水泥搅拌桩支护结构及介绍

1、深层搅拌桩支护结构的应用研究孙友健 指导老师 刘荣摘要：近20年来，国内高层建筑的飞速发展和地下空间的充分利用，使深基坑支护工程的设计和施工问题成了基础工程中热点问题。沿海地区和内陆平原地带广泛分布着软土地层，在软土地基上从事工程建设活动，许多情况下采用深层搅拌桩加固软土地基，从而深层搅拌桩支护结构应用研究逐渐成为土木工程界的热点。针对目前状况，我对深层搅拌桩结构技术和水泥土的加固机理作了详细的介绍，对存在的问题与前景进行了分析，并附有较为典型的工程应用实例。关键词：深层搅拌桩结构技术 水泥土的加固机理 存在的问题与前景 工程应用实例Abstract: Over the past 20 yea

2、rs, the rapid development of domestic high-rise buildings and the use of underground space, make the design and construction of deep foundation pit bracing engineering have become a hot issue in the foundation pit engineering .The coastal area and inland plains region are widely distributed in soft

3、soil layer, when people are engaged in engineering construction activities on the soft ground, they use deep mixing pile to reinforce the soft soil ground ,thus ,the of application and research of the deep mixing pile supporting structure gradually become the hot spot in civil engineering. In view o

4、f the present situation, I introduce deep mixing pile structure technology and the reinforcement mechanism of soil-cement in detail, analyze the existing problems and future, and have more typical engineering application example. Keywords: deep mixing pile structure technology the reinforcement mech

5、anism of soil-cement existing problems and future engineering application example 1.概述近年来，随着我国经济的飞速发展，城市用地日益紧张。为了节约用地，利用地下空间，深基坑工程的到快速发展。深基坑工程是一个古老而具有划时代特点的综合性的岩土工程课题，因为它既涉及到土力学典型强度问题和变形问题，又涉及到土体与支护结构的相互作用问题。基坑工程的发展是一种新的支护类型的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践，认识，再实践，再认识的规律而趋向成熟。我国于20世纪80 年代初开始出现大量的基坑工程。80年代前，国内国内为

6、数不多的高层建筑的地下室多为一层，基坑深不过4米，常用放坡开挖就可以解决问题。到80年代，随着高层建筑的大量兴建，开始出现两层地下室，开挖深度一般在8米左右少数超过10米，进入90年代，我国的高层建筑迅速发展，同时各地还兴建了许多地下市政设施、地下商场、地下车站等，导致多层地下室逐渐增多，基坑开挖深度超过十米的比比皆是。目前国内高层建筑地下室深达6层，基坑深度达30多米再也不罕见。首都国家大剧院的地下室为三层，基坑深度达32.5米。随着基坑深度快速发展，基坑支护工程已成为当前工程建设的热点。目前经常采用的主要基坑支护类型有：土钉墙支护、水泥深层搅拌桩支护、灌注桩+锚索支护、地下连续墙支护和内支

7、撑支护等。其中深层搅拌桩支护结构主要适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土和粘性土地基，可根据需要将地基加固成块状、圆柱状、壁状、格栅状等形状的水泥土。主要用于形成复合地基、基坑支档结构、地基中形成止水帷幕及其他用途。深层搅拌桩法施工速度快，无公害，施工过程无振动，无噪声，无地面隆起，不排污，不排土，不污染环境和对相邻建筑物不产生有害影响，具有较好的经济效益和社会效益。近十年来，在我国分布有较多软土的地区，如浙江、江苏、上海、天津、福建、广东、广西、云南、湖北、湖南、安徽、河南、山西、陕西，以及台湾等地得到广泛应用，发展迅速。2.深层搅拌桩结构技术21施工工艺211浆喷施工工艺深层搅拌桩施工流程：桩机

8、就位钻进喷浆到孔底提升搅拌重复喷射搅拌重复提升搅拌成桩完毕，如图1所示。图1 深层搅拌桩施工工艺流程在施工过程中，有时在钻进贯入时喷浆，也有时在提升时喷浆，何时喷浆最佳须根据地层的软硬情况和搅拌的工艺特点而定。同理，重复搅拌过程是否喷浆，亦应根据地基土的力学指标和设计要求灵活掌握。（1） 桩基就位。利用起重机或开动绞车移动深层搅拌桩机到达指定桩位对中。为保证桩位准确，必须使用定位卡，桩位误差不超过2cm，导向架和搅拌轴应与地面垂直，垂直度的偏离不应超过0.5%。（2） 喷浆成桩。开动灰浆泵，核实浆液从喷嘴喷出后启动桩机向下旋转钻进喷浆成桩并连续喷入水泥浆液。钻进速度、旋转速度、喷浆压力、喷浆量

9、应根据工艺试成桩时确定的参数操作。钻进喷浆成桩到设计桩长或层位后，原地喷浆半分钟，再反转匀速提升。（3） 提升搅拌。搅拌头自桩底反转匀速搅拌提升，直到地面。搅拌头如被软粘土包裹应及时处理。（4） 重复钻进搅拌。按上述（2）操作要求进行，如喷浆量已达设计要求时，需要重复搅拌不再送浆。（5） 重复搅拌提升。按照上述3操作步骤进行，将搅拌头提升到地面。（6） 成桩完毕。连同3、4、5共进行3次复搅，即可完成一根搅拌桩的作业。开动灰浆泵清洗管路中残存的水泥浆，桩机移至下一桩位，施工下一根搅拌桩。3.深层搅拌法的加固机理深层搅拌法加固地基主要利用水泥土具有较高的强度、模量和小的渗透系数，并具有较好的隔水

10、性能。主要表现在以下几个方面:31形成水泥桩复合地基，提高地基承载力和改善地基变形特性 深层搅拌法形成的水泥土增强体强度比天然土体提高几倍至数十倍，变形模量也是如此。将水泥土增强体与增强体之间天然土形成复合地基可有效提高地基承载力和减少地基上建筑物的沉降。复合地基可具有桩式复合地基和格栅式复合地基两种，桩式布置可采用三角形布置或正方形布置如图2所示。图2 复合地基平面形式有时为了获得更高的地基承载力，适当增减复合地基置换率，即在平面上对地基土全面进行搅拌，形成水泥土块状体基础，如图3所示。图3 水泥土块体基础32形成水泥土支挡结构 在软粘土地基中开挖深度为56m的基坑，应用深层搅拌法形成的水泥

11、土重力式挡墙可以较充分利用水泥土的强度和防渗性能，既是挡土墙又是防渗帷幕。因此具有较好的经济效益和社会效益。水泥土重力式挡墙一般做成格构形式，如图4a所示。上图中重力式挡墙高为l,宽为b，基坑深度为h，支撑结构插入深度为d，由图4b可以看到，重力式挡墙由水泥土与水泥土范围内的地基土组成。挡墙上有压顶梁以增加整体性。水泥土格构形挡墙的设计计算方法采用重力式挡土墙的设计计算方法。近几年来深层搅拌水泥土重力式挡墙被广泛应用于深层软粘土地基地区56m深基坑围护结构、管道沟围护结构、河道围护结构等。为了改善水泥土重力式挡墙的受力性能，增大支护深度，不少设计者在设计中采取在墙两侧增设水泥土桩改良土体以减少

12、主动土压力，或增大被动土压力。为了充分利用水泥土大的抗压性能，根据基坑形状，如条件允许可把水泥土挡墙设计成圆弧形。为了克服水泥土抗拉强度低的特点，有人在水泥土挡墙中插置竹筋，也取得较好效果。在水泥土挡墙中插置型钢，称为加筋水泥土挡墙，在日本称为SMW工法，在我国国内也有应用。国内外实践表明，如不能回收钢材，则其成本较高。图4 格构形水泥土重力式挡墙（a）A-A剖面（b）重力式挡墙33形成水泥土防渗帷幕水泥土的渗透系数比天然土的渗透系数小几个数量级，水泥土具有很好的防渗水性能。近几年被广泛用于软粘土地基基坑开挖工程和其他工程的防渗帷幕。防渗帷幕由相互搭接的水泥土桩组成。视土层土质情况，可由一排或

13、二排或多排相互搭接的深层搅拌桩组成。4.工程实例41工程概况南湖新村是江苏省南京市重点新建的住宅小区之一，占地面积640000m2，拟建200多余栋多层住宅，建筑面积达550000m2。场地为长江及秦淮河的漫滩地带，主要地层为高压缩性流塑状的淤泥质粉质粘土的软土地基，厚度超过30m，土质松软，承载力很低。为了提高软土地基承载力，充分利用有限的建筑场地，增加住宅楼层数，南京市城镇建设综合开发公司第五处和南京市建筑设计院除采用大开挖深换土、使用大板和折板基础外，还采用了碎石桩、石灰桩、现场灌注混凝土桩、锥形桩，以及深层搅拌法等地基处理措施。受冶金工业部建筑研究院总院地基室、南京市城镇建设综合开发公

14、司和南京市建筑设计院委托，本公司对南湖新村18栋六层和七层的住宅楼软粘土地基进行深层搅拌桩加固，于1984年8月至1985年4月共施工搅拌桩2861根，共计27657.5米，完成搅拌桩载荷试验4组，水泥土强度检验200余组和95根桩的桩身质量检验。在正常施工的情况下，每栋住宅楼地基加固工期仅710天，与原拟采用的钢筋混凝土现场灌注桩相比，节约地基加固费用100万元。42拟建场地工程地质条件南湖新村场地主要地层为高压缩性的淤泥质粘土，其表面有1.53.0m厚的人工填土，容许承载力为75kpa，其下为未被钻穿的厚层淤泥质粘土，容许承载力仅为60kpa。土样有机质含量为2.37%，可溶盐含量为0.1

15、35%，烧失量为6.94%。各层土层物理力学性质指标见表表1层次厚度/m土名含水量（%）重度/(kN/m3)孔隙比塑性指数液性指数粘聚力/(kN/m2)内摩擦角（°）压缩模量/MPa容许承载力/MPa-201.5淤泥及淤泥质土5416.91.50181.66412.51.6-31.53.0素填土4018.21.10200.851213.53.675未穿淤泥质粉质粘土4717.41.31141.78417.52.160各土层物理力学性质指标1。43设计为了获得工作必需的搅拌桩参数，在施工现场附近进行了现场试验。这里主要介绍一下地基加固设计。布桩方案：南湖新村采用深层搅拌桩加固地基的住宅

16、楼主要有七层点式和六层条式两种。431七层点式住宅楼地基加固设计南湖新村西五区七层点式住宅楼场地为征用的菜地，地基土主要为厚层淤泥质粉质粘土，容许承载力为70kPa，表层有1.52.0m厚的素填土，容许承载力为80kpa。这种七层点式住宅楼的建筑面积为1560m2,基础占地面积为228.04m2,基底压力为152.2kPa。分别包括以下3方面。（1） 搅拌桩单桩设计。设计桩长考虑场地标高与基底标高之间的距离，单桩承载力按摩擦型桩计算。（2） 搅拌桩置换率m和桩数n的计算。（3） 群桩基础验算。将加固后的桩群视为一个格子状的假想实体基础，然后分别进行承载力验算和沉降验算（4） 底层为商店的六层式

17、住宅楼地基加固设计。南湖新村西三区13号商店住宅楼建在西三区东部鱼塘上，塘底标高+3.8+4.0m，基底设计标高为+5.5m，鱼塘在地基加固施工前新填素粘土1.52.0m，其下为淤泥质粉质粘土，容许承载力为65kPa，新填土容许承载力根据轻便触探锤击数并考虑未固结等因素取50kPa。六层条式住宅楼建筑面积为2037m2，条基底面积为426.7m2，基地压力为121.6kPa。分别包括以下3方面。（1） 搅拌桩单桩的设计。计算桩长按摩擦型桩考虑，不考虑新填土层桩段长度。（2） 水泥土搅拌桩置换率m和桩数n的计算。（3） 群桩基础验算。将加固后的群桩视为以格子状的假想实体基础，然后再分别进行承载力

18、验算和沉降验算。44施工施工参数以及施工工艺此处从略，主要介绍一下变掺量搅拌。在搅拌桩施工过程中，根据摩擦型搅拌桩的受力特性，采用变掺量的施工工艺。所谓变掺量，即桩端、桩中段和桩顶的水泥掺入比相应于桩身应力而变化，即用不同的注浆提升速度和注浆次数来满足各桩段水泥掺入比的要求。对于土质条件比较复杂的区段，为了保证搅拌质量，在搅拌施工前先用轻便触探仪对全场地进行触探，划分各土层分界线，确定相应的注浆量。在成桩过程中，凡是由于电压过低或其他原因造成停机或使成桩工艺中断的，当搅拌机重新启动后，为了防止断桩，均将深层搅拌机下沉0.5m后在继续成桩。45质量检验质量检验主要包括水泥加固土强度检验，制桩质量

19、评定，搅拌桩施工质量的现场检验和基槽开挖后验收。46问题存在问题及分析461加固方案确定时所存在的问题及分析由于七层点式住宅楼荷重较大，基底压力达150kPa，但其上部建筑相对刚度较大，造成建筑物沉降将比较均匀，因此，根据这一特点，深层搅拌加固采用柱状加固型式。对于六层条式住宅楼来说，虽基底压力小于140kPa，但其上部建筑物长高比较大，刚度相对较小，易产生不均匀沉降，尤其是六栋底层为商店的临街住宅楼，建在地势低洼，又是新建刚回填的鱼塘上，极易产生不均匀沉降，因此搅拌加固设计采用了壁状加固型式，即桩与桩搭接成壁，纵、横方向的水泥土壁又交叉成格栅状，使全部的搅拌桩连成一个整体，如同一个不封底的箱

20、型基础，以减小不均匀沉降。此外，对于一半基础坐落在新填的鱼塘上，另一半坐落在岸坡上的条式住宅楼，则通过不同的桩长设计来调整不均匀沉降。462检验水泥土强度时存在的问题及分析水泥加固土除与被加固性质、状态、水泥土掺入比以及养护龄期等因素有关外，还与所用的水泥质量密切有关。由于搅拌桩水泥掺入比的设计是以水泥加固土的室内试验为根据的，而施工现场所用的水泥往往与室内试验所用的不同，因此实际工程所用的水泥能否达到设计的加固效果需要检验。为了保证水泥加固土强度满足设计要求，当每批施工用的水泥进场后，将事先准备好的土样按设计配方制作成水泥土试块，进行短期的（1d、3d、5d）强度强度试验，试验满足要求大的水泥土试块才允许投入工程使用，试验不满足要