水泥攪拌樁法加固混凝土水池下軟土層淺述

■申耀國，周繼超 ■鐵道第三勘察設計院機環(huán)處，天津 300251

1 基本概念

1.1 軟土地基的特性

軟土是指沿海的濱海相、三角洲相、湖泊相、沼澤相等主要由細粒土組成的土，廣泛分布于東部沿海地區(qū)，它具有孔隙率大、天然含水量高、壓縮性高、抗剪強度低等特點，是一種呈軟塑到流塑狀態(tài)的飽和粘性土［1］～［2］。基于這些特性，造成軟土地基承載力低、后期沉降量大且不均勻，沉降持續(xù)時間較長。

1.2 水泥攪拌樁的特性

水泥攪拌樁亦稱水泥土樁，通過與樁周土層和樁端土層的共同協(xié)調作用成為一種人工加固的復合地基。

水泥和軟土經(jīng)攪拌后，首先發(fā)生水泥的水解水化反應，析出大量的Ca2+，能和具有一定活性的土粒進行:a.離子交換和團粒化反映;b.硬化反應;c.碳酸化反應等一系列變化、固化作用，將原來分散的土團粒凝聚成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥土，協(xié)同周圍土基，將荷載傳遞到樁端土層上，從而提高地基的承載力。

1.3 水泥攪拌樁的受力變形性能及適用性

水泥攪拌樁為素樁，剛性較差，受力變形性能介于剛性樁和柔性樁(如砂樁、碎石樁等)之間，可認為是“半剛性樁”。

地基處理中，深度一般以3m 為界，小于3m 的一般挖除換填;當須處理的軟土深度(或厚度)大于3m 時，可考慮用此法。其適用處理的土層為淤泥、淤泥質土、軟塑狀粘性土、粉土和不含大塊塊石的素填土;含水量較高的粘性土，其承載力小于120kPa 或標貫擊數(shù)小于5 者、標貫擊數(shù)小于10 的砂性土等均適宜。一般認為:樁長超過10m 后，其再增長部分的效果已不理想，但也有文獻研究表明，水泥攪拌樁的作用樁長可至18～20m［3］［4］。

1.4 水泥攪拌樁的優(yōu)點

(1)最大限度地利用了原地基土。

(2)施工時基本無振動、無噪音、無污染、無地面隆起，對相鄰建筑物和周圍地下管線不產生有害影響;

(3)可靈活采用柱狀布樁形式;

(4)比排水預壓法工期大為縮短。雖然水泥土的強度以90 天齡期為準，但其成樁后7 天強度可達設計強度的30～50%，28 天可達60～75%，可滿足一般工程的工期要求［5］。

2 設計

(1)水泥攪拌樁復合地基承載力標準值，應通過復合地基載荷試驗確定。也可按下式計算:

fcp，k:復合地基承載力標準值(KPa);fp，k:樁體的單位面積承載力標準值(KPa);fs，k:樁間天然地基土承載力標準值(KPa);fcu，k:水泥土無側限抗壓承載力標準強度(KPa);qp:樁端土層的承載力標準值(KPa);qsi:第i 層土的摩阻力標準值(KPa);Up:水泥土樁的周長(m);Ap:水泥土樁的截面積(m2);Ii:第i 層土的厚度(m);m:置換率(宜取0.15 -0.30);β:樁間天然地基土承載力折減系數(shù)，η:水泥土強度折減系數(shù)(宜取0.35～0.50)

(2)fp，k——可由上列的公式2 -2 和2 -3 分別算出，要求:

①由公式2 -2、2 -3 兩式算出的結果要接近、不要相差過大:

②由式2 -2 的結果宜略大于式2 -3 的結果;

③最后將兩式結果中的較小值代入式2 -1 計算。

之所以有上面三點要求，是綜合考慮水泥土樁與樁間土、樁端土有良好的協(xié)同作用。若式2 -2 算出的值過大，相當于強樁弱土，土發(fā)揮不了其應有的能力，這種情況可適當降低水泥摻入量來降低樁體的強度;若式2 -3 算出的結果過大，說明樁的長度過大或不必要穿透較硬的持力層。

實際設計中，當要求的復合地基承載力不大時，由式2 -2 算出的fp，k已滿足，當由式2 -3 算出值大于式2 -2 值，而又再不便于調整樁長等措施來降低fp，k值時，只要不是過大(50KPa 以內)，認為是可行的，選取較小值代入式2 -1 計算。

(3)fp-k——水泥土的無側限抗壓標準值。

○，1 水泥摻量。規(guī)范建議值7～15%，也有取7～18%，但實際設計中多取10～20%。

○，2 水泥標號一般要求用C425，若以C325 為標準，則用同量的C425 時，水泥土強度提高20～30%。強度相同時，C425 的摻量可較C325 減少2～3%，有條件時可摻入與水泥同量的粉煤灰，強度可增加10%左右。

表1 不同樁徑水泥用量表

③水膠比，一般采用0.5～0.6，由于水泥漿是用灰漿泵輸送，要較好的流動性。但軟土含水量較高，對成樁強度增長不利，為減少含水量又利于泵送，可考慮摻入部分減水劑:木質硫酸鈣(水泥量的0.2%)，三乙純銨(水泥量的0.05%)，也有摻l～2%石膏的，可起到早強作用，但有觀點認為石膏的硫酸根離子對水泥土有不利影響［6］。

④fcu，k的強度一般在1.0～2.0MPa 之問，以90 天齡期為準。

(4)β 值是反映樁和土共同作用的一個參數(shù)。當樁端土為軟土時:β=0.5～1.0;當樁端土為硬土時:β=0.1～0.4;當不考慮樁間土作用時:β=0。根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗，通常需加固的軟土層下多是承載力較高的土層，如中砂、粉土等，故取值0.5≤β ＜1.0 的情況較為普遍。

(5)算例:天津和諧型大功率機車檢修基地污水處理站回用水池，容積100m3，池頂覆土500mm，要求地基承載力不小于150kPa。

設計樁直徑D=0.5m，fcu，k取2MPa，η 取0.5，Ap=0.19635m2，Up=1.57m，樁距S 取1.2m，置換率m=0.1574(梅花形布置樁)

由公式2 -2 可得:fp，k=ηfcu，k=0.5 ×2=1MPa=1000kPa

樁長6m，就是處理10.78m，深入淤泥質粉土層2m。則有

圖1 地質柱狀圖

由式2 -3 可知:

將上式結果代入式2 -1，取β=0.8、m=0.15

則有:fcp，k=0.15 ×1000 +0.8(1 -0.15)× 120=231.6kPa ＞150kPa(滿足)

設計計算時，自變量較多，除樁土和樁周土強度是客觀存在外，其余參數(shù)均由設計者選定，故設計者必須根據(jù)工程經(jīng)驗和現(xiàn)場情況，優(yōu)化各參數(shù)，以達到經(jīng)濟適用的目的。在設計中，調整置換率最方便，需提高承載力就適當加大樁徑或減少樁距。

設計時尚須注意:1.樁頂50cm 內因靠近頂面，成樁強度差，應人工挖除;2.樁頂與基礎底面之間應鋪一層30cm 左右的碎石或砂礫石作為“褥墊層”以防應力集中。

［1］中華人民共和國行業(yè)標準《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79 -2002)，中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］中華人民共和國行業(yè)標準《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94 -2008)，中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］鄭剛，王長祥，顧曉魯.軟土中超長水泥攪拌樁復合地基承載力研究［J］.巖土工程學報，2002(06).

［4］王樹棟，婁國充.水泥攪拌樁在天津沿海軟基加固中的應用［J］.鐵道建筑，2008(10).

［5］溫建興.水泥攪拌樁在某軟弱地基場地中的應用［J］.山西建筑，2011(33).

［6］趙宏華，韓選江.水泥攪拌樁復合地基加固性能研究［J］.建筑技術，2008(05).