及沉桩。
心桩的预制时钢筋骨架的主筋连接宜采用对焊或电弧焊,且同一截面内接头数量不得超过主筋总数的50% ; 同一钢筋接头的间距不小于1 000 mm; 浇筑混凝土粗骨料粒径宜小于25 mm;多节心桩单节长度应满足桩架的有效高度、运输装卸能力等, 一般单节长度不宜大于9 m; 混凝土预制桩达到设计强度的70% 方可起吊, 达到100% 才能运输。
( 3) 混凝土预制桩的接桩。桩段之间采用硫磺胶泥锚接; 锚筋应刷清并调直; 硫磺胶泥灌注时间不得超过2 min; 灌注后停歇时间不得超过5min。
( 4) 心桩的施工要求。压桩机应根据心桩长度配足额定重量; º 沉桩工序宜在水泥土桩成桩后1 h 内进行; 为确保桩身垂直度, 在沉桩前应复查压桩机的导向垂直度, 并注意保持桩帽、桩身和送桩的中心线重合。心桩入土1 m 后应停止下沉, 由专人沿2 个方向核对桩身垂直度,确认桩身垂直后方可继续沉桩, 心桩插入时垂直度不应超过0. 5%;心桩压入施工地面以下后,用送桩器将心桩压至预定深度, 心桩桩顶标高不应低于设计标高的50 mm, 也不应高于设计标高的100 mm, 心桩中心偏差不应大于50 mm。
结束语
通过实践证明, 采用砼心水泥土搅拌桩处理方案较水泥土搅拌桩处理方案路面沉降量降低约43% , 施工工期可缩短约40%, 直接工程费节约10% , 具有较好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 孔庆梅,孔德志,马金城,鲍鹏.砼芯水泥土搅拌桩单桩的有限元分析[J]. 河南大学学报(自然科学版). 2004(03)
[2] 刘澄华,刘晓平,周林生.砼芯水泥土搅拌桩在东方明珠小区地基处理中的应用[J]. 江苏建筑. 2001(03)
[3] 董平,秦然,陈征宙.混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元研究[J]. 岩土力学. 2003(03)
[4] 陈昌斌,张剑锋.加芯水泥土复合桩的工程应用[J]. 电力勘测. 2000(04)
关键词： 砼芯水泥土 搅拌桩 软土地基 应用
中图分类号：TU447 文献标识码：A 文章编号：
前言
砼心水泥搅拌桩桩身由水泥土搅拌桩和小直径预制混凝土心桩两部分构成,。它是在水泥土搅拌桩成桩之后, 混凝土初凝之前,用压桩机械将预制混凝土心桩压入水泥土体内,待水泥土凝固后, 混凝土心桩与水泥土搅拌桩共同工作, 承受上部荷载的一种新型桩。砼心水泥土搅拌桩以高弹模的混凝土预制桩作为受力核心, 以大面积的水泥土搅拌桩传递桩身应力，有机地结合了混凝土预制桩与水泥土搅拌桩的特点, 形成了一种中间强度高、四周强度低的合理桩身结构, 充分发挥了心桩与水泥土桩体的性能。
一、砼心水泥土搅拌桩的工作机理
水泥土搅拌桩是将水泥作为固化剂, 通过深层搅拌机械, 使水泥与软土发生物理化学反应, 硬结而形成具有水稳定、整体性和一定强度的桩基,施工方便、经济, 对软土有十分明显的加固效果。但其桩体强度低, 抗变形能力弱, 荷载不能有效传递到桩身下部, 当施加在桩顶的荷载增加时并不能使桩的轴力和变形向更深处传递, 而是使有效桩长范围内的桩身变形增大以抵抗外荷的增加,侧摩阻力的发挥也仅局限于有效桩长范围内。受有效桩长的限制, 水泥土搅拌桩对地基承载力提高有限, 通常难以满足高层建筑对承载力与变形的要求。而预制钢筋混凝土桩虽具有较高的桩身强度, 但在利用侧摩阻力为主的软土地区, 桩身强度不能充分发挥, 造成材料强度浪费, 使工程造价提高。
砼心水泥土搅拌桩受力机理是利用水泥土深层搅拌桩有较大的桩侧摩阻面积和水泥土对预制桩有很大的摩阻系数, 同时利用预制桩具有良好的受压特性, 两者复合受力, 形成的复合截面桩身强度大面积增加, 使得有效桩长增长, 调动了下部水泥土发挥作用, 桩侧端摩阻力增大, 整个桩身压缩变形大大减少, 沉降量减少。砼心水泥土搅拌桩综合了水泥土搅拌桩和混凝土预制桩的优点,实现了桩身强度和桩周( 端) 土承载力的良好匹配, 使荷载能够有效传递。
二、砼心水泥搅拌桩在宁常高速公路中的应用
某工程主要地貌单元为高亢平原和埋藏古湖沼, 软土埋藏浅, 厚度也较大, 最厚可达20~ 30 m, 土体的物理力学性质为: 黄灰色亚粘土和淤泥质粘土, 局部混粉砂, 部分为淤泥质亚粘土, 流塑, 高空隙比, 高压缩性, 天然含水量26% ~ 42%; 天然空隙比0. 651~ 1. 187; 饱和度75% ~ 98% ; 压缩模量3. 0~ 9. 4 MPa, 地基容许承载力80~ 280 kPa。
1 设计方案
某工程地基主要为淤泥质软土, 埋深7 m 左右, 层厚15m 左右, 平均压缩模量3 MPa, 天然地基承载力特征值80 kPa。设计填土高度5. 7 m, 地基承载力特征值为140 kPa。按分层总和法估算该未经处理软土层的累计沉降达1. 07 m 左右。为使处理后的地基承载力满足设计要求, 并能有效控制沉降, 采取砼心水泥搅拌桩进行处理。
根据地质资料, 设计水泥土搅拌桩桩径500mm, 桩深至2 ~ 3 层底, 桩长分别为19. 5 m 和23. 5 m 两种, 水泥掺量14% , 水灰比( 质量比)0. 6。心桩采用预制方桩, 混凝土强度等级C30。理想状态下当桩身强度和桩周土阻力同时达到极限时, 求得最优心桩边长为188 mm, 最优心桩长度13. 2 m。取心桩截面200 mmX 200 mm, 心桩长13 m。按砼心桩复合地基沉降计算: 沉降系数m s=1. 2, 砼心桩复合地基得总沉降量为30. 9 cm。
2砼心桩复合地基沉降分析
为了检验砼心桩的应用效果, 选取湿喷桩处理方案与之进行比较。桩长23 m, 桩径500 mm, 桩间距1. 1 m。按照复合地基的计算方法, 算出此处湿喷桩复合地基的总沉降为40. 8 cm。按有限元分析。
结果反映: 2 种桩型沉降曲线趋势一致, 砼心桩为6. 4 cm, 湿喷桩为7. 8 cm; 路面沉降最小值发生在路肩, 砼心桩为5. 1 cm, 湿喷桩为6. 1 cm。路中央到路肩沉降曲线平稳过渡, 这种路面中央沉降最大, 路肩沉降最小的规律, 符合盆型沉降模式。在同样满足设计荷载的条件下, 砼心桩复合地基的沉降小于湿喷桩复合地基。
按理論公式计算和有限元计算的砼心桩、湿喷桩的沉降对比如表2。
3 砼心桩与湿喷桩复合地基的技术经济对比
试验段原设计方案是采用湿喷桩进行处理,设计桩长23. 5 m, 桩径500 mm, 经计算按梅花形布置桩的间距为1. 1 m, 在100 mX 60 m 范围内总布桩数约为5 880 根。后改为砼心水泥土搅拌桩处理方案, 搅拌桩桩长23. 5 m, 桩径500 mm,心桩桩长13 m, 截面200 mmX 200 mm, 经计算按梅花形布置桩间距为1. 7 m, 在100 mX 60 m范围内总布桩数约为2 244 根。
表3 为两种地基处理方案的经济技术对比表。
根据上述对比结果可知: 砼心水泥土搅拌桩地基处理方案在技术、经济两方面均优于水泥土搅拌桩。
三、砼心水泥土搅拌桩的设计要点
( 1) 砼心水泥土搅拌桩可作为复合地基的增强体, 用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。
( 2) 确定处理方案前应收集拟处理区域内详尽的工程勘察资料。尤其是填土层的厚度和组成; 软土层的分布情况, 地下水及pH 值; 土的含水量、塑性指数和有机质含量等。
( 3) 水泥土搅拌桩固化剂宜选用强度等级
32. 5 级以上的普通硅酸盐水泥或矿渣水泥, 水泥掺量宜取被加固湿土重量的12% ~ 18%, 水泥浆的水灰比( 质量比) 一般选用0. 5~ 0. 8。外加剂可根据工程需要选用。水泥土搅拌桩成桩后桩顶部分水泥土心样28 d 抗压强度不宜低于0. 5 MPa。
( 4) 砼心水泥土搅拌桩的设计主要是确定水泥土搅拌桩的置换率和长度、心桩的截面积和长度。水泥土搅拌桩宜穿过软土层达到承载力相对较高的土层, 桩径不宜小于心桩直径( 或边长) 加250 mm, 且不应小于500 mm。心桩直径( 或边长) 宜取200~ 300 mm, 当水泥土搅拌桩直径为500 mm 时, 心桩直径可取200 mm。
( 5) 心桩强度等级不应低于C25, 砼保护层厚度不应小于20 mm。
四、砼心水泥土搅拌桩的施工要点
( 1) 水泥土搅拌桩的施工及质量控制按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79 ---2002 水泥土搅拌桩的有关要求执行。
( 2) 心桩的制作、接桩及沉桩。
心桩的预制时钢筋骨架的主筋连接宜采用对焊或电弧焊,且同一截面内接头数量不得超过主筋总数的50% ; 同一钢筋接头的间距不小于1 000 mm; 浇筑混凝土粗骨料粒径宜小于25 mm;多节心桩单节长度应满足桩架的有效高度、运输装卸能力等, 一般单节长度不宜大于9 m; 混凝土预制桩达到设计强度的70% 方可起吊, 达到100% 才能运输。
( 3) 混凝土预制桩的接桩。桩段之间采用硫磺胶泥锚接; 锚筋应刷清并调直; 硫磺胶泥灌注时间不得超过2 min; 灌注后停歇时间不得超过5min。
( 4) 心桩的施工要求。压桩机应根据心桩长度配足额定重量; º 沉桩工序宜在水泥土桩成桩后1 h 内进行; 为确保桩身垂直度, 在沉桩前应复查压桩机的导向垂直度, 并注意保持桩帽、桩身和送桩的中心线重合。心桩入土1 m 后应停止下沉, 由专人沿2 个方向核对桩身垂直度,确认桩身垂直后方可继续沉桩, 心桩插入时垂直度不应超过0. 5%;心桩压入施工地面以下后,用送桩器将心桩压至预定深度, 心桩桩顶标高不应低于设计标高的50 mm, 也不应高于设计标高的100 mm, 心桩中心偏差不应大于50 mm。
结束语
通过实践证明, 采用砼心水泥土搅拌桩处理方案较水泥土搅拌桩处理方案路面沉降量降低约43% , 施工工期可缩短约40%, 直接工程费节约10% , 具有较好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 孔庆梅,孔德志,马金城,鲍鹏.砼芯水泥土搅拌桩单桩的有限元分析[J]. 河南大学学报(自然科学版). 2004(03)
[2] 刘澄华,刘晓平,周林生.砼芯水泥土搅拌桩在东方明珠小区地基处理中的应用[J]. 江苏建筑. 2001(03)
[3] 董平,秦然,陈征宙.混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元研究[J]. 岩土力学. 2003(03)
[4] 陈昌斌,张剑锋.加芯水泥土复合桩的工程应用[J]. 电力勘测. 2000(04)