水泥土攪拌樁復合地基的承載力與變形分析

李恩瀚

（廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

水泥攪拌樁主要是利用水泥與軟黏土中的水發(fā)生水解和水化反應，反應的結(jié)果使軟土中大量的自由水被吸收成結(jié)晶水并固定下來，從而形成具有一定強度的柱體，起到加固地基的作用。成樁后，樁體與樁間土共同形成復合地基，樁的承載力主要依靠樁體自身強度提供。

在工程施工中，水泥土攪拌樁復合地基具有十分廣泛的應用范圍，能夠?qū)λ靥钔?、雜填土、黏土、砂土與淤泥質(zhì)土等軟弱基地進行加固，并取得十分顯著的成效，且施工成本較低，施工便捷，因此，在工程中的應用日益廣泛。隨著水泥土攪拌樁在一些脆弱地基加固中的應用，一些有關(guān)于施工技術(shù)的實驗與計算方法也應運而生，目前，復合地基承載力已經(jīng)成為工程界的重點研究內(nèi)容。

2 水泥土攪拌樁復合地基的受力原理及承載力計算

復合地基是由水泥土攪拌樁與土層共同承擔來自上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力，樁體與樁間土之間有很強的作用力，能夠承受較大的荷載，根據(jù)筆者對參與過的項目的統(tǒng)計分析，通常情況下水泥土攪拌樁的單樁承載力可達到100 kPa，復合地基的承載力可達到70 kPa。由于通常在水泥土攪拌樁的上方還會設置10～30 cm 的褥墊層（材質(zhì)一般為碎石和砂），并且水泥土攪拌樁與褥墊層是相互獨立的結(jié)構(gòu)，因此，大部分的水平載荷由褥墊層承擔，水泥土攪拌樁所承擔的水平載荷的比例較小[1，2]?？傮w來說，水泥土攪拌樁在復合地基中主要由樁體與樁間土共同承擔來自上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載，在計算復合地基的承載力時，應先計算單樁承載力，再將單樁承載力數(shù)值帶入復合地基承載力計算公式計算得出復合地基的承載力特征值：

式中，RA為單樁承載力特征值，kN，需同時滿足以式（1）和式（2）；μp為水泥攪拌樁橫截面的周長；qsi為樁周第i 層土的側(cè)阻力特征值，kPa；li為樁長范圍內(nèi)第i 層土的厚度，m；a 為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；Ap為樁的橫截面面積；n 為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；η 為樁身強度折減系數(shù)；fcu為標準養(yǎng)護條件下90 d 齡期樁體的抗壓強度平均值，kPa；fspk為復合地基的承載力特征值；m 為樁土面積置換率；Ra為單樁承載力特征值，kN；β 為樁間土的承載力折減系數(shù)；fsk為地基處理后樁間土承載力特征值，kPa，宜按當?shù)亟?jīng)驗取值，當無經(jīng)驗時，可取天然地基承載力特征值。

3 水泥土攪拌樁與地基沉降變形的分析

首先，是水泥土攪拌樁樁長對地基沉降的影響。水泥土攪拌樁是半剛性材料，在載荷的作用下，樁頂以下一定長度范圍內(nèi)的樁體會出現(xiàn)側(cè)向膨脹，通常將該膨脹范圍劃定為主要受力區(qū)。結(jié)合主要受力區(qū)的長度，可以確定臨界樁長。水泥土攪拌樁的長度達到臨界樁長時，能夠減緩土層沉降速度，樁長大于臨界樁長時，地基不再出現(xiàn)明顯的地基沉降變形[3]。其次，是樁體的水泥摻入量對地基沉降變形的影響。通過觀察沉降變形隨水泥摻入量的變化曲線能夠清楚地看出，當水泥摻入量小于15%時，曲線的斜率較大，樁體對減小地基沉降變形的作用明顯；但是當水泥的摻入量在15%以上時，曲線斜率平緩，表示水泥的摻入量增加對地基沉降變形的控制效果不明顯。再次，是地基土的置換率與加荷速度對地基沉降變形的影響。增加置換率會明顯降低地基變形率；合理控制加荷速度，能夠減小土體中的超靜孔隙水壓力，避免地基出現(xiàn)孔隙水壓力過大的情況，能夠有效減小工后沉降。此外，樁間土層條件、樁體上部是否進行加固處理，以及樁體與土體的界面情況，都會對地基的沉降變形產(chǎn)生影響[4]。

4 水泥土攪拌樁承載力不足的原因分析

導致水泥土攪拌樁單樁承載能力不足的原因主要有以下4 點：（1）沒有將樁端嵌入持力層，一般還會伴隨著樁身長度設計不足的情況出現(xiàn)。（2）水泥土攪拌樁的樁身質(zhì)量較差，在實際施工過程中由于攪拌不均勻、復攪次數(shù)少、水灰比偏大等因素的影響，導致樁體質(zhì)量不合格[5]。（3）樁頂以下3 倍樁徑范圍內(nèi)的樁體質(zhì)量差。由于這一部分是樁體的主要受力區(qū)，若施工質(zhì)量無法保證，會嚴重影響樁體的承載力。（4）由于土質(zhì)性能的影響，例如，當土壤中有機質(zhì)與含水量較高，或者酸性物質(zhì)過多時，會導致地基承載力不足。

導致復合地基承載力不能達到標準的主要原因有以下2 點：（1）水泥土攪拌樁的樁身質(zhì)量較差，樁體的實際指標沒有達到設計要求；（2）樁間的土質(zhì)較差，無法充分發(fā)揮樁土共同作用的效果。

5 提升水泥土攪拌樁承載力的施工措施

為了避免水泥土攪拌樁復合地基的施工質(zhì)量問題，需要加強施工過程控制，在勘察、設計、施工與管理中加強重視，并且明確每一個環(huán)節(jié)中需要重視的問題。

在勘察階段要重視以下4 個問題：（1）精確確定各土層的厚度及成分。（2）勘察施工區(qū)域內(nèi)軟土層的分布范圍。在勘察過程中，可以采用鉆探與靜力觸探技術(shù)。當被軟土層或地層出現(xiàn)較大的起伏時，可以適當加密勘探點。（3）完善現(xiàn)場的測試取樣以及試驗環(huán)節(jié)，重點探測地下水深以及地下水的pH 值，加固土層的含水量、固結(jié)程度、塑性指數(shù)以及其中的有機質(zhì)含量等。（4）落實詳細的復合地基處理方案，判斷成樁的可行性以及在施工過程中的注意事項。

在施工階段要重視以下2 個問題：（1）做好施工前的準備工作。施工主要負責人要仔細審核施工單位提供的施工方案，評估施工方案是否具有可行性。保證所有設備能夠正常使用，使用的自動記錄儀，必須符合國家計量部門的標準與認證，在施工過程中能夠進行自動記錄并控制施工過程中的水泥漿用量、鉆進速度、樁場施工以及承裝時間等一系列的參數(shù)。（2）施工過程控制。首先，要進行試驗樁視施工。通過試驗樁的施工，能夠?qū)φw工程水泥攪拌樁施工提供依據(jù)與指導。在試樁施工過程中，要充分了解施工區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境，盡量選擇條件最具有代表性的地段來開展試樁工作，檢查樁體在復雜地形中的承載能力。其次，在確定樁位、樁徑、控制樁長時，要按照施工標準以及設計要求進行。最后，要注意控制攪拌與噴漿過程，現(xiàn)場的管理人員要對各項工藝進行嚴格的把關(guān)，并且實時監(jiān)督各項工藝的執(zhí)行情況，避免出現(xiàn)水灰比過大、攪拌不均勻以及樁長不夠等情況，影響樁體的整體施工質(zhì)量。

6 水泥土攪拌樁復合地基承載力與變形特征的檢驗方式

6.1 單樁復合地基靜載荷檢測方法

該方法能夠檢測復合地基的承載能力。試驗過程為：使用壓重平臺反力載荷裝置，通過疊加沙堆提升載荷，加載過程中，要使用鋼梁均勻地將配重物放置在加載平臺上。然后，將鋼制的承壓板放置在平臺中心位置下的樁頂上，將千斤頂作用在承壓板上，活塞與主梁連接，使承壓板中心、平臺中心千斤頂?shù)牡酌嬷行呐c水泥土攪拌樁形成一條垂線，保證受力均勻以及垂直度。在增加載荷時，利用壓重平臺形成反作用力，使用千斤頂在承壓板上逐級加壓。將最大的載荷值設置為標準承載力的2 倍，荷載分級為最大荷載能力的1/10，在每一級荷載加載完成后，要間隔30 min，使用JCQ-503 靜荷載自動測試儀進行1 次測讀。當沉降變形數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定后，再增加下一級荷載，直到達到標準載荷值。卸載級數(shù)是加載級數(shù)的1/2。每間隔30 min 卸一級，并且記錄回彈量。當卸載全部載荷之后，每間隔3 h 記錄回彈量。

6.2 單柱豎向承載力檢測方法

該方法能夠檢測單樁豎向抗壓承載力。主要操作方式是在單樁頂部逐漸增加豎向載荷，上部樁身受到壓縮后會出現(xiàn)向下的位移，樁側(cè)表面會產(chǎn)生向上的摩擦阻力，隨著樁頂荷載的不斷增加，樁身的壓縮變形與位移量也會逐漸增大。檢測過程中用到的測量儀器主要有千斤頂、JCQ-503 靜荷載自動試驗儀等。

具體的檢測過程為：將千斤頂作用于樁頂，設計最大的載荷值為標準載荷值的2 倍，分級加載的荷載大小取最大載荷的1/10。第一級按2 倍的分級荷載，逐漸增加荷載。在增加荷載之后分別間隔5 min、10 m in、15 min 進行測讀。累計1 h 后，每隔30 min 進行一次測讀，在相對穩(wěn)定之后，施加下一級的荷載。每級卸載值為加載值的1/2。在卸載之后，每隔15 min 進行1 次測讀，測讀2 次之后，隔30 m in 進行1 次測讀，卸載1級荷載，當卸載全部荷載時，間隔3～4 h 進行1 次測讀。

7 結(jié)語

水泥土攪拌樁復合地基具有廣泛的使用范圍。但是，在實際施工中的各個環(huán)節(jié)還存在著不足。在靜載試驗中，一旦出現(xiàn)承載力不足或其他現(xiàn)象，就要在試驗結(jié)束后檢查樁身，明確樁頂是否被壓壞，也可以通過低應變檢測檢查是否在樁身的某個部位出現(xiàn)了破損。使用低應變檢測要在靜載試驗之前開展，在靜載試驗的過程中，可能影響樁基的初始狀態(tài)，從而對低應變檢測的質(zhì)量與檢測的結(jié)果的準確度造成影響。在復合地基的靜載試驗過程中，最大加載量不一定要精準地等于復合地基承載能力值的2 倍，要結(jié)合樁身混凝土的強度進行相應的調(diào)整。