水泥土攪拌樁處理地基的應用及設計關鍵

□劉香君 □買巨喆 □張明恩（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1 概況

本工程為倒虹吸工程，管身尺寸為單孔2.50m×2.50m，C30鋼筋混凝土結構，倒虹吸管身設計基底壓應力為230kPa，地基承載力特征值為120kPa，需要進行處理，根據技術經濟比較，采用水泥土攪拌樁處理。樁徑為0.60m，正三角形布置，樁間距0.90m，樁長6.50m。

2 地質條件

倒虹吸管身基礎座于第②層黃土狀輕壤土，層厚5.80～7.90m，該層下部為第③層黃土狀中壤土，層厚6.80～7.20m，以及第④層中粉質壤土。水泥土攪拌樁樁周土主要為黃土狀輕壤土，為粉土。該層土的天然含水量為19.40%，孔隙比為0.57，塑性指數為8.20，液性指數為0.60，壓縮模量為8.50MPa，承載力特征值為120kPa，側阻力特征值為25kPa。第③層黃土狀中壤土的壓縮模量為5.90MPa，第④層中粉質壤土壓縮模量為6.90MPa。

3 設計計算

3.1 設計要點

水泥土攪拌法處理地基的設計的關鍵在于攪拌樁的水泥摻量、無側限抗壓強度fcu的選取和樁長的確定。水泥土的抗壓強度決定了水泥土攪拌樁的有效樁長。當實際樁身強度大于式（2）所給出的強度值時，增加樁長可提高單樁承載力；當實際樁身強度小于式（2）所給出的強度值時，則單樁承載力受樁身強度控制，即使增加樁長也不能提高單樁承載力。所以，筆者認為在初步設計時，根據地質條件合理選擇fcu的值是重要的，關系到水泥土攪拌法處理地基的安全性和經濟性。同時，還要根據地基變形的要求進行計算來最終確定樁長。

3.2 單樁承載力計算

單樁承載力特征值按式（1）計算，同時要滿足式（2）的要求，應使由樁身材料強度確定的單樁承載力不小于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力。

式中：up—樁的周長，m；qsi—樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；lpi—樁長范圍內第i層土的厚度，m；αp—樁端端阻力發揮系數，可取0.40～0.60；qp—樁端端阻力特征值，kPa，取未經修正的樁端地基土承載力特征值；Ap—樁的截面積，m2；fcu—與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊，邊長為70.70mm的立方體在標準養護條件下90d齡期的立方體無側限抗壓強度平均值，kPa；η—樁身強度折減系數，干法可取0.20～0.25，濕法可取0.25。

擬加固土層為黃土狀輕壤土，屬粉土，由于要求處理后的承載力提高幅度較大，為了提高有效樁長，可采用提高水泥等級和摻量的方式來提高水泥土的抗壓強度，但根據經驗，過高的樁身強度對復合地基承載力的提高以及樁間土的發揮是不利的。初步選用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為15%。根據以往工程試驗數據，與本工程土層的物理力學性質相近的土層，當水泥摻量15%時，水泥土的無側限抗壓強度基本在2.50MPa以上，為保證安全，取fcu為2300kPa，取樁端端阻力發揮系數為0.45，設計樁徑采用0.60m。為保證安全和經濟，確定樁長的原則為由式（1）確定的單樁承載力應和由式（2）確定的單樁承載力相接近，并使前者的計算值略小于后者。根據此原則確定的單樁長為6.50m，單樁承載力為162.30kN。

3.3 復合地基承載力計算

加固后攪拌樁復合地基承載力特征值按式（3）計算。

式中：fspk—復合地基承載力特征值，kPa；fsk—處理后樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值，kPa；λ—單樁承載力發揮系數，取1.00；m—面積置換率。水泥土攪拌樁采用正三角形布置，為滿足要求的復合地基承載力，經計算，采用的樁間距為0.90m。

3.4 水泥土攪拌樁復合地基變形計算

上面介紹，對于有控制地基變形要求的建筑物，水泥土攪拌樁樁長的最終確定還應通過地基變形計算來最終確認設計的樁長是否合理。

3.4.1 水泥土攪拌樁復合地基應力分布

由于攪拌樁樁體強度和剛度較小，與剛性樁不同的是，在荷載作用下，樁間土應力在樁頂附近集聚現象明顯，樁端土中沒有明顯的應力集中現象。所以水泥土復合地基變形由樁身范圍內的壓縮變形和下臥層的壓縮變形組成。

3.4.2 地基變形計算

3.4.2.1 計算樁身范圍內的壓縮變形

計算樁身范圍內的壓縮變形s1，將復合地基看做一個整體，用分層總和法計算。

式中：pz—攪拌樁復合土層頂面的附加壓力值，kPa；pzl—攪拌樁復合土層底面的附加壓力值，kPa；Esp—攪拌樁復合土層的壓縮模量，MPa；Ep—攪拌樁樁體的壓縮模量，可取（100～200）fcu，MPa；Es—樁間土的壓縮模量，MPa；l—攪拌樁樁長，m。

這里需要注意的是，計算復合土層底面的附加壓力值pzl時，應考慮加固層對應力的收斂作用，否則會夸大非加固層的變形。這里可采用按照應力擴散法計算pzl。

樁體壓縮模量取100fcu，經計算s1為10.80mm。

3.4.2.2 計算樁端下未加固土層的壓縮變形

攪拌樁樁端下未加固土層的壓縮變形s2按照《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）中的公式進行計算，即：

式中：φs—沉降計算經驗系數，按規范采用；Esi—攪拌樁樁端下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1—樁端至第i層土、第i-1層土底面的距離，m；αi、αi-1—樁端至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數，按規范采用。

經過計算未加固土層的最終沉降量s2為42mm。

地基經過處理后的最終沉降量為s1+s2，為52.80mm，計算結果滿足建筑物沉降量的要求，說明選擇的樁長和樁的布置是安全的。

4 復合地基荷載試驗結論

根據水泥土攪拌樁檢測報告，通過復合地基荷載試驗，確定處理后的復合地基承載力≥234kPa，滿足設計要求。

5 經驗

在采用水泥土攪拌樁處理地基時，設計的關鍵在于合理選擇水泥土的無側限抗壓強度，進而確定攪拌樁的有效樁長，這兩點關系到水泥土攪拌樁設計的安全性和經濟合理性。

對于小型建筑物的水泥土攪拌樁處理，可根據以往的類似地基土層的性質的經驗數據，比較合理地確定水泥土的抗壓強度，而對于重要或者地基處理投資較大的建筑物，在設計前，應進行處理地基土的室內配比試驗，以便更加合理地確定水泥土的強度參數，從而確保地基處理的安全和經濟合理。