陈依俤
引言:
水泥攪拌桩是指软基处理的一种有效形式,是一种将水泥作为固化剂的主剂,利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌,使水泥与土发生一系列物理化学反应,使软土硬结而提高地基强度。水泥搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土(软塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉细砂(松散、中密)、中粗砂(松散、稍密)、饱和黄土;不适用于含大孤石或障碍物较多且不易清楚的杂填土、欠固结的淤泥和淤泥质土、硬塑及坚硬的黏性土、密实的砂类土,以及地下水渗流影响成桩质量的土层。水泥搅拌桩按主要使用的施工做法分为单轴、双轴和三轴搅拌桩。
一、工程概况
浙江绿欧智能科技有限公司拟建的3#车间,占地152m(8m×19)×64m(16m×4),柱网为8m×16m地上两层。一层层高10m,为钢框架结构,地面活荷载为3t/m2;二层层高5.9m(檐口高度),为轻型屋面门式刚架结构,楼面活荷载为0.5t/m2。基本风压为0.6KN/m2,地面粗糙度为A类;基本雪荷载为0.35KN/m2;抗震设防烈度为6度,场地土类别为Ⅳ类,调整后的地震动峰值加速度为0.0625g,地震动加速度反应谱特征周期为0.75s。
地下水位为1.0m,设计基础埋深为d=1.20m。
(二)地基处理设计
2.2.1确定水泥搅拌桩复合地基承载力特征值fspk
⑴选择水泥搅拌桩类型
工程桩采用三轴水泥搅拌桩φ650@450mm,桩截面面积Ap=0.8655m2,桩周长μp =4.0271m,桩长L=12.5m(桩顶标高为-1.600m),褥垫层厚度取300mm,布桩间距@1.10m×2.0m;水泥掺入量为20%,水灰比为0.45,桩身水泥土强度fcu=1.8Mpa。
地面桩采用单轴水泥搅拌桩φ500mm,桩截面面积Ap=0.1963m2,桩周长μp =1.57m,桩长L=6.0m(桩顶标高为-0.600m),褥垫层厚度取300mm,布桩间距@1.0m×1.0m;水泥掺入量为15%,水灰比为0.45,桩身水泥土强度fcu=1.6Mpa。
⑵确定单桩承载力特征值Ra
①按桩体材料所提供的单桩承载特征值:桩身强度折减系数η=0.25
工程桩:Ra=ηfcuAp = 0.25×1800×0.8655 = 389.5KN
地面桩:Ra=ηfcuAp = 0.25×1600×0.1963 = 78.5KN
②按桩端、桩侧摩阻力计算单桩承载力Ra:桩端端阻力发挥系数αp=0.5
工程桩:Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 4.0271×(6×4+5×6.7+4.5×1.8)+0.5×40×0.8655 = 281.5 KN
地面桩:Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 1.57×(6×0.9+6×4.1+5×1)+0.5×55×0.1963 = 60.3 KN
综合以上①、②,可确定单桩承载力特征值Ra取值如下:工程桩:Ra= 281.5KN,地面桩:Ra= 60.3KN。
⑶确定桩土面积置换率m
工程桩:m = Ap/s1s2 = 0.8655/(1.1×2.0)= 0.3934
地面桩:m = Ap/s1s2 = 0.1963/(1.0×1.0)= 0.1963
⑷确定水泥搅拌桩复合地基承载力特征值fspk
单桩承载力发挥系数λ=1.0,桩间土承载力发挥系数β=0.8
工程桩:fspk = λmRa/Ap+β(1-m)fsk = 1.0×0.3934×281.5/0.8655+0.8×(1-0.3934)×50 = 152Kpa 则设计计算取值为fspk = 150Kpa
地面桩:fspk = λmRa/Ap+β(1-m)fsk = 1.0×0.1963×60.3/0.1963+0.8×(1-0.1963)×50 = 92.4Kpa 则设计计算取值为fspk = 90Kpa
2.2.2计算地基承载力
⑴选择柱下独立基础截面尺寸
基础截面宽度b=3.0m,基础截面长度l=5.2m,基础截面面积A=15.6m2,基础埋深d=1.2m,地下水位为1.0m。
⑵计算修正后的复合地基承载力特征值fsp
基础埋深承载力修正系数ηd=1.0,基础底面以上土的加权平均重度:
γm=(20×1.0+(20-10)×0.2)/1.2=18.33KN/m3
fsp = fspk+ηdγm(d-0.5)= 150+1.0×18.33×(1.2-0.5)= 162.8 Kpa
⑶地基承载力验算
基础自重和基础上的土重:Gk =γmAd = 18.33×15.6×1.2 = 343.2KN
地面堆载产生的附加重量:Qk = 30×15.6 = 468KN
Wx=bl2/6=3.0×5.22/6 = 13.52m3 Wy=b2l/6=3.02×5.2/6 = 7.8m3
①Mxmax的标准组合:Mx=271KNm My=0 Vx=0 Vy=47KN N=1128KN
Pk =(Fk+Gk+Qk)/A =(1128+343.2+468)/15.6 = 124.3 Kpa
Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+271/13.52+0/7.8 = 144.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa
Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-271/13.52-0/7.8 = 104.3 Kpa>0
②Mymax的標准组合:Mx=0 My=3KNm Vx=15KN Vy=0 N=1128KN
Pk =(Fk+Gk+Qk)/A =(1128+343.2+468)/15.6 = 124.3 Kpa
Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+0/13.52+3/7.8 = 124.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa
Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-0/13.52-3/7.8 = 123.9 Kpa>0
③Nmax的标准组合:Mx=2KNm My=0 Vx=0 Vy=3KN N=1585KN
Pk =(Fk+Gk+Qk)/A =(1585+343.2+468)/15.6 = 153.6 Kpa
Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 153.6+2/13.52+0/7.8 = 153.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa
Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 153.6-2/13.52-0/7.8 = 153.5 Kpa>0
综合以上①、②、③,可知:地基承载力验算满足要求(最不利组合为Nmax)。
⑷软弱下卧层验算
由于三轴水泥搅拌桩(工程桩)持力层为②2层淤泥,桩端以下不存在软弱下卧层,故无需进行软弱下卧层验算。
⑸沉降计算
ζ= fspk/fak =150/50=3
Es=(3.0×4+2.47×6.7+1.68×1.8)/12.5=2.53 Mpa
则复核地基土层的压缩模量:Esp=ζEs=3×2.53=7.59 Mpa,复核地基土层厚度为12.9m。
地基变形计算深度估算:zn = b(2.5-0.4lnb)= 3.0×(2.5-0.4×ln3.0)= 6.2m
查《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)表5.3.7可得:△z = 0.6m
准永久荷载组合时基础底面处的附加压力值:Po = 1186/3.0/5.2+30 = 106 Kpa
① 分层总和法计算出的地基变形量如下表:(l/b = 5.2/3.0 = 1.73)
②
③ ②验算地基变形计算深度zn
△sn' / ∑△si' = △sn' / si' = 0.70/44.7 = 0.016 ≤ 0.025,满足要求。
③沉降计算经验计算系数ψs
Po = 106 Kpa<0.75fak = 0.75×150 = 112.5 Kpa
Es' = ∑Ai / ∑(Ai / Esi)= 0.80042/(0.78792/7.59+0.0125/7.59)= 7.59 Mpa
查《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)表5.3.5可得:ψs = 0.678
④地基最终变形量 s
s = ψs s' = ψs∑ p0(ziαi - zi-1αi-1)/ Esi = 0.678×44.7 = 30.3mm
三、经济比较
⑴PHC预应力管桩+无梁板地面方案
工程桩采用PHC600-130-A,持力层为⑤2-1层 粉质黏土,单桩承载力特征值为1500KN,桩长约为55m,柱下为双桩承台(1.2m×3.3m×1.5m(厚度));地面桩采用PHC500-125-A,持力层为④1层黏土,单桩承载力特征值为650KN,桩长约为40m,布桩间距为@4m×4m。
⑵水泥搅拌桩处理方案与PHC预应力管桩+无梁板地面方案进行经济分析,具体如下表:
由上表可知,浙江绿欧智能科技有限公司拟建的3#车间基础及地面处理总造价,水泥搅拌桩处理方案比PHC预应力管桩+无梁板地面方案每平方可节约:
(132519-75309)/(16×8)= 447 元/m2(按一层建筑面积计算)。
结语:
根据当地工程经验,水泥搅拌桩对地基土的加固效果良好,沉降均匀,质量可靠稳定。由此可见,水泥搅拌桩是一种具有工程造价低、处理效果好、质量易控制、施工工艺受环境制约少的成熟地基处理技术,在软土场地施工中有较高的推广意义。
(作者单位:福建省机电建筑设计研究院)