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1、刚性桩-水泥土搅拌桩在软土地基中的应用 - 结构理论摘要：由刚性桩、水泥土搅拌桩及桩间土组成的复合地基，其承 载力是由桩和桩间土共同分担的，通过刚性桩和水泥土搅拌桩的施 工，实现对桩间土的挤密加固，可充分发挥和利用地基土的承载潜 力，有效地解决软土地基承载力不足的问题。 关键词：刚性桩 水泥土搅拌桩 复合地基 合模量 承载力1 概述近年来，地基处理技术得到快速发展，地基处理技术的发展 不仅反映在机械、材料、设计理论、施工工艺、现场监测技术以及 地基处理新方法的不断更新和进步等方面，而且反映在多种地基处 理方法的综合应用方面。鉴于竖向增强体复合地基中桩的承载能力和变形特性不同， 地基处理的技术效
2、果和适用范围均不相同，刚性桩水泥土搅拌桩 复合地基结合柔性桩复合地基和刚性复合地基的特点，以充分发挥 其各自的优势，大幅度提高地基承载力，减少地基沉降，从而取得 良好的技术效果和经济效益。2 复合地基设计思想2.1 设计的基本思路采用由刚性桩、水泥土搅拌桩和桩间土组成的复合地基，主要从以下几个方面1考虑：当竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部受到压缩发生相对 于土的向下位移，桩周土在桩侧界面上形成向上的摩阻力；荷载沿 桩身向下传递过程中不断克服摩阻力并通过它向土中扩散，因而桩 身的轴力沿着深度逐渐减小，在桩端处与桩底反力相平衡；与此同 时，桩端持力层在桩端压力作用下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩 间
3、土的相对位移又使摩阻力进一步发挥。随着桩顶荷载的逐渐增加， 上述过程周而复始地进行，直到变形稳定为止。由于桩身压缩量的 累积，上部桩身位移总是大于下部，因此上部摩阻力总是先于下部 发挥，桩侧摩阻力达到极限后就保持不变，继续增加的荷载就完全 由桩端持力层承受，当桩底荷载达到桩端持力层的极限承载力时， 桩便发生急剧的、不停滞的下沉而破坏。因此，增强桩身上部桩侧 土的结构强度，对提高桩的承载力、改善桩的变形特性具有现实意 义。水泥土搅拌桩加固软土地基改善软土的固结特性。通常水 泥土的压缩曲线表现出明显的超固结特性，可近似地认为水泥土桩 体不存在固结现象，而只有弹性的桩身压缩。水泥土搅拌桩加固深 厚软
4、土地基一般不会贯穿整个软土层，由此形成的加固层和下卧层 软土的固结特性仍可用双层地基一维固结理论来分析。从固结机理 来看，加固层渗透性极低的水泥土搅拌桩（比原状土低 3 到 4 个数 量级2）设置减小下卧层软土的排水固结；同时加固层竖向附加应 力向水泥土搅拌桩集中而使桩间土所受应力大大减小，孔隙压力也大为降低，因此在下卧层软土和加固层桩间土之间形成较大的孔隙 压力差，加快下卧层软土的固结。水泥土搅拌桩改善天然软土的性质。流塑态软粘土拌入固 化剂后形成的加固土呈坚硬状态。粘聚力和内摩擦角较原状土增加， 其抗压、抗剪强度、变形模量等指标分别比天然软土提高数十倍至 数百倍。当固化剂掺入比 w5% 时
5、，加固土无侧限抗压强度 qu 可 达 5004000kPa，相应抗拉强度 1=(0.150.25)qu，粘聚力 c=(0.20.3)qu，摩擦角 变化于 20o30o 之间，变形模量 E50=(120150)qu 。加固土强度随固化剂掺入比、水泥标号和加固 土龄期的增加而提高。随着水泥掺量的增加抗渗系数由原状土的 10- 7/s 下降为（10-710-11）/s 数量级。桩、土复合构成的地基形成了平面及竖向合适的刚度级配 梯度和三维共同工作的应力状态，达到对天然地基承载力的有效补 强，满足设计要求，减少地基的沉降。长刚性桩、短水泥土搅拌桩的布置，形成三层地基刚度， 符合天然地基土层浅弱深强的规
6、律以及地基应力传递特征，同时长 刚性桩可以进入深层良好土层，减少复合地基的沉降。复合地基与上部结构通过褥垫层的柔性连接，在水平荷载 作用下，有效地传递垂直荷载。复合地基与上部结构柔性连接的褥垫层调整复合地基的桩 土荷载分配，发挥土体的承载能力特别是浅层土体的承载作用；垫 层的作用归纳为： 保证桩体和桩间土共同承担荷载，在上部荷载作用下，桩体一 定程度“剌入” 褥垫层中，充分发挥桩间土作用。在实测的复合地基 桩体和桩间土时程曲线（给定荷载下）中，桩、土受力始终为一常 数；调整桩、土荷载分担比，垫层越厚，桩间土承担的荷载越多； 荷载水平越高，桩承担的荷载占总荷载的百分比越大。因此调整垫 层厚度可调
7、整桩土荷载分担比，反之根据桩土应力的要求来确定垫 层的厚度；缓解基础底面的应力集中，桩顶对应的基础应力与桩间土对应 的基础底面应力之比随垫层厚度的变化而变化；据研究：当垫层厚 度大于 10时，桩对基础底面产生的应力集中已明显降低；当垫层 厚度为 30时，n 只有 1.2 左右； 调整桩土水平荷载的分配，未 设置褥垫层时，水平荷载主要由桩承担。随着褥垫层的设置和增厚， 桩顶承受的水平荷载逐渐变小。当褥垫层厚度大到一定程度时，水 平荷载主要由桩间土承担，桩体发生水平折断的可能性减小，桩在 复合地基中失去工作能力的机会减小。褥垫层的设置，复合地基中桩体存在向上的剌入变形，阻止桩 间土的变形。2.2
8、复合地基承载力计算刚性桩水泥土搅拌桩复合地基承载力计算的思路：由天 然地基和刚性桩复合形成复合地基，视为一种新的等效天然地基， 其承载力特征值为 fspk1。将等效天然地基和水泥土搅拌桩复合形成复合地基，求得复合地基承载力即刚性桩水泥土搅拌桩复合地 基承载力。具体推导如下3：天然地基土的承载力特征值为 fak。刚性桩的断面面积为 Apl，平均面积置换率为 m1，单桩承载力特征值为 Ral ，则刚性桩 和天然地基形成的复合地基承载力特征值为式中：1 为桩间土承载力提高系数，与土性和刚性桩成桩工 艺及桩径、桩距等有关。对非挤土成桩工艺，1=1；1 为桩间土承 载力发挥系数，一般 11。水泥搅拌桩的
9、断面面积为 Ap2，平均面积置换率为 m2，单桩 承载力特征值为 Ra2。水泥土搅拌桩与承载力特征值为 fspk1 的等效 天然地基复合后的承载力，即式中：fspk 为刚性桩水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值； 2 为桩间土承载力提高系数，与土性和刚性桩成桩工艺及桩径、桩 距有关。对非挤土成桩工艺，2=1 ；2 为桩间土承载力发挥系数， 一般 21。2.3 复合地基的复合模量复合模量表征的是复合土体抵抗变形的能力。由于复合地基 是由土和增强体（桩）组成，复合模量与土和桩的模量密切相关。 确定刚性桩水泥土搅拌桩复合地基复合模量的基本方法为：按单一桩型复合地基复合模量确定方法求得天然地基和刚性桩所形
10、成 复合地基的复合模量，并将其视为一等效天然地基；按单一桩型 复合地基确定方法，求得等效天然地基和水泥土搅拌桩形成复合地 基的复合模量即为刚性桩水泥土搅拌桩复合地基的复合模量。图 1 为刚性桩水泥土搅拌桩复合地基示意图，刚性桩桩长 L2，水泥土搅拌桩桩长 L1。范围为加固区 A1， （L2L1）范围为 加固区 A2。L1 以下为非加固区 A3 ，计算深度范围内共分五个土层， 各层天然地基土压缩模量分别为 Es1，Es2，Es3，Es4，Es5，刚性 桩和天然地基形成复合地基后的面积置换率为 m1，第 1 层土天然地 基承载力特征值为 fak，刚性桩加固后复合地基承载力特征值为 fspk1，模量
11、提高系数 1= fspk1/fak ，桩长为 L2 的水泥土搅拌桩复合 地基面积置换率为 m2（计算时不考虑刚性计的存在） ，复合地基承 载力特征值为 fspk，则桩长 L2 范围内模量提高系数为 2=fspk/ fspk1。文献3提出多桩型复合地基的复合模量计算方法；由此可推 得刚性桩水泥土搅拌桩的复合模量，加固区 A1 模量提高系数为 =fspk/fak。加固区 A2 模量提高系数为 1 ，非加固区 A3 模量不变。图 1 刚性桩水泥土搅拌桩复合地基示意图Fig.1 Nigid pile deep mixing pile composite foundation2.4 刚性桩水泥土搅拌桩复
12、合地基检测 桩身质量检测，可依照各类桩的检测方法分别进行检测，如 刚性桩可采用低应变检测，水泥土搅拌桩可采用轻便触探或抽芯检 测。对于一般的复合地基加固效果检测， 建筑地基处理技术规范 (JGJ792002) 规定采用复合地基静载荷试验，单桩复合地基载荷试 验的承压板可用圆形或方形，面积为一根桩承担的处理面积；多桩 复合地基载荷试验的承压板可用方形或矩形，其尺寸按实际桩数所 承担的处理面积确定。在确定刚性桩水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值时，当 QS 曲线上有明显的比例极限时，而其值不小于对应比例界限的 2 倍，可取比例界限；当其值小于对应比例界限的 2 倍时，可取极限 荷载的一半；当 QS 曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值 确定；即取沉降比 s/b 或 s/d 等于 0.006 所对应的压力。
