水泥攪拌樁復合地基設計探討

一．概述

目前國內應用于軟土地的地基技術，大多數屬于復合地基，其中水泥攪拌樁法是用于加固飽和粘性土地基的常用方法之一，在軟土地基加固工程中廣泛應用，尤其使用于淤泥質土、淤泥、粘性土、粉土、雜填土等地基的加固。它是利用水泥（石灰）等材料作為固化劑，通過特制的攪拌機械，在地基深處就地將地基土和水泥漿強制攪拌，使水泥和軟土間產生一系列物理、化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量。該加固體與天然地基組成復合地基，共同承擔建筑物的荷載。

二．水泥攪拌樁復合地基的設計

(一)、復合地基承載力的計算

1.單樁承載力的確定

首先根據地質資料情況，定性確定水泥攪拌樁樁長，即大致確定在哪一層土層。單樁豎向承載力標準值應通過現場載荷試驗確定，所取得的結果較符合實際。實踐中對體量不是很大的建筑物應多按下列公式確定：

Pk=Up∑qsi*li+qp*Aq

式中Pk-單樁豎向承載力標準值（Kn）

Up-樁的橫截面周長

Qsi-樁周第i層土的摩擦力標準值（kpa），（由地質資料提供）

Ap-樁的橫截面面積（m²）

li-第i層土的厚度（m）

qp-樁端土的承載力標準值

其中qP因施工時樁端土受到擾動，其承載力降底，故應按天然地基承載力標準值乘以折減系數確定，一般取0.5。當樁端土為淤泥質土時，實際計算中一般不考慮樁端土的支承能力，對于淤泥質土通常采用公式 Pk=Up∑qsi*li 。

在單樁設計中，承受豎直荷載的攪拌樁，一般應使土對樁的支承力與樁身強度所確定的承載力相近，并使后者略大于前者，這樣樁身強度能充分發揮作用，最為經濟。根據樁身強度計算的單樁承載力檢驗公式：

Pk＝1000fcu*Ap/3

fcu-與樁身水泥配方相同的室內水泥土試塊，在標準養護下，90天齡期的單軸抗壓強度（Mpa）。

令Up∑qsi*li+qp*Ap＝1000fcu*Ap/3（或右邊略大于左邊）

通過多次迭代計算，確定合理的樁長。樁徑，從而確定單樁承載力：

Pk=Up∑qsi*li+qp*Ap

2.樁的面積置換率及總樁數

當樁徑確定后，置換率主要由設計所要求達到的復合地基承載力標準值和單樁豎向承載力標準決定。置換率的大小直接影響復合地基承載力的大小，也影響建筑物沉降量的大小，可按下列公式計算：

樁的面積置換率：

m=(fspk-y₃*fsk)/[(Pk/Ap)-fs*fsk]

n= (m*a)/Ap

式中m－水泥攪拌樁的面積置換率

A－基礎底面積（m）

n－總樁數

fsp，k－復合地基承載力標準值，采用設計要求的地基承載力標準值（kpa）

ys－樁間土承載力的折減系數

面積置換率m不能太小，否則單樁承載力要求過高，水泥土強度或施工機械不能滿足設計要求；面積置換率也不能太大，否則樁數太多，樁距太密，影響單樁承載力的發揮，不經濟。從最佳的技術經濟指標衡量，一般選m=20%左右較恰當。實際操作中m一般應綜合考慮比較而定。

3.布樁。根據總樁數n進行攪拌樁的平面布置。攪拌樁按其強度和剛度介于剛性樁和柔性樁的一種樁型，但其承載性能又與剛性樁相近，因此在設計攪拌樁時，可僅在上部結構基礎范圍內布樁，不必像柔性樁一樣在基礎以外設置保護樁。樁布置時要考慮充分發揮樁側摩阻力和便于施工為原則，如本工程實例中的軟弱地基土，樁間土承載力標準值R=50Kpa~60Kpa，在滿足置換率的情況下，樁距在1.5D~2.0D為好，這樣布樁能使樁實際受力與設計計算貼近。

建筑物的傾斜原因之一是基礎的形心與建筑物的重心偏移太大所致，尤其是軟弱地基，如慈城鐵路家屬宿舍 。水泥攪拌樁的布置，要求群樁的形心與建筑物長期荷載作用下的重心重合，同時使樁基在受橫向力和力矩較大的抵抗力矩。這在水泥攪拌樁中往往被忽視，例如本工程有外挑陽臺，應考慮外挑陽臺方向延伸橫軸位置布樁，增加樁的抵抗力矩，使其整個工程樁的形心與該建筑物重心吻合。

（二）.樁端下臥層的驗算

由于每根樁不能充分發揮單樁的承載力作用，故應按群樁作用原理，進行下臥層地基驗算：即將攪拌樁和樁間土視為一個格子狀的假想的實體基礎，考慮假想實體基礎側面與土的摩擦力，驗算假想基礎地面（下臥層地基）的承載力。（見右圖1）

f'=[fsp，k*A+G-q's*As-fs，k*(A-A1)]/A1＜f

f' －假想實體基礎底面壓力（kpa）

A1－假想實體基礎底面面積（m² ）

As－假想實體基礎側表面積（m² ）

G －假想實體基礎自重（kn）

－作用于假想實體基礎側壁上的平均容許摩阻力（kpa）

fs，k － 假想實體基礎邊緣軟土的承載力（kpa）

f － 假想實體基礎底面經修正后的地基土承載力（kpa）

f=fk+mp*rp(D-1.5)

當驗算不滿足要求時，須重新調整單樁，直至滿足要求為止。

（三）.水泥土攪拌樁沉降驗算

水泥土攪拌樁復合地基變形S的計算，包括攪拌樁群體的壓縮變形S1和樁端下未加固土層的壓縮變形S2之和，即S=S1+S2，其中S1是樁長范圍內復合土層的壓縮變形。根據大量的攪拌樁設計計算結果僅為10 mm ~30mm，一般荷載大，樁較長，樁體強度較低時，按經驗取較大值，否則取較小值，也可按公式 S1=(P+P0)*1/2E0計算確定，P為群樁頂面的平均壓力（kpa），P0為群樁底面地基土的附加壓應力（kpa），E0為群樁體的變形模量（kpa）。S2一般按傳統的分層總和法計算，這里不再敘述。

從大量的工程設計中，參照省標《建筑軟弱地基基礎設計規范》（DBJ10-1-90）進行計算，從應用實踐得出，對于磚混或框架結構多層建筑，復合地基中水泥攪拌樁大約承擔80％左右，樁間土承擔20%左右，按照這樣的總量配置，竣工時沉降量多為在60mm~100mm。由于目前國內水泥攪拌樁樁長一般不太長，樁端一般有較好的持力層，且建筑物等級較低，因此沉降主要發生在復合地基層，壓縮變形較小，均在規范允許范圍之內。

三．工程實例及應用

余姚鐵路西站綜合辦公樓，框架結構，三層，工程勘察地質資料（如頁下表格）：

對工程地質情況進行分析，擬建建筑場地屬典型軟土地區，淺部（3）層泥炭質土力學性質很差，壓縮性極高。雖然場地內各土層地質層位較穩定一致，但采用天然地基難以控制沉降變形。下伏土層均為壓縮性低強度淤泥土，故本場地無良好的淺基礎條件，采用水泥土攪拌樁復合地基加固處理該淤泥層較適合。

水泥攪拌樁復合地基在當今施工環境較差，建筑規模不太大的鐵路沿線房屋建筑中廣泛應用，浙江省范圍在杭州、寧波、余姚等地一般多為軟弱地基，應用尤為廣泛，如余姚鐵路西站綜合樓，慈城鐵路家屬宿舍等。 余姚鐵路西站綜合樓工程，地基淤泥層很厚，因本工程層數不高，荷載不大，經綜合技術經濟比較，采用了8m樁長，500mm樁徑。具體施工時因土體中含有煙灰土，在水泥攪拌樁中添加入了適當的強化劑，實測效果很好。樁基施工完成后做了樁基檢測，通過低應變動測和靜載荷試驗結果來看，加固效果均較理想，沉降量較小，均在規范允許范圍之內，而且與鋼筋混凝土樁基相比 ，相對地基造價較低。

四．結語

從廣泛的應用實踐中得出，水泥攪拌樁法加固軟土地基技術有其獨特的優點：

1.水泥土攪拌樁法由于將固化劑（水泥漿）和原地基軟土就攪拌混合，因而最大限度地利用了原土。

2.攪拌時不會使地基側出擠出，所以對周圍原有建筑物影響小。

3.按照不同地基的性質及工程設計要求，合理選擇固化擠及其配方，設計比較靈活。

4.施工時設備較簡單，振動、噪音均極小，而且無污染，可在市區內和密集建筑群中進行施工。

5.土體加固后，重度基本不變，對軟弱下臥層不致產生附加沉降。

6.與鋼筋混凝土樁相比，節省了大量鋼材，并降低了造價。

參考文獻：

1.《建筑軟弱地基基礎設計規范》（DBJ10-1-90）浙江省標準（試行）

2.《建筑地基基礎設計規范》（DBJ7-89）