水泥土复合管桩复合地基技术及应用

卜发东，宋义仲，李建明，程海涛

（山东省建筑科学研究院，山东 济南250031）

水泥土复合管桩复合地基技术及应用

卜发东，宋义仲，李建明，程海涛

（山东省建筑科学研究院，山东 济南250031）

水泥土复合管桩复合地基是一种新的地基形式，其兼具水泥土桩与预应力高强混凝土管桩的优点，有利于实现其与地基土的变形耦合，达到共同承担上部荷载的目的。文章结合山东聊城金柱大学城A区工程实例，提出了水泥土复合管桩复合地基的施工技术；并通过桩身质量与桩位偏差、静荷载试验，对水泥土复合管桩复合地基的应用进行研究。结果表明:采用的施工机械具有施工速度快、水泥土桩搅拌均匀、钻头故障率低等优点，满足加固深度范围内土体搅拌次数要求，其施工工艺能够较好的指导施工；水泥土芯样立方体抗压强度大于3.5 MPa，桩位偏差小于110 mm，满足设计和规范要求；复合地基承载力特征值为330 kPa，单桩承载力特征值为1050 kN，满足设计要求；水泥土复合管桩复合地基比原桩基础节约资金11.1%～12.7%。

水泥土复合管桩；复合地基；工程应用；施工技术

0 引言

在软弱地基处理中，桩基的应用常常是首选方案之一，而在桩土共同作用的研究中，考虑桩土共同承担外荷作用的复合地基是一种较好的地基处理方法。20世纪30年代复合地基技术起源于欧洲。目前，不少地基处理方法是通过形成复合地基以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。王国体等［1］对软弱地基处理所应用的复合地基理论，结合工程应用进行了相关公式的推导，给出了复合地基承载力计算的修正公式。叶书麟等详细介绍了当前国内外地基处理的新技术，如砂垫层、素土垫层、粉煤灰垫层、矿渣垫层、聚苯乙烯板块（EPS）、强夯法和强夯置换法、碎石桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、堆载预压法、真空预压法、灌浆法、高压喷射注浆法、水泥土搅拌法、土工合成材料、托换技术［2］。雷华阳简要介绍了复合地基技术研究概况，对复合地基的发展趋势提出了几点看法［3］。郑刚等研究了水泥土搅拌桩复合地基承载力的判定标准，给出了复合地基工作机理及承载力判定标准建议［4］。任振甲总结了双灰桩在处理软弱地基中的经验，并进一步提出了改进意见［5］。谷美生等对振冲碎石桩的加固机理、设计、计算及使用中应注意的问题作了介绍［6］。随着地基处理技术的不断发展和在土木工程建设中应用的推广，复合地基技术也在不断的发展，它的推广使用产生了良好的社会效益和经济效益。目前在工程实践中广泛应用的主要有:砂桩复合地基、碎石桩复合地基、石灰桩复合地基、水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基等，复合地基呈现多样式发展。

水泥土复合管桩是近几年发展起来的一项新技术，其由外围高压喷射搅拌的水泥土桩与同心植入的预应力高强混凝土管桩通过尺寸、材料强度优化匹配复合而成［7］。水泥土复合管桩具有预应力高强混凝土管桩桩身材料强度高与水泥土桩桩侧阻力大的优势［8］，它既能够有效的提高地基土的承载力，减小沉降，又能够充分发挥材料本身的强度，是一种经济有效的地基处理方法［9-13］。由水泥土复合管桩组成的复合地基（水泥土复合管桩复合地基）是一种新的地基形式，能够通过调整水泥的掺入量、预应力高强混凝土管桩的型号、尺寸来实现与地基土的变形耦合，达到共同承担上部荷载的目的，具有广阔的应用前景。但国内尚无关于水泥土复合管桩复合地基工程应用的研究，制约了其技术进步与发展。文章结合山东聊城金柱大学城A区工程实例，提出了水泥土复合管桩复合地基的施工技术，并对水泥土复合管桩复合地基的应用效果和可靠性进行分析和验证。

1 工程概况

山东聊城金柱大学城A区工程21＃、23＃高层住宅楼均为主体地上十九层，设两层地下室，剪力墙结构，±0.000相当于绝对标高32.200 m，基底相对标高-6.700 m。现场地面绝对标高约31.700 m。各栋楼筏板平面尺寸、桩顶以上空孔深度见表1。

表1 建筑物筏板平面尺寸

建设场地所处地貌类型为鲁西黄河冲积平原，土层形成的地质年代为第四系，物理力学指标见表2。地下水类型为第四系孔隙潜水，埋深4.00 m，拟建建筑物周边无影响桩基施工的地下管线。自然地面相对标高约-0.500 m，地基土自上而下分为8层，如图1所示。

表2 各层土物理力学指标

图1 地层剖面图／m

2 地基设计

工程原设计采用高强预应力管桩—筏板基础，但该桩型单位承载力造价高，而水泥土复合管桩兼具高强预应力管桩与水泥土桩的优点，具有造价低、承载力高等特点，因此将原设计方案改为水泥土复合管桩复合地基，水泥土复合管桩所处地层如图1所示。经设计计算，设计参数见表3。根据设计参数，采用的水泥土复合管桩构造如图2所示。

表3 水泥土复合管桩复合地基设计参数

图2 水泥土复合管桩结构图／mm

根据设计文件，水泥土复合管桩施工时应满足如下要求:

（1）施工作业面高于桩顶设计标高0.5 m以上，外围水泥土桩施工至桩顶设计标高以上0.5 m；

（2）桩位放线偏差不得大于10 mm；

（3）采取跳打措施增加相邻桩施工时间间隔，间隔时间不宜少于1 d；

（4）拌制水泥浆在2 h内用完，因故停浆时，应在恢复供浆后把喷头下沉或上提至停浆点以下或以上0.5 m处再次喷浆提升或下沉；

（5）管桩在外围水泥土桩施工完成后2 h内压入。水泥土复合管桩复合地基置换率为8.7%，则有91.3%的基底面积的桩间土承担了绝大部分水平荷载而桩承担的水平荷载则占很小一部分，且基础下桩间土的面积与使用的桩间土承载力之积是一个可观的数值，这样桩的数量可大大减少［14］。因此，21＃、23＃楼布桩分别由高强预应力管桩—筏板基础的244、231根桩减少至水泥土复合管桩复合地基的169、166根桩，具体布桩如图3所示。

3 水泥土复合管桩施工技术

3.1 施工设备

水泥土桩施工机械采用履带式桩架，与立柱平行设置的钻杆顶端设置高压旋喷水龙头、动力头，钻杆底端设置搅拌翅、水平向喷嘴、钻头，钻杆通过高压旋喷水龙头与注浆设备连接；管桩施工机械可采用静力压桩机，管桩施工前需要进行二次定位，以确保水泥土桩和管桩同心。桩机及相关配套设备的型 号与用途见表4。

图3 复合地基桩位分布图

表4 施工设备

工程所采用的水泥土桩施工机械和管桩施工机械，如图4所示。首先由水泥土桩施工机械按照设计参数来完成高喷搅拌水泥土桩的施工，然后由静力压桩机按照静压管桩的施工步骤完成管桩在水泥土桩中的同心植入施工。

为了确保成桩直径，使土体切削搅拌更加均匀，在钻杆上设置了外径为700 mm的断续螺旋片式搅拌翅，水泥土桩机钻杆底端设置了带6片搅拌翅并具有喷射功能的特制钻头，在钻头上安装4个直径为2.4 mm的喷嘴，水泥土桩机主要性能指标见表5。

图4 水泥土复合管桩施工机械图

表5 水泥土桩机性能指标

按照设计水灰比制备水泥浆，水泥浆应搅拌2 min以上，并在2 h内用完，采用20目以上滤网进行三级过滤，防止未搅匀的水泥粗颗粒堵塞喷嘴，如图5所示。如发现泥浆泵压力跳动较大等异常现象，宜停止施工，查找原因，排除故障后再进行水泥土桩施工。

图5 水泥浆三级过滤系统图

3.2 施工参数

采用上述设备施工时，施工参数见表6。

制桩质量的优劣直接关系到地基处理的效果。水泥土桩施工应确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过20次以上的搅拌，并且施工中应严格控制喷浆提升速度。按照JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》［15］分别对每遍搅拌次数和喷浆提升速度验算，由式（1）表示为

式中:N为每遍搅拌次数；h为搅拌叶片的宽度，m；β为搅拌叶片与搅拌轴的垂直夹角，°；∑Z为搅拌叶片的总枚数；n为搅拌头的回转数，rev／min；V为搅拌头的提升速度，m／min。

计算结果N＞20，满足加固深度范围内土体搅拌次数要求，因此采用上述参数进行施工是合理的。

表6 施工参数

3.3 施工工艺

工程使用的水泥土桩施工机械具有施工速度快、钻头故障率低等优点。根据该型机械的特点形成了适用于其施工的工艺，具体施工工艺如图6所示。在水泥土初凝前沉管桩，送桩至设计标高，施工工艺如图7所示。

各工艺流程工作内容及控制要点如下:

（1）水泥土桩施工机具就位、调平

检查注浆泵、空气压缩机、水泥浆搅拌桶、储浆桶、高压旋喷水龙头、喷嘴等机具的性能指标是否符合施工要求，检查输气管、输浆管连接是否严密，将桩机移至桩位并对中、调平。水泥土桩机就位时，必须再次复核桩位；调平时可采用机械自带水准泡、线坠等。由现场技术人员检查确认无误后方可开机作业。

图6 水泥土桩施工工艺图

图7 管桩施工工艺图

（2）制备水泥浆

启动水泥浆搅拌桶，制备水泥浆。现场所用的水泥品种、强度等级、水灰比、外掺剂的种类及掺量应符合设计要求，不得使用过期的和受潮结块的水泥。水泥浆应经过三级过滤后方可使用，每根桩测试水泥浆比重不少于3次。

（3）高喷搅拌钻进下沉

启动注浆泵、空气压缩机、储浆桶、桩机等施工机具设备，浆液压力、气压等施工参数应符合高喷搅拌的钻进下沉施工要求，喷射钻具开始自钻式下沉至设计深度。

钻进下沉前，必须人工开挖或用钢筋触探，确保桩位处无妨碍钻进的大块石头或建筑垃圾；钻进下沉前，必须试喷水，看喷嘴是否正常。

（4）高喷搅拌提升

喷射钻具在设计深度处喷浆搅拌30 s后方可开始提升，提升过程中钻杆提升速度、钻杆旋转速度、浆液压力、气压等施工参数应符合高喷搅拌的提升施工要求，并始终保持送浆连续，中途不得间断。提升时，经常检查提速，并做好记录。

（5）复搅复喷

重复前述作业，对需复搅复喷段进行高压喷射搅拌的下沉与提升。一般情况下，桩顶和管桩底端附近水泥土应复搅复喷。

（6）关闭高喷搅拌设备

关闭注浆泵、空气压缩机等设备。

（7）移走水泥土桩施工机具，采用全站仪二次定位，管桩施工机具就位、管桩定位调直。

（8）水泥土初凝前沉桩、接桩、送桩至设计标高。

植桩时允许少量水泥土挤出；应采取措施保证垂直度。

（9）移位，进行下一根桩施工。

根据现场施工数据统计结果，采用上述工艺施工时，水泥土桩平均施工效率为0.75 h／根，返土约1 m3，返土量为钻孔体积的15.3%，返土较干燥，无泥浆污染，采用该施工工艺施工水泥土桩是合理的。

3.4 技术难点及处理措施

水泥土桩机在施工中遇到的问题主要有如下几个方面，针对问题特点，结合工程实际，提出了相应的处理措施。

（1）螺旋片夹泥

处理措施:当开始一根水泥土桩的施工时，随着钻进深度的增加，采用人工的方式及时清理螺旋片上的水泥土，可以每天清理一次，这样水泥土在螺旋片上就不会累加。

（2）遇有较硬地层时，水泥土桩与管桩不同心

处理措施:遇到较硬地层时，可以多钻进几遍，经过钻头的多次切割，可以将钻杆调直，保障水泥土桩的垂直度，确保水泥土桩与管桩同心。

（3）钻头磨损

处理措施:钻头磨损2～3 cm后，在当天施工任务完成后及时在钻头上补焊耐磨金属。

4 工程应用效果分析

4.1 桩身质量与桩位偏差分析

采用软取芯法检验水泥土强度，在标准养护条件下28 d龄期的立方体抗压强度均大于3.5 MPa，满足设计要求。

基坑开挖后观察桩位横成排、竖成列，无明显凸出于筏板外侧的桩，如图8所示。测量桩位偏差小于110 mm，桩径大于700 mm，桩位的施工偏差小于桩径的±40%，满足JGJ 79—2012［15］的要求。

图8 桩位分布图

4.2 静载试验

每栋楼选取3点做单桩复合地基静载荷试验，选取1点做复合地基增强体单桩竖向抗压静载荷试验。单桩复合地基静载荷试验时，选用方形承压板，承压板边长为2.1 m，在承压板底面以下铺设中砂垫层，垫层厚度为100 mm。单桩竖向抗压静载试验曲线是缓变性曲线，如图9所示。单桩复合地基静载荷试验压力—沉降曲线是平缓的光滑曲线，如图10所示。

图9 单桩静载荷试验曲线图

根据JGJ 79—2012［15］，当s／b＝0.008，即沉降量为16.0 mm时，对 应 的 荷载 值 为487.7～660 kPa，且按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半，因此复合地基承载力特征值为330 kPa。

根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》［16］，桩顶总沉降量s＜40 mm，因此取最大加载量的一半为单桩承载力特征值，即单桩承载力特征值为1050 kN，满足设计要求。

静载试验完成后，由图9和10得到的试验结果见表7。

图10 单桩复合地基载荷试验曲线图

表7 静载试验结果

由表7可知，复合地基承载力特征值为330 kPa，单桩承载力特征值为1050 kN，满足水泥土复合管桩复合地基设计要求（见表3）。

4.3 经济分析

为了比较水泥土复合管桩复合地基与原设计方案在工程中的经济优势，将原设计方案造价与复合地基设计方案造价对比（筏板厚度未发生变化，不参与比较），见表8。

由表8可知，水泥土复合管桩复合地基比原设计方案节约资金11.1%～12.7%，经济上具有明显优势，更加合理。

表8 复合地基与桩基础造价对比

5 结论

通过上述研究表明:

（1）水泥土复合管桩复合地基施工机械具有施工速度快、水泥土桩搅拌均匀、钻头故障率低等优点，满足加固深度范围内土体搅拌次数要求。根据该型机械特点形成的施工工艺能够较好的指导施工。

（2）水泥土芯样立方体抗压强度大于3.5 MPa，满足设计要求；桩位偏差小于110 mm，满足规范要求。

（3）水泥土复合管桩成桩质量好，复合地基承载力特征值为330 kPa，单桩承载力特征值为1050 kN，单桩复合地基承载力特征值与单桩承载力特征值均满足设计与规范要求，水泥土复合管桩复合地基取得了良好的应用效果。

（4）水泥土复合管桩复合地基相比原设计的预应力管桩—筏板基础具有明显的技术优势与经济优势，节约资金11.1%～12.7%。

参考文献：

［1］ 王国体，方诗圣，潘恒芳.复合地基理论与其工程应用［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2000，23（6）:1009-1013.

［2］ 叶书麟，韩杰，叶观宝.地基处理与托换技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，1994.

［3］ 雷华阳.复合地基应用进展和发展趋势［J］.岩土工程技术，2002（5）:260-264.

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［5］ 任振甲.双灰桩在处理软弱地基中的应用与分析［J］.建筑结构，1994（1）:35-38.

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［12］顾士坦，施建勇，王春秋，等.劲性搅拌桩芯桩荷载传递规律理论研究［J］.岩土力学，2011，32（8）:2473-2478.

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［14］龚晓南.复合地基发展概况及其在高层建筑中的应用［J］.土木工程学报，1999，32（6）:3-10.

［15］JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［16］JGJ106—2014，建筑基桩检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2014.

（学科责编：赵成龙）

Technology of pipe pile embedded in cement soil com posite foundation and its application

Bu Fadong，Song Yizhong，Li Jianming，et al.
（Shandong Academy of Building Research，Jinan 250031，China）

Composite foundation of pipe pile embedded in cement soil is a new type of foundation，and ithas the advantages of cement soil pile and pipe pile，can be deformed with the foundation soil at the same time，and can bear the upper load together with the foundation soil.By combining with the Shandong Liaocheng Jinzhu University town area as an engineering example，the construction technology of composite foundation of pipe pile embedded in cement soil is proposed.Through the quality of pile and the deviation of pile and static load test，the application of cement soil composite pipe pile composite foundation is studied.The results show that the construction machinery used has the advantages of fast construction speed，uniform mixing of cement soil pile and low failure rate of drill bit.It canmeet the requirementof soilmixing in strengthening depth range，and according to the construction characteristics of this type ofmechanical technology，it can better guide the construction.The compressive strength of cement soil sample is more than 3.5 MPa，which meets the design requirements；the deviation of pile position is less than 110mm，which meets the requirement of the code.The characteristic value of bearing capacity of composite foundation is 330 kPa.The characteristic value of single pile bearing capacity is 1050 kN，its index meets the design requirements，and compared with the pile foundation，composite foundation of pipe pile embedded in cement soil saving is 11.1%～12.7%，which has achieved good results.

pipe pile embedded in cement soil；composite foundation；engineering application；construction technique

TU 447

A

1673-7644（2017）03-0276-08

2017-04-09

卜发东（1973-），男，研究员，博士，主要从事地基处理等方面的研究.E-mail:752615027＠qq.com