水泥土搅拌桩复合地基的分析

肖青春 黄进元

（1、西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710000 2、武警北京总队直工处，北京 100000 3、大庆开发区规划建筑设计院，黑龙江 大庆 163316）

1 引言

随着我国工业布局和城市发展的规划，越来越多的建筑将建在地基条件较差的场地，建在软土地基上的建筑物将越来越多。作为加固饱和软土地基的一种方法，水泥土搅拌桩基础利用水泥作为固化剂，通过特制的机械，将软土和水泥强制搅拌，利用水泥和软土之间所产生的一系列物理－化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。这种方法的出发点是最大限度地利用了原土，相比较处理软土地基的其它方法，该方法具有施工方便、费用低廉、加固软土较深等优点。

2 水泥土搅拌桩复合地基的工程特性

2.1 地基处理概述

地基是指承托建(构)筑物基础的一部分范围很小的场地，根据基础以下的土体名称和性质的不同分别称为碎石土地基、砂土地基、粘性土地基、软弱土地基、冻土地基、膨胀土地基和盐渍土地基等，当基础直接建造在未经加固的天然土层上时，称为天然地基。若天然地基较为软弱，不能满足建(构)筑物作用下承载力的要求、变形要求或在地震作用下有可能产生液化、震陷及失稳时则先要经过人工加固处理后再建造基础，这种对不良地基进行补强加固的过程称为地基处理。

2.2 地基处理的对象

地基处理的软土对象有以下几类：

软土这里的软土应为相对软弱土，是指该土层在上部结构荷载加上后，其承载力或变形不能满足规范规定要求的土层。这里既包括淤泥及淤泥质土，也包括土质相对较好但当上部结构荷载很大而不能满足要求的土。淤泥及淤泥质土是在静水或缓慢流水环境下沉积，经生物化学作用形成，有的富含有机物，其天然含水量大于液限。这类土的特性是天然含水率高，天然孔隙比大，渗透系数小，抗剪强度低，地基变形大，不均匀变形也大，且沉降缓慢。冲填土也即新近沉积土，成分比较复杂，这里主要是要对强度较低和压缩性较高的久固结粘性冲填土进行研究，以确定处理方案。杂填土这类成分尤为复杂，多为建筑垃圾、生活垃圾及工业废料等，这类土结构松散，均匀性差，压缩性高，强度低，设计地基处理方法时应尤其注意其纵向不均匀性。较软弱土是指土质相对较好，但由于上部建筑物荷载较大，而不能满足要求的地基土。对这类土进行地基处理设计时，应确保其加固后的复合强度和最终变形指标能满足上部结构的要求。动力失稳土这类土包括由地震影响可能引起液化的砂性土，粉土及可能引起震陷的软土。

2.3 地基处理的方法及适用范围

地基处理方法的分类多种多样，如按时间分可分为临时处理和永久处理；按深度分可分为浅层处理和深层处理;按处理的方式可分为化学处理和物理处理。一般采用按照地基处理机理进行分类。

3 复合地基

复合地基能够较好利用增强体和天然地基两者承担建(构)筑物荷载，所以具有比较经济的特点。自国外1962年首次开始使用“复合地基”（Composite Foundation)一词以来，复合地基的概念己成为很多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和根据。

3.1 复合地基的基本概念

所谓复合地基，一般可认为由两种刚度(或模量)不同的材料(桩体或桩间土)所组成，在相对刚性基础下两者共同分担上部荷载并协调变形。其研究方法经常是在众多根桩所加固的地基中，选取一根桩及其影响的桩周土所组成的单元体作为研究对象。

3.2 复合地基的特点

复合地基具有以下特点:

工艺简单：深层搅拌桩可一次完成成孔与成桩，施工速度快，工期短。复合地基目前已有较为成熟的施工工艺，原料拌和、灌注、夯填均易操作，技术指标容易控制。

施工方便：施工机械均为常用建筑机械，如长螺旋钻机、振动沉管机、粉喷机、混凝土搅拌机等，某些工艺如夯实水泥土桩，采用人工洛阳铲即可施工。

造价低廉：复合地基充分发挥桩间土的承载力，减少用桩量，且不使用昂贵的钢材，耗用建筑三材少，一般可就地取材或使用工业废料，大大降低造价，且有利于环保。

适用范围广：采用复合地基可明显提高地基承载力，减少沉降。过去人们认为复合地基只能用于中小型工程，随着复合地基技术的发展，在大型工程及高层建筑中，应用越来越广，在超高层中的应用也不乏其例。此外，复合地基还可用于消除地基液化、边坡加固等。

3.3 复合地基的分类

桩体如按成桩所采用的材料可分为:散体土类桩-如碎石桩、砂桩等;水泥土类桩-如水泥土搅拌桩、旋喷桩等;混凝土类桩-树根桩、CFG桩等。桩体如按成桩后桩体的强度(或刚度)可分为:柔性桩-散体土类桩属于此类桩;半刚性桩-水泥土类桩;刚性桩-混凝土类桩。半刚性桩中水泥掺入量的大小将直接影响桩体的强度。当掺入量较小时，桩体的特性类似柔性桩;而当掺入量较大时，又类似于刚性桩，为此，它具有双重特性。

4 水泥土搅拌桩复合地基中的应用

4.1 布桩形式的选择及加固范围的确定

搅拌桩的布桩形式对加固效果有较大的影响，根据拟建工程地质条件、上部结构的荷载要求以及现阶段深层搅拌法的施工工艺和设备，搅拌桩一般采用柱状、壁状、格栅状和块状四种布桩形式。

柱状。在所要加固的地基范围之内，每间隔一定的间距设置1根搅拌桩，即成为柱状加固形式。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，采用柱状加固形式并适当增大桩长，放大桩距，可以减小群桩效应。

壁状和格栅状。将相邻搅拌部分重叠搭接即成为壁状或格栅状布桩形式。一般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。在深厚软土地区或土层分布不均匀的场地，上部结构的长宽比或长高比大，刚度小，易产生不均匀沉降的多层砖混条形基础，采用格栅式加固形式使搅拌桩在地下空间形成一个封闭整体，可提高整体刚度，增强抵抗不均匀沉降的能力。

块状。将纵横两个方向相邻的搅拌桩全部重叠搭接即成为块状布桩形式，它适用于上部结构荷载面积大，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，也可以采用块状布桩形式。搅拌桩按照其强度和刚度是介于刚性桩和柔性桩之间的一种桩形，但其承载性能又和刚性桩相近，因此在设计搅拌桩的加固范围时，可只在上部结构的基础范围内布置，不必像柔性桩那样在基础之外设置围护桩。布桩的形式可为正方形、正三角形等多种形式。布桩时摩擦桩必须考虑群桩效应，桩距不宜过小。目前，搅拌桩的桩径大多在φ500～700mm。由于基础宽度的限制，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φ400mm左右；二是在基础和搅拌桩的桩顶之间设置150～300mm厚的粗粒材料垫层拉开桩距；三是增加桩长，减少桩数，增大桩距。实践证明，采用以上措施是有效的。复合地基中，搅拌桩的桩距不宜小于2d(d为桩径)。

4.2 水泥土搅拌桩沉降变形

影响水泥土搅拌桩沉降的主要因素：桩长对沉降的影响水泥土搅拌桩的强度和压缩模量介于刚性桩和柔性桩(散体材料桩之间。桩顶荷载通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递给土体，同时桩体发生侧向膨胀，且主要发生在桩顶以下一定长度范围内，该段桩体是水泥土搅拌桩的主要受力区。水泥土搅拌桩的主要破坏形式是桩体的环向拉伸导致沿径向开裂破坏。此外，桩体也可能发生压碎破坏。当地基中的滑动面穿过桩体时，还有因剪切破坏导致断桩的情况。研究表明，水泥土搅拌桩存在临界桩长，超过临界桩长，增加桩长并不能减少地基沉降。

[1]叶观宝.地基加固新技术，机械工业出社，2002

[2]李宁,韩煊.褥垫层对复合地基承载机理的影响,土木工程学报,2001