粉喷桩复合地基在软弱地基处理设计中的应用

1　前言
　　众所周知，水泥粉喷桩是以水泥干粉作为固化剂，通过专用机械设备由压缩气体将粉体输送到地基中，与欲加固的软土强行拌合，使粉体与地基软土充分发生物理化学反应，从而形成坚硬，连续水稳性桩体。使被加固软土地基承载力明显提高，以达到加固软土地基的目的，对于粉细砂地基它还可防止砂土液化，有效改善不良地基。
　　粉喷桩具有如下特点:
　　ａ.加固成本低。由于利用了原状土,根据不同的地质条件,加入12%～20%的水泥固化剂,比其它地基加固法成本低。
　　ｂ.地基加固后,无附加荷载。
　　ｃ.桩体强度较高,其抗压强度主要与土的种类、含水量、水泥渗入比、养护龄期及外加剂等因素有关。[1]
　　ｄ.干法施工,无需水源,不需排污,无污染。
　　ｅ.无侧向挤土问题。粉喷桩在土体中几乎不增加体积,故不产生侧向挤土。因此粉喷桩施工时,对邻近环境和设施无影响,甚至可以紧贴相邻基础施工。
　　ｆ.由于桩体是由搅拌叶片转动提升并且叶片对土产生向下的挤压作用而形成,所以桩体多为层状结构,类似于岩石中的层理现象。
　　ｇ.搅拌叶片转动时,由于离心力的作用,土粒甩向边缘,同时水泥粉由中轴一个小孔高压喷出,因此桩体边缘部分搅拌最充分,而中心部分搅拌不充分,导致成桩后中心部分强度比边缘低。 粉喷桩适用于建筑物地基加固、公路地基加固、边坡抗滑加固、深基坑边坡支护、防渗帷幕及作为海堤地基加固等。

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　　２　设计计算步骤
　　１）单桩承载力特征值的确定
　　单桩承载力特征值Ra，宜通过现场荷载试验确定，也可按下式进行估算：
　　Ra=η*fcu*Ap
Ra= Up*∑qsi*li+a*Ap*qp
　　取其中小值作为单桩承载力
　　η———桩身强度折减系数，干法取0.2～0.3，湿法取0.25～0.33
　　fcu-水泥加固土在标准养护条件下90d龄期立方体试块抗压强度平均值(kPa)
　　Ap———桩的截面积(m2)
　　qsi———第i层桩周土的侧阻力特征值(kPa)
　　Up———桩的周长(m)
　　li———桩长范围内第i层土的厚度(m)
　　a———桩端土支承力的折减系数，一般可取0.4~0.6，承载力高时取低值
　　qp———桩端土未经修正的承载力特征值(kPa)
　　２）复合地基承载力特征值的确定
　　fspk=m*Ra/Ap+β(1-m)fsk
　　fspk———复合地基承载力特征值(kPa)
　　β———桩间土承载力折减系数(0.75～0.95)
　　m———桩土的面积置换率(%)
　　fsk———处理后桩间土承载力特征值(kPa)
　　3）在基础底面范围内，桩的面积置换率的确定
　　m=d2/de2
　　d———桩身平均直径
　　de———一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径
　　4）沉降计算
　　粉喷桩加固后的地基沉降估算，可参照天然地基进行，地基内的附加应力近似采用弹性理论计算，在地基压缩层深度范围内，地基土的变形由粉喷桩加固复合土层的平均压缩变形ｓ1与桩端下未加固土层的压缩变形ｓ2两部分组成。 字串4
地基沉降计算公式为ｓ=ｓ1+ｓ2
　　ｓ———为地基总沉降量
　　沉降计算中的压缩模量，桩下未加固土层部分采用勘察报告书提供天然土层模量Es。在粉喷桩加固深度范围内采用复合地基压缩模量，可由复合地基荷载试验确定，也可由下列公式计算桩土复合模量：（一般实测的沉降比理论计算的沉降要小）
　　Esp=m*Up+(1-m)Es
　　Esp———搅拌桩复合土层的压缩模量
　　Ep———搅拌桩的桩身压缩模量
　 Es———桩间土的压缩模量(可用天然地基土模量)
　　３　工程实例
　　１）工程概况：
　　岳阳洞庭湖地区某一办公楼为框架结构，一层地下室，上部六层。建筑平面如图一，工程地质条件为：
　　(1)填土：大部分为杂填土，灰褐色，以粘性土为主，较密实，层厚2.30～5.20m。
　　(2)粘土：属新近沉积，深灰褐色，粉粒、粘粒成分，含有机质和极细砂，絮状，饱和，软塑，层厚6.80～14.10m。
　　(3) 淤泥质土(夹在粘土层中)：深灰褐色，含有机质，具臭味，絮状，饱和，流塑，光照反应光滑，层厚1.20～3.50m。
　　(4)粉土：深灰褐色，粉粒、粘粒成分，饱和，软塑，层厚约1.70m。
　　(5)细砂：灰白、灰绿色，成分为石英，颗粒含量超过全重的85%，其中含云母，泥质胶结，，颗粒含量百分率14.9%，饱和，湿，松散，揭穿层厚1.0～5.20m。

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　 2）土层工程特性评价：
　　填土层未固结，在开挖地下室时清除。粘土、淤泥质土、粉土层土强度低，压缩性高，渗透小，具有高灵敏性和流变性，因此，在软土地基上的建筑物沉降大，沉降稳定时间长，常会发生差异沉降，如不作地基处理，不能承受较大荷载。
细砂层属新近沉积砂层，贯入度较其它软土层相对较高，可作为桩端持力层。
　　3）方案比较：
　　根据有关地质报告，如采用静压沉管灌注桩基础，基础持力层选择细砂层。设计桩长约12m，桩径Φ400, 计算单桩承载力特征值为170kN。由于单桩承载力低，桩数多而密布，桩基施工时的挤土及造成地面上浮都将影响邻近桩基的桩身质量及产生负摩擦力，有可能降低了单桩承载力，此外单桩多桩需要大承台，工程造价不合理。
　　如采用粉喷桩（干法）复合地基基础。粉喷桩桩长12m，桩径Φ500,桩身水泥掺入量16%。桩距1.2m，置换率15%。计算单桩承载力特征值为110kN，复合地基承载力特征值130kN/m2。该工程基础采用片筏基础。工程计算沉降量为110mm，符合规范要求。该工称目前正在施工中。
　　４　小结
　　通过这个工程项目的设计过程，有以下几点体会：
　1）该类桩基形式适用于八层(含底层杂物间)及八层以下建筑。洞庭湖地区天然软土地基承载力特征值多为60kPa左右，经粉喷桩处理后(置换率约为20%)，其复合地基承载力有明显的提高，约为原天然地基值的二~三倍，可达到120～180kPa。 字串5
　　２）洞庭湖地区软土地基通常有软弱夹层，其厚度薄，不能做为桩基持力层，或勉强可作为桩基持力层，但由于单桩承载力低、桩数多、承台大，在技术和经济上都不太合理，若选择粉喷桩复合地基基础，粉喷桩进入粉砂层，是较理想的设计方案，可较大节省工程造价。
　　３）粉喷桩水泥掺入比一般为15%左右，可根据淤泥含水率的高低，水泥喷粉量要适当调整，使土桩强度有保证。
　　４）为保证粉喷桩的工程质量，粉喷桩应严格按照其工艺施工和质量管理。选择设备技术先进，施工人员素质高的施工队伍，监理、监督部门要充分发挥其职能作用。
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