水泥土搅拌桩复合地基的承载力与变形分析

李恩瀚

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510000）

1 引言

水泥搅拌桩主要是利用水泥与软黏土中的水发生水解和水化反应，反应的结果使软土中大量的自由水被吸收成结晶水并固定下来，从而形成具有一定强度的柱体，起到加固地基的作用。成桩后，桩体与桩间土共同形成复合地基，桩的承载力主要依靠桩体自身强度提供。

在工程施工中，水泥土搅拌桩复合地基具有十分广泛的应用范围，能够对素填土、杂填土、黏土、砂土与淤泥质土等软弱基地进行加固，并取得十分显著的成效，且施工成本较低，施工便捷，因此，在工程中的应用日益广泛。随着水泥土搅拌桩在一些脆弱地基加固中的应用，一些有关于施工技术的实验与计算方法也应运而生，目前，复合地基承载力已经成为工程界的重点研究内容。

2 水泥土搅拌桩复合地基的受力原理及承载力计算

复合地基是由水泥土搅拌桩与土层共同承担来自上部结构产生的压力，桩体与桩间土之间有很强的作用力，能够承受较大的荷载，根据笔者对参与过的项目的统计分析，通常情况下水泥土搅拌桩的单桩承载力可达到100 kPa，复合地基的承载力可达到70 kPa。由于通常在水泥土搅拌桩的上方还会设置10～30 cm 的褥垫层（材质一般为碎石和砂），并且水泥土搅拌桩与褥垫层是相互独立的结构，因此，大部分的水平载荷由褥垫层承担，水泥土搅拌桩所承担的水平载荷的比例较小[1，2]。总体来说，水泥土搅拌桩在复合地基中主要由桩体与桩间土共同承担来自上部结构的竖向荷载，在计算复合地基的承载力时，应先计算单桩承载力，再将单桩承载力数值带入复合地基承载力计算公式计算得出复合地基的承载力特征值：

式中，RA为单桩承载力特征值，kN，需同时满足以式（1）和式（2）；μp为水泥搅拌桩横截面的周长；qsi为桩周第i 层土的侧阻力特征值，kPa；li为桩长范围内第i 层土的厚度，m；a 为桩端天然地基土的承载力折减系数；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa；Ap为桩的横截面面积；n 为桩长范围内所划分的土层数；η 为桩身强度折减系数；fcu为标准养护条件下90 d 龄期桩体的抗压强度平均值，kPa；fspk为复合地基的承载力特征值；m 为桩土面积置换率；Ra为单桩承载力特征值，kN；β 为桩间土的承载力折减系数；fsk为地基处理后桩间土承载力特征值，kPa，宜按当地经验取值，当无经验时，可取天然地基承载力特征值。

3 水泥土搅拌桩与地基沉降变形的分析

首先，是水泥土搅拌桩桩长对地基沉降的影响。水泥土搅拌桩是半刚性材料，在载荷的作用下，桩顶以下一定长度范围内的桩体会出现侧向膨胀，通常将该膨胀范围划定为主要受力区。结合主要受力区的长度，可以确定临界桩长。水泥土搅拌桩的长度达到临界桩长时，能够减缓土层沉降速度，桩长大于临界桩长时，地基不再出现明显的地基沉降变形[3]。其次，是桩体的水泥掺入量对地基沉降变形的影响。通过观察沉降变形随水泥掺入量的变化曲线能够清楚地看出，当水泥掺入量小于15%时，曲线的斜率较大，桩体对减小地基沉降变形的作用明显；但是当水泥的掺入量在15%以上时，曲线斜率平缓，表示水泥的掺入量增加对地基沉降变形的控制效果不明显。再次，是地基土的置换率与加荷速度对地基沉降变形的影响。增加置换率会明显降低地基变形率；合理控制加荷速度，能够减小土体中的超静孔隙水压力，避免地基出现孔隙水压力过大的情况，能够有效减小工后沉降。此外，桩间土层条件、桩体上部是否进行加固处理，以及桩体与土体的界面情况，都会对地基的沉降变形产生影响[4]。

4 水泥土搅拌桩承载力不足的原因分析

导致水泥土搅拌桩单桩承载能力不足的原因主要有以下4 点：（1）没有将桩端嵌入持力层，一般还会伴随着桩身长度设计不足的情况出现。（2）水泥土搅拌桩的桩身质量较差，在实际施工过程中由于搅拌不均匀、复搅次数少、水灰比偏大等因素的影响，导致桩体质量不合格[5]。（3）桩顶以下3 倍桩径范围内的桩体质量差。由于这一部分是桩体的主要受力区，若施工质量无法保证，会严重影响桩体的承载力。（4）由于土质性能的影响，例如，当土壤中有机质与含水量较高，或者酸性物质过多时，会导致地基承载力不足。

导致复合地基承载力不能达到标准的主要原因有以下2 点：（1）水泥土搅拌桩的桩身质量较差，桩体的实际指标没有达到设计要求；（2）桩间的土质较差，无法充分发挥桩土共同作用的效果。

5 提升水泥土搅拌桩承载力的施工措施

为了避免水泥土搅拌桩复合地基的施工质量问题，需要加强施工过程控制，在勘察、设计、施工与管理中加强重视，并且明确每一个环节中需要重视的问题。

在勘察阶段要重视以下4 个问题：（1）精确确定各土层的厚度及成分。（2）勘察施工区域内软土层的分布范围。在勘察过程中，可以采用钻探与静力触探技术。当被软土层或地层出现较大的起伏时，可以适当加密勘探点。（3）完善现场的测试取样以及试验环节，重点探测地下水深以及地下水的pH 值，加固土层的含水量、固结程度、塑性指数以及其中的有机质含量等。（4）落实详细的复合地基处理方案，判断成桩的可行性以及在施工过程中的注意事项。

在施工阶段要重视以下2 个问题：（1）做好施工前的准备工作。施工主要负责人要仔细审核施工单位提供的施工方案，评估施工方案是否具有可行性。保证所有设备能够正常使用，使用的自动记录仪，必须符合国家计量部门的标准与认证，在施工过程中能够进行自动记录并控制施工过程中的水泥浆用量、钻进速度、桩场施工以及承装时间等一系列的参数。（2）施工过程控制。首先，要进行试验桩视施工。通过试验桩的施工，能够对整体工程水泥搅拌桩施工提供依据与指导。在试桩施工过程中，要充分了解施工区域的地质环境，尽量选择条件最具有代表性的地段来开展试桩工作，检查桩体在复杂地形中的承载能力。其次，在确定桩位、桩径、控制桩长时，要按照施工标准以及设计要求进行。最后，要注意控制搅拌与喷浆过程，现场的管理人员要对各项工艺进行严格的把关，并且实时监督各项工艺的执行情况，避免出现水灰比过大、搅拌不均匀以及桩长不够等情况，影响桩体的整体施工质量。

6 水泥土搅拌桩复合地基承载力与变形特征的检验方式

6.1 单桩复合地基静载荷检测方法

该方法能够检测复合地基的承载能力。试验过程为：使用压重平台反力载荷装置，通过叠加沙堆提升载荷，加载过程中，要使用钢梁均匀地将配重物放置在加载平台上。然后，将钢制的承压板放置在平台中心位置下的桩顶上，将千斤顶作用在承压板上，活塞与主梁连接，使承压板中心、平台中心千斤顶的底面中心与水泥土搅拌桩形成一条垂线，保证受力均匀以及垂直度。在增加载荷时，利用压重平台形成反作用力，使用千斤顶在承压板上逐级加压。将最大的载荷值设置为标准承载力的2 倍，荷载分级为最大荷载能力的1/10，在每一级荷载加载完成后，要间隔30 min，使用JCQ-503 静荷载自动测试仪进行1 次测读。当沉降变形数据相对稳定后，再增加下一级荷载，直到达到标准载荷值。卸载级数是加载级数的1/2。每间隔30 min 卸一级，并且记录回弹量。当卸载全部载荷之后，每间隔3 h 记录回弹量。

6.2 单柱竖向承载力检测方法

该方法能够检测单桩竖向抗压承载力。主要操作方式是在单桩顶部逐渐增加竖向载荷，上部桩身受到压缩后会出现向下的位移，桩侧表面会产生向上的摩擦阻力，随着桩顶荷载的不断增加，桩身的压缩变形与位移量也会逐渐增大。检测过程中用到的测量仪器主要有千斤顶、JCQ-503 静荷载自动试验仪等。

具体的检测过程为：将千斤顶作用于桩顶，设计最大的载荷值为标准载荷值的2 倍，分级加载的荷载大小取最大载荷的1/10。第一级按2 倍的分级荷载，逐渐增加荷载。在增加荷载之后分别间隔5 min、10 m in、15 min 进行测读。累计1 h 后，每隔30 min 进行一次测读，在相对稳定之后，施加下一级的荷载。每级卸载值为加载值的1/2。在卸载之后，每隔15 min 进行1 次测读，测读2 次之后，隔30 m in 进行1 次测读，卸载1级荷载，当卸载全部荷载时，间隔3～4 h 进行1 次测读。

7 结语

水泥土搅拌桩复合地基具有广泛的使用范围。但是，在实际施工中的各个环节还存在着不足。在静载试验中，一旦出现承载力不足或其他现象，就要在试验结束后检查桩身，明确桩顶是否被压坏，也可以通过低应变检测检查是否在桩身的某个部位出现了破损。使用低应变检测要在静载试验之前开展，在静载试验的过程中，可能影响桩基的初始状态，从而对低应变检测的质量与检测的结果的准确度造成影响。在复合地基的静载试验过程中，最大加载量不一定要精准地等于复合地基承载能力值的2 倍，要结合桩身混凝土的强度进行相应的调整。