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岩土研究院

水泥系搅拌桩复合地基设计

355 2022-03-11 10:37:16

一、水泥系搅拌法的设计参数

水泥系搅拌法形成的加固体,可作为竖向承载搅拌桩复合地基;基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕;大体积水泥土等。

本节所述的设计参数主要用于竖向承载搅拌桩复合地基的情况。

水泥系竖向承载搅拌法复合地基,应以提高地基承载力和减少地基沉降为主要目的。其途径是发挥搅拌桩的桩体作用和桩间土力学性能的改善。

下面分别介绍水泥系竖向承载搅拌法复合地基的设计技术参数;置换率和桩长、桩体强度和水泥掺入比、桩径、桩距、褥垫层设置、平面布置及其他相关的设计参数。另外。还介绍水泥土桩作为阻渗挡土工程时的一些设计要点。

1.置换率和桩长

水泥土搅拌法的设计。主要是确定搅拌桩的置换率和桩长。竖向承载搅拌桩的长度。应根据上部结构对承载力和变形的要求来确定,并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层;为提高抗滑稳定性而设置的搅拌桩,其桩长应超过危险滑弧以下 2m。

湿法的加固深度不宜大于20m;干法的加固深度不宜大于15m。

从承载力角度看,提高置换率比增加桩长效果更好。我们知道,水泥土桩是介于刚性桩和柔性桩之间具有一定压缩性的半刚性桩,桩身强度提高。其特性越接近于刚性桩∶反之则接近于柔性桩。桩越长,则对桩身强度要求越高。但过高的桩身强度对复合地基承载力的提高及桩间土承载力的发挥是不利的。为了充分发挥桩间土的承载力和复合地基的潜力,应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的单桩承载力接近,通常使后者略大于前者较为安全经济。

对软土地区,地基处理的任务主要是解决地基变形问题,即地基是在满足强度的基础上以变形进行控制的,因此水泥土搅拌桩的桩长应通过变形计算来确定。对于变形来说,增加桩长,对减少沉降是有利的。实践证明,若水泥土搅拌桩能穿透软弱十层到达强度相对较高的持力层,则沉降量很小。

对某一地区的水泥土搅拌桩,其桩身强度是有一限制的,也就是说,水泥土桩从承载力角度来讲,存在一有效桩长,单桩承载力在一定程度上并不随着桩长的增加而增大。但当软弱上层较厚,从减少地基的变形量方面考虑,桩应设计得较长些。原则上,桩长应穿透软弱土层到达下卧强度较高之土层,尽量在深厚软土层中避免采用"悬浮"桩型。

2.桩体强度和水泥掺入比

桩体的强度指标采用水泥土试块的无侧限抗压强度来进行衡量,水泥土的无侧限抗压强度受多种因素的影响,如被加固土类、土中有机质含量、土的含水量,渗透性、水泥掺入量(或掺入比)、水泥强度等级、龄期、外加剂、搅拌时间以及养护方法和施工工艺等因素。

在水泥土桩设计中。对竖向承载的水泥土强度宜取 90d 龄期试块的立方体抗压强度平均值;对承受水平荷载的水泥土强度宜取 28d 龄期试块的立方体抗压强度平均值。

水泥土的强度随龄期的增长而增大,在龄期超过 28d后,强度仍有明显增长。为了降低造价,对承重搅拌桩试块国内外都取 90d 龄期为标准龄期;对起支挡作用承受水平荷载的搅拌桩,为了缩短养护期,水泥土强度标准取 28d 龄期为标准龄期。当龄期超过3个月后,水泥土强度增长缓慢,180d的水泥土强度为90d的1.25倍,而180d后水泥土强度增长仍未终结。

当拟加固的软弱地基为成层土时,应选择最弱的一层土进行室内配比试验。

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采用水泥作为固化剂材料,在其他条件相同时,在同--土层中水泥掺入比不同时,水泥土强度将有所不同。由于块状加固属干大体积处理.对干水泥土的强度要求不高,因此为了节约水泥、降低成本、块状加固体可选用7%~12%的水泥掺量,水泥掺人比大干10%时,水泥土强度可达0.3~2MPa以上。除块状加固外,其余的水泥掺入比可取 12%~20%,或者也可以按水泥的掺入量

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在工程实践中,根据不同的设计桩径,也有采用每延米多少公斤的,以方便施工控制水泥用量。以设计桩径为500mm为例,太原常用的水泥掺入量为 50~60kg/m。

有些设计者往往将水泥土桩理解为桩基,因此要求其像刚性桩一样工作,在桩长范围内强度一致,而且桩强度越高越好。这是违背复合地基基本假定的,实质上桩身强度不宜太高,应使桩身有一定的变形量,这样才能促使桩间土强度的发挥,否则就不存在复合地基。而成为桩基了。

根据室内模型试验和水泥土桩的加固机理分析,其桩身轴向应力自上而下逐渐减小,其最大轴力位于桩顶3倍桩径范围内。实践证明。固化剂与土的搅拌均匀程度对加固体的强度有较大影响,采用复搅对提高桩体强度有较好影响。因此,在水泥土桩单桩设计中,为节省固化剂材料和提高施工效率.设计时可采用变掺量的施工工艺。一般情况下,在竖向承载搅拌桩复合地基中的桩长超过 10m时、可采用变掺量设计,即在全桩水泥总掺量不变情况下,桩身上部1/3桩长范围内可适当增加水泥掺量及搅拌次数;桩身下部1/3桩长范围内可适当减少水泥掺量。

3.桩径

水泥土桩的设计桩径,主要取决于水泥土桩的施工机械。当前国内搅拌机的成桩直径一般为 500~700mm。水泥土搅拌桩的桩径不宜小于500rmm。

4.桩距

布桩时,摩擦桩必须考虑群桩效应,桩距不宜太小,鉴于目前国内搅拌机的桩径大多在500~700rmm,由于基础宽度有限制。常常会给布桩造成困难,多数工程桩距较小。解决这个矛盾的途径;一是采用单轴搅拌,将桩径缩至 400mm左右;二是在基础和搅拌桩的桩顶之间设

置300~500mm厚的粗粒料(如砂石、碎石、矿渣等)褥垫层拉开桩距∶三是增加桩长,减少桩数,增大桩距。实践证明,采取以上措施是有效的,复合地基中,搅拌桩的桩距一般不宜小于2d(d为桩径)

5.褥垫层设置

在刚性基础和桩之间设置一定厚度的褥垫层后,可以保证基础始终通过褥垫层把一部分荷载传到桩间土上,起调整桩和土荷载的分担作用。特别是当桩身强度大时,在基础下设置褥垫层可以减小桩土应力比,充分发挥桩间土的作用,即可减少基础底面的应力集中现象。因此对竖向承载搅拌桩复合地基,应在基础和桩之间设置一褥垫层,褥垫层厚度可取 200~300mm。其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等,最大粒径不宜大于20mm。

6.平面布置

水泥土桩的布置型式对加固效果很有影响,一般可根据工程地质特点、上部结构特点及对

地基承载力和变形的要求以及现阶段搅拌桩的施工工艺和设备,可采用柱状、壁状、格栅状、块状及长短桩相结合等不同加固型式。如图9.4.1。

水泥土桩的强度和刚度是介于柔性桩和刚性桩之间的一种半刚性桩,它所形成的桩体在无侧限情况下可保持直立,在轴向力作用下又有一定的压缩性,但其承载性能又与刚性桩相似,因此在设计时,可仅在上部结构基础范围内布桩,不必像柔性桩那样需在基础外设置护桩。独立基础下的桩数不宜少于3根,柱状加固可采用正方形、等边三角形等布桩型式。

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(1)柱状

即在所要加固的基础范围内.每间隔一定间距打设1根水泥土桩,形成柱状加固型式。它适用于单层工业厂房独立柱基础、设备基础、构筑物基础、多层房屋条形基础下的地基加固以及用来防治滑坡的抗滑桩,承受大固积的地面荷载时也常用柱状布桩型式。它可 充分发挥桩身强度与桩周侧阻力.它适用于加固区表面和桩端土质较好的局部饱和软弱夹层。在深厚的饱和软土地区。对基底压力和结构刚度相对均匀的较大的点式建筑,采用柱状加固型式并适当增大桩长、放大桩距,可以减小群桩效应。

(2)壁状

即将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固型式。它适用于深基坑开挖时软土边坡的围护结构.可防止边坡坍塌和岸壁滑动∶同样。这种加固型式也适用于长高比或长宽比大和刚度小的建筑物以及对不均匀沉降敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。

(3)格栅状

格栅状加固型式是将纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的。它适用于对上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建(构)筑物的地基加固。这种加固型式使搅拌桩在地下空间形成一个封闭的整体,可提高整体刚度,增强抵抗不均匀沉降的能力。

(4)块状

即将纵横两个方向相邻的搅拌桩全部重叠搭接,亦即成块状布桩型式。它适用于上部结构单位面积大、不均匀沉降要求较为严格的构筑物的地基处理;另外,在软土地区开挖深基坑时,为防止坑底隆起和封底时,也可以采用块状加固型式。

(5)长短桩相结合

当地质条件复杂,同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时,可用3m左右的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状,藉以调整和减小不均匀沉降量。

7.其他设计技术要点

(1)端承短桩宜采用大直径的双轴搅拌桩或做成壁状、格栅状甚至块状.具体采用什么型式应根据工程要求及地质条件确定;

(2)桩顶标高的确定宜选在承载力较高的土层上。以充分发挥桩间土的承载力.并且要兼顾基础的稳定性,宜低于原地面以下 1m左右;

(3)注意基础角桩及长高比大于3的建筑物中部桩的加强;

(4)停灰面应高于设计桩顶至少 500mm,即保护桩长至少为 500mm,在做褥垫层之前,应将这部分保护桩长人工去掉;

(5)复合地基承载力特征值不宜大于200kPa,一般情况下采用120一180kPa,单桩承载力特征值(对 500mm桩径)不宜大于150kN。8.阻渗挡土工程的有关设计要求

(1)宜采用双轴或多轴浆液搅拌,并采用大直径桩;

(2)固化材料掺入比不宜小于15%,以增强抗剪强度和防渗能力;

(3)如搅拌桩只用于防渗唯幕,水泥土桩宜布置成壁状或格栅状形式,月水泥土桩不宜少于2排;

(4)水泥土挡墙厚度为开挖深度的 0.6~0.8倍,可作为格栅式或块式实体,做成格栅式时,置换比不宜小于0.7;

(5)搅拌桩之间的搭接不宜小于100mm;(6)水泥土挡墙按受力条件的不同,横截面上可以深墙浅墙并用;

(7)为增大被动土压力、减少水泥挡墙的变位,可在坑内以多种形式(如格栅式)的水泥土桩加固;

(8)水泥土桩尽量做成拱形,也可与刚性挡墙组成连拱形式以节约造价;

(9)格栅式挡墙可简化为如图9.4.2的图式进行计算,不计格栅间的抗剪能力;

(10)水泥土挡墙的挡土高度不宜大于6m。

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