雷才波

（中國市政工程中南設計研究總院，云南昆明 650000）

0 引言

水泥攪拌樁作為一種對軟土地基進行處理的常見方法，其在各類的軟土地基處理中，廣泛應用，可以解決在淺層土層中的應力集中問題，使深層土層的沉降問題。其與剛性樁相比，其能很好地與樁的承載能力相協(xié)調(diào)，其具有降低施工成本，以及使施工效果得到保證等優(yōu)勢，因此在軟土地基處理中，其具有很大的優(yōu)勢[1]。

在實際水泥攪拌樁的應用過程中，選擇適合本工程的攪拌機從地面開始進行施工作業(yè)，直至達到設計深度，再通過攪拌機頭，將水泥漿液注入土層中，然后繼續(xù)進行攪拌作業(yè)，從而使得軟土的強度與穩(wěn)定性得到提高這樣就會形成復合樁，使得軟土地基的強度達到設計要求。

如果在實際的施工過程中，沒有對軟土地基進行處理，又或者處理的效果不好，會增加安全事故發(fā)生的可能性，嚴重時，會造成建筑物沉降甚至倒塌。因此，本文以一個實際的工程案列，研究在軟土地基處理的過程中，水泥攪拌樁的具體設計與應用，為水泥攪拌樁的應用提供一定的參考價值。

1 水泥土攪拌樁加固機理及優(yōu)點

1.1 深層攪拌法加固軟土地基機理

水泥攪拌樁在對軟土地基進行處理的過程中，主要用到的材料為水泥，輔助材料為各種外加劑，用到的攪拌機型號為主要為SJB-1型與SJB-2型，攪拌機的主要作用是將軟土地基與固化劑進行充分地攪拌，使得軟土與固化劑之間可以進行置換、團聚等物理反應，以及硬化、碳化等化學反應，使得軟土地基的強度與變形模量得到很大地提升，使軟土地基轉變?yōu)榱己玫膹秃系鼗瑥亩鼗姆€(wěn)定性提高，使其能夠滿足上部結構對地基不同的要求[2]。

1.2 深層攪拌法加固軟土地基的作用

1.2.1 樁體作用

深層攪拌樁的剛度與其周圍土體的剛度相比，其剛度要遠遠大于土體剛度，因此，與原來的地基相比，承載能力相對提高。當在荷載作用下施加相同量的變形時，地基中的應力分布會根據(jù)材料模塊的不同進行重新分布，使得地基沉降減少。

1.2.2 墊層作用

深層攪拌樁會與其周圍的土體形成復合土層，該土層的力學特性比天然土層的力學性能要好，其具有換土、均勻受力以及加大應力擴散角的用途。當樁身沒有完全進入軟土層中時，其墊層的作用尤其顯著。

1.2.3 加筋作用

深層攪拌樁可以使土體的抗剪能力增強，還可以使土坡的抗滑能力增強。

1.3 深層攪拌法加固軟土地基的優(yōu)點

1.3.1 加固效果良好

水泥土在經(jīng)過攪拌加固后，其強度可以達到1MPa~2MPa之間。當水泥攪拌樁與周圍的土體進行攪拌后，形成復合地基時，頂層的荷載可以通過剛性復合地基擴散到大量剩余土層，大大減少地基的沉降。

1.3.2 加固后的地基可以立即承受上部荷重

在經(jīng)過深層攪拌加固后，經(jīng)過15~30d的自然養(yǎng)護后，地基即可承擔上部結構的荷載，其尤其適用于類似跑道狀的加固工程的流水施工[3]。

1.3.3 施工的速度快

每個深度攪拌機可以運行250延m/d，如果在對軟土地基進行處理過程中，需要攪拌樁的總數(shù)為23000根，其樁徑按照50cm來算，樁長按照9m計算，因此共20.7×104延m，工期按照80d計算，僅僅需要11個深度攪拌機即可加固作業(yè)。

1.3.4 材料的運輸量小

根據(jù)以上第三點中的攪拌樁的總數(shù)，完成該數(shù)量的攪拌樁需要的水泥為9500t，工期按照80d計算，每天要運輸119t的水泥，這樣可以降低臨時道路的運輸壓力。

1.3.5 施工不受氣候的影響

深層攪拌樁的施工受天氣影響較小，因此在一些多雨的地區(qū)施工時，可以保證工期。

1.3.6 造價較低

如果市場中水泥價格為每噸400元，樁長按照9m來算，每米樁長的水泥用量為60kg，即每根深層攪拌樁的造價為180元，相比與其他軟土地基處理方法，其造價較低。

2 工程概況

本文以某地區(qū)的一個混凝土框架結構的建筑工程為實際工程案列，該工程層數(shù)為四層，其土層的主要物理力學指標如表1所示。

表1 主要土層的物理力學性質指標

通過對施工場地進行地質勘探，可以發(fā)現(xiàn)該工程所處的區(qū)域，軟土地層的厚度較厚，其含水量也比較高，土質的壓縮性較高，但其強度卻較低。對整個施工場地的地質情況與應力分布情況進行分析，選擇水泥攪拌樁對其進行軟土地基處理。在使用水泥攪拌樁的過程中，要結合專門的機器，使地基的承載能力得以提高，使地基沉降減小，滿足上部結構的要求。

在實際施工過程中，需要將水泥摻入進去，使水泥與原有的土體相結合進行施工，同時要注意就地取材，降低施工成本?；炷潦┕に脵C械較為簡單，結合地質條件，地基處理也較為簡單，這樣不僅僅可以使施工的效率得到提高，還可以降低對周邊環(huán)境的影響。通常情況下，在對水泥攪拌樁進行設計的過程中，要對水泥與原有的土質的強度進行充分地考慮，同時要注意能提高水泥的強度盡量不提高水泥的用量。除此之外，在應用水泥攪拌樁的過程中，應盡量考慮長短水泥攪拌樁進行軟土地基處理，這樣可以是施工效果得到保證，還可以降低施工成本以及縮短工期[4]。受力機理如圖1所示。

從圖1可以看出，d為基礎埋深，Ⅰ區(qū)采用長短樁，但是要注意的是，明確長樁與短樁之間合理的間距，以及合理的埋深，使樁體之間的共同作用，保證長短樁與地面的共同沉降，提高了Ⅰ區(qū)的承載能力。Ⅱ區(qū)為長樁區(qū)，可有效減少沉降問題，Ⅲ區(qū)為持力層。三區(qū)協(xié)同工作，從而使地基的承載能力得以提高，地基沉降值減小，同時在長短樁的配合使用下達到了預期的施工效果。

圖1 受力機理

3 水泥攪拌樁設計要素

在結合長短樁使用進行軟土地基處理時，要對應力分布進行充分地考慮，使地基的承載能力與強度得到保證。為了使水泥攪拌樁符合設計的要求，需要進行很多次的計算。在實際工程中，柱底尺寸一般為B×L=5m×5m，長短樁結合起來使用，長樁的樁長為17.5m，沉樁的長度18.8m，短樁的樁長為11m，沉樁的長度為11.6m，置換率（m）=0.2562，樁徑為0.5m，水泥土強度fcu為1850kPa。

3.1 計算承載力特征值

（1）計算單樁豎向承載力特征值。

具體公式如式（1）、式（2）所示，應根據(jù)計算結果，將計算結果最小值作為施工依據(jù)[5]。

式中：η——樁身強度的折減系數(shù)，取0.25；α——樁端土承載力的折減系數(shù)，取0.5；up——樁周長；li——第i層土的厚度。

（2）計算水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值。根據(jù)相關規(guī)范與規(guī)定，計算公式如式（3）所示。

式中：β——樁間土承載力的折減系數(shù)，取0.5；fak——復合地基承載力特征值。根據(jù)實際的要求設定fak=130kPa，經(jīng)過計算可以得到樁基下的樁數(shù)量為32根。

3.2 估算基底附加應力及沉降

根據(jù)Mindlin解可以得到軟土地基中水泥攪拌樁的附加應力，如表2所示。

表2 基底附加應力

計算地基沉降進行時，通過利用復合無量法，根據(jù)置換率，分別計算蘭格分區(qū)的沉降量，再將這三個分區(qū)的沉降量進行相加，即可得到地基沉降量，計算公式如式（4）所示。

在水泥攪拌樁中，復合土層的沉降量Si計算方法如式（5）所示。

式中：Pz——水泥攪拌樁的土層底面；Pzl——頂面的附加應力值；Espi——水泥攪拌樁的復合土層壓縮模量。

根據(jù)實際的工程情況可知，Ep=185MPa，Espi的計算公式如式（6）所示。

最終得到該工程的沉降量為11.6mm。

4 試驗驗證

進行基礎的靜載荷試驗。如果試驗的結果比計算結果多出10%，則可以證明該設計符合要求。根據(jù)標準要求，本工程的長樁深度不超過15m，但是在實際情況中，長樁深度接近19m，因此需要進行長樁打樁部分的抗壓強度檢測，從而更好地反映出施工效果，主要的檢測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 抗壓強度檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表3可以看出，水泥土的抗壓強度大于1.8MPa，說明超過15m部分的水泥屈服符合設計要求，整體效果良好。由此可見，本工程的水泥攪拌樁的強度明顯提高。

5 水泥攪拌樁施工應對措施及質量控制

5.1 樁機的選擇

在本工程的實際施工的過程中，長樁樁深接近19m，必須使用噴粉樁機進行施工。本文選用的粉噴樁機具體型號為GPP-5E，功率45kW，可施工距離可達22m，符合技術要求。打樁機中配置著傳感器，可對深度與重量進行實時監(jiān)測，而監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)街鳈C上，施工人員可以得到每米的噴灰量，從而可以根據(jù)實際的施工情況進行及時調(diào)整，確保攪拌樁各段均能滿足設計的要求，使施工質量保持在正常范圍之內(nèi)[5]。

5.2 監(jiān)控計量

當進行粉噴作業(yè)時，為了更好地監(jiān)測，需要用到相應的劑量計，例如電流表、粉末流量計以及壓力表等等。除此之外，實際施工過程中，要使粉噴樁的質量得到保證，并且達到設計的要求，從而保證施工質量。

5.3 復攪處理

施工完成后，必須再次復攪。根據(jù)電流確定攪拌深度，提高水泥混合料樁的承載能力。