某水泥土搅拌桩的设计及载荷试验结果分析

王 成 春

(南京苏杰岩土勘察设计有限公司,江苏 南京 210008)



某水泥土搅拌桩的设计及载荷试验结果分析

王 成 春

(南京苏杰岩土勘察设计有限公司,江苏 南京 210008)

以某工程项目为例，对水泥土搅拌桩进行地基处理的复合地基方案进行了研究，阐述了水泥土搅拌桩的基本设计方法，并对该复合地基进行了两种不同的静力载荷试验，最后分析了两种试验得出不同结果的原因。

水泥土搅拌桩,承载力计算,单桩静载荷试验

1 工程概况

对于一个公司石化技术扩建工程项目，包括2个容积200 m3～2 000 m3的罐区、1个液化气改质装置、1个加热炉及其他配套设施。主要针对两个罐区进行地基处理设计，2个罐区包括5种类型(容积200 m3～2 000 m3)共21个罐。拟建构筑物上部随各罐容积的不同而不同，详见表1。

表1 拟建汽罐详情

2 工程地质条件及地基处理方案

依据勘探钻孔野外现场编录和土工试验成果，以及静探曲线线形特征，在勘探深度内将土体划分为6个工程地质层，10个工程地质亚层。根据场区地基土层的物理力学性质指标及原位测试成果，综合确定场区各地层的地基承载力特征值fak和水泥搅拌桩桩周土侧阻力特征值qs。此外，场地地貌类型属冲海积平原，位于地震动峰值加速度0.05g区内。勘探深度内均为Q4地层组成，场区地表平整。除局部地段分布有堆土、水塘和上部粉土层可能产生流砂现象外，无其他不良地质作用存在。亦无影响工程的地质灾害，工程场地稳定性好。工程场地地震动峰值加速度为0.05g，场地土类型属于软弱场地土，工程场地类别为Ⅳ类场地，该地段属对建筑抗震不利地段。反应谱特征周期为0.65 s，场地20 m以内无液化土层分布。水泥土搅拌法是以水泥作为固化剂的主要材料，通过深层的搅拌机械，将固化剂(浆液或粉体)和地基土强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性的一种竖向增强的水泥加固土，从而提高地基土强度并增大变形模量。根据本场地地基土的条件及拟建工程项目的特点，拟建构筑物地基基础方案以采用水泥土搅拌桩进行地基处理的复合地基为宜。

3 水泥土搅拌桩设计

3.1 参数确定

地基设计是在满足强度基础上以变形控制的，因此，水泥土搅拌桩的桩长应通过变形计算来确定，水泥土桩从承载力角度，存在有效桩长，单桩承载力在一定程度上并不随桩长的增加而增大。当软弱土层较厚，从减少地基的变形量方面考虑，桩长应穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。单桩竖向承载力特征值Ra根据JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范第7.3.3条确定。经过初算与验算设定桩长、桩径以及单桩竖向承载力特征值如表2所示。

表2 单桩竖向承载力特征值

根据Ra计算各类型罐的水泥掺入比αw、面积置换率m、桩数量n，结果见表3。

表3 各类型罐设计参数

3.2 下卧层强度验算

根据GB 50007—2002建筑地基基础设计规范验算地基承载力，结果见表4。

表4 下卧层强度验算结果

计算结果表明，设计方案满足下卧层强度要求。

3.3 水泥土搅拌桩复合地基变形验算

水泥土搅拌桩复合地基的沉降量S由两部分组成：即桩的压缩变形量S1和桩端以下土层变形量S2，计算结果见表5。

表5 沉降变形验算结果 mm

4 载荷试验

目前，水泥土搅拌桩复合地基承载力的检测方法主要有两种：一是按GB 50007—2011建筑地基基础设计规范或JGJ 94—2008建筑桩基技术规范的规定进行单桩竖向静载荷试验；另外一种是按JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范规定的复合地基静载荷试验。工程现场进行了8组单桩静载荷试验，8组单桩复合地基静载试验，用来检验水泥土搅拌桩单桩承载力与复合地基承载力之间的关系。试验结果见表6，表7。

表6所得到的单桩静载荷试验结果为实测值，均未达到设计要求，平均仅为设计值的约88%；表7复合地基静载试验结果中除2号桩低于设计值外，其余均大于设计标准值。

表6 单桩静载试验结果

表7 单桩复合地基静载试验结果

5 试验结果分析

从以上工程实例可以看出，针对水泥土搅拌桩复合地基的载荷试验，不同的试验方法得出的结论并不相同。单桩静载荷试验的结果均小于设计值，而复合地基静载荷试验的结果均大于设计值。为了寻找这种情况产生的原因，下面分别从桩体破坏特征以及桩间土的强度两个方面进行对比分析，以探讨两种试验方法的差异性。

5.1 桩体破坏特征

水泥土搅拌桩桩径较小，桩的承载力往往以侧摩阻力为主，单桩静载荷试验的终止加载条件，主要由P—S曲线出现陡降段来控制。单桩静载荷试验中，桩体应力集中于桩顶部，桩侧摩阻力随深度增加而减小。桩顶沉降主要表现为压缩变形，桩端土的影响相对最小，随着深度的增加桩位移减小，破坏发生在表面的桩体，总体表现为桩体压碎。在水泥土搅拌桩的竖向应力的影响下，桩顶的沉降包括桩身压缩变形和桩端土的压缩变形。当应力相对较小时，作用在桩顶的应力使桩身上段首先产生变形。桩与桩周土产生相对位移，并完全由二者间的侧摩阻力承担；随着应力增大，侧摩阻力逐渐发挥，桩身的轴力随着深度的增加而递减，桩身的变形也逐渐减小；当应力足够大时，桩侧摩阻力达到极限，桩端土开始受力，并产生变形，随着应力的进一步增加，变形增大，最终桩端阻力也达到极限。

复合地基是由两种不同模量的材料组成，与刚性基础在竖向荷载作用下，符合变形等效原则。因此，复合地基的应力分布，根据复合材料的弹性模量，大部分的负荷将由桩承担，桩间土的应力会相对减少。当复合地基的荷载增加到一定程度时，桩达到单桩试验的极限承载力，但桩间土尚未进入极限状态。虽然桩的变形已进入到单桩的终止加载条件状态，由于试验沉降量加入了土的变形，P—S曲线并不会出现明显的陡降段。最终桩、土相继达到其单独试验时的极限承载力。

对复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验，桩体应力和截面深度损伤的位置是不一样的。在复合地基试验中，由于基底土被压实，土对桩体上部将产生一个径向压力，使桩顶水泥土处于三向受压状态，提高了它的强度和抗变形能力，使桩身材料的破坏截面向下部移动，增加了扩散面积和影响深度，从而提高了复合地基的承载能力，而单桩的破坏面常在桩顶部。由以上分析可知单桩静载荷试验检测的结果，较复合地基静载试验检测的结果而言是偏于安全的。

5.2 桩间土的强度

首先，由于水泥土搅拌桩的强度和刚度高于桩间土，使基础底面以下的桩间土在达到极限状态时，土体破坏面受到桩的遮帘作用，而可能发展为滑动面经过桩体本身，也有可能是桩体并未达到破坏。而桩间土体克服桩的极限滑动阻力，使得滑动面绕过桩体。所以，桩间土能够承受比天然地基土较高的竖向应力。

其次，在采用水泥土搅拌桩处理过程中，桩间土受到挤压，使土体的承载力得到提高。

最后是水泥与土的水化反应使桩间土部分水分被吸收，使得桩间土的承载力有所提高。

根据现有规范计算复合地基承载力设计值不考虑桩土承载力的提高。而在复合地基静载荷试验中，桩间土承载力的提高影响了复合地基承载力的最终结果。因此，通过复合地基试验得出的承载力大于单桩和天然地基试验确定的承载力。

6 结语

本文对拟建场地情况选择水泥土搅拌桩复合地基进行了设计与计算，并对该复合地基进行两种不同的静力载荷试验，得到如下结论：

1)水泥搅拌桩对软基承载能力有较大的提高，能够满足对上部结构地基强度要求。

2)水泥土搅拌桩可有效减少被加固土体的沉降量，复合地基的沉降量以桩端以下未处理土层的压缩变形量为主。

3)两种静载试验中，单桩静载试验结果较复合地基试验结果要更偏于保守。

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The design of cement-soil mixing pile and the analysis of the load test results

Wang Chengchun

(NanjingSujayGeotechnicalSurveyandDesignCo.,Ltd,Nanjing210008,China)

Based on an engineering project as an example, this paper researched the cement-soil mixing piles as foundation treatment scheme of composite foundation. It expounded the basic design method of soil-cement mixing pile, and performed the two different types of static load test for the composite foundation. Finally, it analysed the reasons of the two experiments on different results.

cement-soil mixing pile, checking of bearing capacity, single pile static load test

1009-6825(2015)01-0063-03

2014-10-25

王成春(1972- )，男，高级工程师，国家注册土木(岩土)工程师

TU473.1

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