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1、 工程力学)增刊1 9 ”年 。 9 61 水泥粉喷搅拌桩复合地基沉降计算的探讨 杨晓东 白良 张玉婕 李荃 何友义 ( 云 南 工 业 大 学 建 筑 工 坦 学院 . 巨 明6 5 0 0 5 1 ) 提 要 概述水泥粉喷搅拌桩在加固软土地基时的沉降计算棋式，提出利用复合地基静载试验结果 确 定 加固 区 复 合 变 形模 1g 来 计 算 沉 降 t 的 方 法 ， 并 提 出 粉 喷 桩 变 形 模 f乓与 侧 限 抗 压强 度4 u 的 关 系， 对工程应用具有指导意义。 关被词水泥粉喷搅拌桩，复合地基，复 合变形模量， 沉降 1概述 随着城市建设的发展、城区逐渐扩大，软土地区新建建
2、筑数量也日 趋增多。 在软土地 区建造多层或高层建筑，采用天然地基通常难以 满足承载力和变形的要求。 一般多采用桩 基础， 桩基础具 有承载力高、 变形小、 易 于控制等 优点. 但在软土 地区，桩 基础的 应用也 有其局限性，由 于桩基础的桩端需要有较好的持力土层， 若良 好土层埋藏较深时，则会造 成设计桩长较长，使桩基础费 用太多，从而使基础造价过高。 近年来，随 着水泥粉喷搅拌桩在昆明 地区的广泛应用，其加固 机理、受力性能已 得到 较为广泛的重视，但对其沉降量的计算重视不足而导致建筑物沉降过大、影响使用的工程 也时有发生。 本文在工程实践的基础上， 通过理论分析与实际工程， 对水泥粉喷
3、搅拌桩复 合地基沉降计算的进一步研究提供参考意见。 2 理论分析 与 天然地基 相比 较， 粉喷 搅拌桩复 合地 基在 承载力 和变形刚度方面 有较大提高， 其受 力机理与浅基础和桩基础存在明显差别。 在垂直荷载作用下， 天然地基的高应力区 在基础 底下的浅层地基内: 桩基的高 应力区主 要分布在桩周小范围的土体内 和桩底以 下的 土体 内; 而粉喷搅拌桩复合地基。 因粉喷搅拌桩桩体的压缩模量比 桩间 土体的压缩模盆大得多， 当受到垂直荷载作用后， 地基中 的 应力以 材料模量进行分 布， 浅层地 基内的 较高附 加应力， 随着地基的 变形必然向 桩体集中，并通过桩体向 地基深层部位传递与扩散
4、，这就使得粉喷 搅拌桩复合地基的高应力分布区比 天然地基、桩基础的高 应力分布区范围要大得多，使应 杨晓东:男，1 9 7 1 . 1 2 出生，工理师 云南省应用墓础研究基全项目 工程力学增刊1 9 9 9 年 力 沿深 度分 布的 均匀性较好.同 时， 在桩休的 侧向 约 束 及 基础垂 直荷载作用 下， 增加了 土 体的 有效 应力， 使桩间 土的抗 剪强度增 加， 沉降 减小。 考虑到水泥粉喷搅拌桩复合地基的高应力区主 要分布在基底和桩底下部一定深度范围 内，其沉降 也主要由该范围内的压缩变形引 起， 故粉喷搅拌桩复合地基的沉降计算可采用 双层地基计算模式，把复合地基沉降量分为两部分，
5、 如图 1 所示，整个压缩层 Z由 复合 地基加固区h 和加固区下卧层组成，在上部荷载作用下地基总沉降S 为: S = S I + S 2 ( 1 ) S ,一复 合 地 基加固 区 沉降 量; S , -复 合地基加固区 下卧 层沉降a. 2 . 1 复合地基加固区下卧层沉降且计算 荷载 一 一一下 复 合 坤 基 加 w 区 对复 合 地基 加固区 下卧 层沉降量 S 2 可 按地基分层总和法计算。根据应力扩散原 则， 作用 在下卧 层上荷载几可按图2 所示 求解即; 凡 二 刀 刀尸 ( B + 2 h ig 9 ) ( D + 2 h ig 0 ) ( 2 a ) 一一一下 加圈区 下
6、卧 层 图 1 对平面应变情况， 上式可改写为: 加 因反 几 二 B 尸 ( B + 2 h ig B ) ( 2 b ) 日 一复合地基上荷载作用宽度; D -复合地基上荷载作用长度; i t - 地基压缩层厚度: 产 一 加固区顶面平均压力: 乡 一 地基应力扩散角; F D F H. 图 2 2 . 2 复合地签加固区沉降最计算 复合地基加固区沉降计算方法主要有复合模量法、 应力修正法、桩身压缩量法、应变 修正法。 工程上现使用较多 的 是复 合模量法， 而 其关 键是 复 合地基加固 区复 合变形模量E c 工 程力学 增刊1 9 9 9 年 的确定。 粉喷搅拌桩复合地基在外 荷载作
7、用下， 桩与 土是在等变形条件 下工作的， 其关键问 题 是桩土变形协调。与钥筋混凝土桩相比，粉喷搅拌桩复合地基桩土应力比及压缩模量比 相 对较小， 桩 土变形协调相对易 于达到。 这也使得粉喷 搅拌桩复 合地基静载试验P - S曲 线大 多数为一条平缓而光滑的曲 线，没有明 显的拐点，这说明 粉喷搅拌桩复合地基实际是一种 经过改良 的土体，它的受力特性更接近于土而非桩。 根据粉喷搅拌桩复合地基这一变形特 性，可用复合地基静载试验P - S曲 线取值计算E，则 。( ,，、 凡d GC . =够一尸 c ) 尸. O C ( 3 ) d一荷载板的直径或当径， m ; 凡一粉喷 桩复合地基承载力
8、设计 值， 代 尸 日 : 1+ 复 合地基加固层的泊 松比; S c 复合 地基静 载试验P - S 曲 线上荷载P C 对应的 变 形. 其中: P C = m p p + ( 1 一 . ) P “ ( 4) m一粉喷搅拌桩复 合地基的 置换率; R p粉喷 搅拌桩的泊 松比 ， 一般为0 .2 0 .2 5 : u s桩间 土的 泊松比 ， 根据 加固 区内 各 层 土 泊 松比 对 厚 度 加 权平 均确定. 假定水泥粉喷搅拌桩加固区土体均匀、各向同性，视加固 层为基础下的第一土层，土 层厚为水泥粉喷搅拌桩设计桩长，按分层总和法计算其沉降t为: S , = ( P 十 几 卜 2 E
9、 , ( 5 ) 在初步设计阶段，缺少复合地基静载荷试验资料、需对沉降里进行估算时，目 前一般 采用面积加权的方法得到: E c = m E p + ( 1 - m ) E s ( 6 ) E F ,- 粉喷搅拌桩变形模量; E S 一桩间 土压 缩 模 量， 根 据 加固区 内 各层 土 压 缩 模量 对 厚 度 加 权 平均 确定. 采用 ( 6 ) 式计算水泥粉喷 搅拌桩复合地基的E c 与 试验结果 有很大的差异， 这是由 于一 般情况下复合地基是在弹塑性范围内 工作， 变形模量 应考虑与 工作荷载 ( 设计值) 相 对应。 考虑到粉喷桩单桩受力变形的 特点与复合地基协同 工 作时 桩
10、体的变形特点 有所不 同，单桩受力的变形 ( 沉降) 主要是相对地基土的变形， 其值较桩土共同工作时桩土相对 变形大，因此，单桩静载试验的 变形模量偏小， 而粉喷桩的强度远大于地基土强度，桩体 有应力集中 现象。为方便应用， 假定地基土的变形模量不变，仅对粉喷桩的 变形模量进行 修正，将 ( 6 )式改写为 9 6 4 ( S 程力学) 增刊1 9 9 9 年 E c = m x E p + ( 1 - m ) E S ( 7 ) A 一粉喷搅拌桩变形模量修正系数， 取2 . 1 - 2 . 3 . 一些文献中， 建议对变形模量E p 采 用与无 侧限 抗压强度的 关系表示: 昌 r ( 1
11、0 0 - 1 2 0 ) q u ( 8 ) q t r - 粉喷搅拌桩9 0 天无侧限抗压 强度。 此表达式是根据室内 试验结果得出， 值得注意的 是，这里E p 的 含义是指在轴向 压力 作用下桩体本身压缩意义上的 变形模且。 在实际 作用中， 粉喷桩与地基土共同工作时 桩顶 的沉降 变形不仅包括了受力后桩体自 身的 压缩，同时也包括了 桩端地基土的 压缩。因此， 式 ( 8 ) 确定的 搅拌桩变形模量必然与实际情况有很大的差异，由于其忽视了 桩端地基土 的压缩， 必 将过高 估计 加固 地基中搅 拌桩的 变形模量。 根据我们对昆明 地区 温泉花园 小区 等工 程现 场试验的结果， 粉喷
12、搅拌桩变形模盆E p 与q u 的 关系可表示为: 乓二( 1 4 . 5 - 1 7 . 5 ) q u ( 9 ) 3工程实例 3 . 1 工程概况 昆明某六层砖混结构住宅楼， 场地位于昆明 盆地东北缘， 地层以 第四 系冲洪积及湖积 相组成，地质情况见表 1 . 表， 地质情况 层号 土 层 名 称 重 库 KW m孔 e 比 液 性 指 数 含 水 量 ( % ) 内 聚 力 ( K p a ) 内康擦 角( . ) 压缩模量 MP a 粘土1 1 9 .40 . 8 1 10 .4 4 2 7 . 32 6 . 81 2 刀4 . 9 6 Di淤 泥 1 6 . 5 一l一 1 0
13、. 0 2 . 6、1 . 0 0 粘 土 I1 9 . 5 !0 . 8 10 . 3 6 2 8 . 2 一 4 0 .0 I1 3 . 0 6 . 0 0 !粉 土1 9 万0 . 7 60 . 7 22 3 . 83 0 . 0 1 9 .2 5 . 9 0 该工程在、 层间 夹杂淤泥层， 最大厚度3 .2 m ， 最大埋深为5 . 4 m ，其含水量高， 孔隙比 大， 压缩性大。 经分析比 较，设计采用水泥粉喷桩加固 地墓，条形基础。 水泥粉喷 桩设 计桩径5 0 0 m m ， 有效桩 长7 .5 m ,置 换率2 0 % ,粉体 采用4 2 5 # 普通硅酸盐水泥或 矿渣 水泥，
14、 水 泥掺灰量为4 9 K g l m ，桩上部1 .5 m范围 要求复 搅， 设计 复合地基 承载力 标准值不 低于1 6 0 K p a . 该工程粉喷桩加固地基施工完成后，进行了随机抽检三组单桩复合地基承载力的静载 试验， 试验结果表明 其承载力都达到了设计预期要求。 3 . 2 沉降计算: 1 ) 加固区 沉降计算: 工程力学增刊1 9 ”年 加固区 顶面平均压力P = 1 4 0 K N 1 m 2 ， 下卧 层上的附 加压力 按式 ( 2 - 2 ) 计算 ( e = 2 6 ) 已= 2 7 .6 4 K N I m 2 ， 加固区复合泊松比 按 式 ( 4 ) 计 算u a =
15、 0 .3 6 , 根据复 合地基静载试验P - S曲 线取S c = 3 .7 9 m m ， 则 E , = (1一 ,p c ) Sc d =29.40M Pac S , = (P + P , )h =- - 2 1 .4 m m 2 4 2 ) 加固区 下卧 层沉降量计算: 加固区 下卧 层沉降 最利用分 层总和 法进行计 算求得: S 2 = 1 2 .5 m m 总沉降:S = 氛+ S 2 = 3 3 . 9 m m 实测沉降量平均值为5 = 2 7 .7 m m e 4 结论 通过以 上分析及计算可得到以 下几点认识: 1 ) ， 根据水泥粉喷搅拌桩复合地基的 应力应变 特性，
16、 可采用双层 地基的计算 模式进行 沉降盆计算， 其沉降里包括加固区和下卧层的沉降量值. 2 ) . 可利用水泥粉喷搅拌桩复合地基静载试验确定复 合地基的 复合变形模a，以 此来 计算加固区的沉降盆。 3 ) . 针对昆 明地区的地质情况， 在大量现场试验的基础上提出 粉喷搅拌桩变形模量与 桩体无侧限抗压强度夕间的关系式，为初步设计阶段提供较为简便的计宜R.降奋的 育 - 参考文 献 龚晓南. 友合地基 杭州: 浙江大学出版社，1 9 9 2 . 1 2 地基处理手册.北京: 中国建筑工业出 版社，1 9 8 8 . 8 白良 . 杨 晓 东 等 . 粉 喷 搅 拌 桩 复 合 地 墓 承 载 力 及 抗 震 性 能 研 究 报 告 . 云 南 工 业 大 学 。 1 9 9 8 . 9 第 三 届 地 基 处 理 学 术 讨 论 会 论 文 集 .
