水泥粉喷桩在某图书馆地基处理中的试验研究

鲍丽香 郭艳华 徐一沣

（1.辽宁天合空港建设有限公司，辽宁 沈阳 110041；2.空军勤务学院机场勤务保障系，江苏 徐州 221000）

某图书馆建于1994年，框架四层，由于图书馆面积偏小、容书有限、功能局限、层高偏低，遂进行扩建。扩建工程的主体结构为框架四层（局部六层），建筑面积约4 200m2，建筑总高度为21.6m。根据建筑需要，要求加固后的复合地基承载力特征值为160kPa，单桩承载力特征值满足78.5kN。

1 工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，地层情况从上到下依次是：

（1）杂填土：颜色呈灰黄色与灰色，覆盖土层，含砖瓦、石块、炉渣等，各种土质不均匀，厚度约1.18m。

（2）粉土：颜色呈灰黄色，湿度介于湿到很湿，稍密，夹杂薄层粉质黏土，摇振反应非常迅速，干强度低，韧性也低，厚度约3.74m。

（3）粉土：颜色呈灰色，湿，密度介于稍密到中密，夹杂薄层粉质黏土，摇振反应迅速，干强度较低，韧性较低，厚度约3.61m。

（4）粉土：本层粉土呈灰色，湿，密度为中密，摇振反应较迅速，干强度不高，韧性不高，厚度约2.91m。

（5）黏土：呈灰色，可塑，切面表现光滑，干强度高，韧性高，厚度未揭穿。

各层土的物理力学性能指标及承载力见表1。

表1 地基土性能指标

2 地基处理方案选择与试验简介

2.1 地基处理方案选择

深层搅拌法是利用水泥、石灰等作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械在地基深部将软土与固化剂强制拌和，使软土与固化剂之间产生物理和化学反应，使之成为具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基，其施工顺序如图1所示。深层搅拌法按胶结剂的状态分为粉体喷射深层搅拌法（简称粉喷桩）和浆液喷射深层搅拌法（简称浆喷桩）两种。其中，粉喷桩适用于各种成因的淤泥、淤泥质土、粉土、饱和软黏土，以及含水量较高（大于18%）的黏性土地基。粉喷桩对软土地基加固明显，加固后可立即投入使用，对相邻建筑物不会产生不利影响，而且施工周期短、造价低、无振动、无噪音，对周围环境无污染。由于本扩建工程紧邻旧图书馆，加上土层含水率较大，故采用水泥粉体喷射深层搅拌法施工，即采用水泥粉喷桩加固地基。

水泥粉喷桩加固地基法的施工过程与顺序如图1所示，即（a）定位下沉、（b）沉入底部、（c）喷浆搅拌上升、（d）重复搅拌下沉、（e）重复搅拌上升、（f）完毕。用该方法形成的桩取代同体积的软土，可有效形成竖向增强体，起到置换作用，提高承载力。同时，对桩间土也有一定的挤密作用。本扩建工程最终由粉喷桩和桩间土共同组成复合地基，一起支承上部建筑物基础传来的荷载。

图1 深层搅拌法施工顺序

2.2 试验方法简介

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）规定的测试标准：为设计提供依据的试验桩，应依据设计确定的基桩受力状态采用相应的静载试验方法来确定单桩极限承载力；检测数量应满足设计要求，且在同一条件下不应少于3根。根据设计要求，本文所述图书馆扩建工程设计用桩531根，检测桩数量选取为3根。

（1）材料：采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，满足《通用硅酸盐水泥标准》（GB 175-2007）的各项指标要求，性能稳定。

（2）桩径及水泥掺入量：根据设计要求，粉喷桩长9.5m，桩径为Ф500mm，复搅长度为3m，水泥掺入量为50kg/m，偏差不大于8 %。

（3）仪器设备：JCQ型静载荷测试仪、位移传感器、GYL型测力传感器、压重平台反力装置及配重（20t/25t）、承压板（规格0.80m×0.80m）。

（4）测试原理与方法：采用接近工程实际条件的测试原理，加载时采用慢速维持荷载法（即逐级加载法），观测桩的沉降状况。当在某级荷载力的作用下，沉降达到相对稳定后，再加下一级荷载，直到预定加载值。最后，根据荷载与沉降的规律和特点，评价单桩竖向极限承载力和复合地基承载力。

3 试验结果及分析

3.1 单桩竖向极限承载力试验结果

本工程检测桩数共3根，分别是82号、210号、257号桩，总加载量为设计要求值的两倍，加载分级为15级，每级加载量为总加载量的1/10。其28d单桩竖向静载试验（荷载-沉降）汇总见表2。

表2 单桩竖向静载试验（荷载-沉降）汇总表

依据上述表格，绘制荷载-沉降（Q-s）曲线，如图2所示。

图2 单桩静载试验Q-s曲线

单桩竖向抗压承载力试验结果见表3。

表3 单桩竖向抗压极限承载力静载试验结果

试验结果表明，3根试桩最终加载量均为160kN，试桩单桩竖向抗压极限承载力按最大试验荷载值的1/2确定。本工程单桩竖向抗压极限承载力统计值为160kN，单桩竖向抗压承载力特征值为80kN，满足设计要求。

3.2 复合地基承载力试验结果

地基承载力检测点数为3点，分别是27号、66号、86号点位，总加载量为设计要求值的两倍，加载分级为15级，每级加载量约为总加载量的1/10。其28d复合地基静载试验（荷载-沉降）汇总见表4。

表4 复合地基静载试验（荷载-沉降）汇总表

依据上述表格，绘制荷载-沉降（P-s）曲线，如图3所示。

图3 复合地基静载试验P-s曲线

复合地基承载力试验结果见表5。

表5 复合地基静载试验结果

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）的规定：各试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取其平均值作为该复合地基承载力的特征值。根据上表数据结果得知，本试验中，3个试点承载力特征值的平均值为164.9kPa，实测值的极差与平均值的比值为4.2%，小于30%，完全满足规定要求，本场地复合地基承载力特征值取164.9kPa。

3.3 试验结果分析

（1）从Q-s曲线和P-s曲线可以得出三个结论：一是在荷载作用下沉降量随外荷载增加而增大，且随外荷载增加呈加剧趋势。二是曲线逐步向下弯曲，为一条平缓且光滑的曲线，没有明显的拐点。三是相邻两级荷载所对应的沉降量之比没有一定规律。另外，从复合地基P-s曲线可以看出，由于粉喷桩的加入，地基承载力得到了明显改善，说明粉喷桩发挥了重要的置换作用（置换率为25%）。（2）比较表3和表5中各桩的弹性变形，其中，所占比重最多的86号桩复合地基回弹率为41.87%，其余所占比重相对较小。这说明单桩及复合地基弹性变形占总沉降量的比例不是很大，非弹性变形是它的主要变形特征。（3）本工程设计要求单桩承载力特征值不小于78.5kN，复合地基承载力不小于160kPa。从试验结果得知，单桩竖向抗压承载力特征值为80kN，复合地基承载力的平均值为164.9kPa，均满足设计要求。试验结果也验证了本工程地基处理设计方案、施工工艺方案的可行性。

4 结语

（1）针对新、旧图书馆距离较近，使用后荷载较大等特点，本工程采用粉喷桩进行地基加固处理，取得了较好的技术和经济效果。工程全部竣工后投入使用至今已经有两年半的时间，通过持续监测，没有出现不良变形、不均匀沉降等问题，结构完整。（2）粉喷桩施工工艺简单，工程总喷桩531根，工期只需15d，大大缩短了施工工期，并且避免了过大振动和噪声对已有建筑物和教学环境的影响。（3）粉喷桩可根据不同地质的处理要求，对不同深度的土体进行加固，在提高地基土承载力的同时，解决地基不均匀沉降问题，有效消除粘性土地基普遍存在的湿陷性问题，因此，是一项值得大力推广的施工工艺。