水泥搅拌桩及水泥土砂石复合桩在软弱复杂软基中经济对比

1、.水泥搅拌桩及水泥土砂石复合桩在软弱复杂软基中经济对比 【摘要】本文针水泥搅拌桩在在天然含水量高、孔隙比大、有机质含量高、腐殖质及富里酸含量高、强度低的土层中强度低且成桩效果差，通过改进搅拌桩施工工艺水泥土砂石复合桩，有效的克服了强度低和加固效果不理想的问题，保证了施工工期及质量，并节约了成本，取得了较好的经济效益。 【关键词】软弱复杂软基 水泥搅拌桩水泥土砂石复合桩改进 一、前 言 广州轨道交通二、八号延长线大洲停车场位于广州市番禺区钟村镇石壁村范围内，既有地面高程4.046.56m，场坪设计标高8.22m。区内软土层连续性较好，埋藏较浅，淤泥、淤泥质粉质粘土、淤泥质细砂及淤泥质中砂等软弱土

2、层分布厚度大，一般厚4.3020m，局部厚达21.7m25.5m，其具有天然含水量高、孔隙比大、有机质含量高、腐殖质及富里酸含量高、强度低等特点，软土地基工程性质较差，会产生较大的地基沉降，需对停车场地基进行软基处理。设计考虑水泥搅拌桩施工工艺以其造价低、工期短、施工简便等优势采用水泥搅拌桩进行软基处理。本工程搅拌桩区总面积为：201596m2，搅拌桩总量为1138120延米。设计要求搅拌桩打设深度以进入设计要求的硬层（中粗砂层），要求水泥搅拌桩伸入砂砾石垫层内0.5m。 由于本地质条件差，软土厚度大，如何保证搅拌桩的成桩强度，对整个工程的质量控制至关重要。 二、工程地质 场区地层岩性，上覆第

3、四系海陆交互相沉积层、残积土层，下伏基岩为白垩系下统白鹤洞组下段(Klbl)的泥质粉砂岩，局部分布有粗砂岩、含砾粗砂岩夹层，铁质、钙质、泥质胶结。第四系覆盖层，上部全新统软土分布广泛，为淤泥、淤泥质土、淤泥质细砂，厚度在4.320m，局部厚度达25m；中部为中砂、粉质粘土，下部第四系残积粉质粘土层。 1、人工填土层(Q4m1) 该层由素填土及耕植土组成，其特征及分布如下： 素填土：分布厚度0.502.00m，平均1.04m。 耕植土：分布厚度0.501.40m，平均0.77m。 2、第四系全新世海陆交互相沉积层(Q4mc) 该层共分为4个亚层，各亚层的特征及分布如下： 淤泥：层厚0.502.9

4、0m，平均1.42m，顶面埋藏深度0.002.20m，相当于标高-4.695.62m。 淤泥质粉质粘土：该层分布广泛，层厚0.5017.30m，平均6.03m，顶面埋藏深度0.009.90m，相当于标高-4.695.62m。 淤泥质细砂：该层分布广泛，层厚0.507.70m，平均3.19m，顶面埋藏深度0.0020.40m，相当于标高-14905.65m。 淤泥质中砂：层厚0.507.20m，平均2.49m，顶面埋藏深度0.007.90m，相当于标高-2.835.50m。 3、第四系全新世上更新世冲洪积层(Q3+4alpl) 该层共分为2个亚层，各亚层的特征及分布如下： 细砂：层厚1.003.

5、10m，平均2.23m，顶面埋藏深度4.207.70m，相当于标高-2.060.09m。 粉质粘土：层厚1.204.10m，平均2.51m，顶面埋藏深度5.0022.00m，相当于标高17.040.73m。 4、第四系上更新世河湖相冲积层(Q3a1) 淤泥质土：层厚0.505.60m，平均2.37m，顶面埋藏深度2.7023.30m，相当于标高-18.492.95m。 5、第四系残积土层(Qel) 粉质粘土：该层在场地内广泛分布，层厚0.7010.30m，平均3.79m，顶面埋藏深度3.105.10m，相当于标高-19.362.78m。 6、白垩系下统白鹤洞组下段(Klbl)红层 红层全风化带

6、：泥质粉砂岩，层厚1.6015.20m，平均4.80m，顶面埋藏深度4.3021.30m，相当于标高15.62-1.42m。 红层强风化带：主要为泥质粉砂岩，偶夹粗砂岩、含砾粗砂岩强风化薄层。岩块用手可折断，岩石风化节理裂隙很发育，遇水易软化。该层分布广泛，层厚0.6025.10m，平均5.82m，顶面埋藏深度4.1030.20m，相当于标高-24.471.32m。 红层中风化带：以泥质粉砂岩为主，局部夹粗砂岩、含砾粗砂岩。揭露层厚0.6020.30m，平均5.26m，顶面埋藏深度11.142.80m，相当于标高-38.02-5.24m。 红层微风化带：以泥质粉砂岩为主，局部夹粗砂岩、含砾粗砂

7、岩揭露厚度0.715.30m，平均4.67m，顶面埋藏深度13.0043.10m，相当于标高-38.45-7.35m。 勘察结果表明：场地软土分布广泛，连续性较好，埋藏较浅、厚度较大。淤泥层厚度070690m，平均31lm，淤泥质粉质粘土层厚度0609.10m，平均2.95m，淤泥质粉质粘土层厚度0.609.10m，平均2.95m。该三层具有天然含水量高(一般均大于液限)(平均值分别为84.70、78.1、83.0)，孔隙比大(平均值分别为1.760、1.557、0.974)，有机质含量较高，压缩性高，强度低，渗透系数较小。低强度和不均匀性：软土分布区地基强度很低，极易产生不均匀沉降。PH值偏

8、低及高有机质、富里酸及腐殖质含量：场地内软土的PH值偏低，有机质、富里酸、腐殖质含量高，对软基加固处理影响大。高压缩性：软土属高压缩性土，极易因其体积的压缩而导致地面和建筑物沉降。 三、水泥搅拌桩施工 本工程设计深层搅拌桩桩径500mm，桩间距1.01.4m，呈正三角形布置，总工作量1138120延米，深层搅拌桩底部原则上穿过软弱土层进入硬底不少于0.5m。主要设计参数见下表： 1、施工机具选择 选用PH5B、PHD型深层搅桩机40台，HPX-18、HPX-25型深层搅桩机。 HPX-18、HPX-25型深层搅桩机处理深度分别达到18m和25m，主要用于C区桩长18m悬浮式搅拌桩的施工。 2、

9、施工方案对比 第一次试桩，水泥搅拌桩采用四搅四喷工艺，水泥掺量分别为16%、18% 、20%。 根据第一次抽芯检测结果发现，水泥掺量为16%、18%四搅四喷的桩在淤泥层的强度仅为0.3、0.5。当P.O42.5水泥掺量提高到20%时，搅拌桩下部可满足要求，但上部不能符合设计要求（0.9MPa和0.6MPa）。 在与设计，业主，监理商议后决定，考虑到成本控制及加固效果，在桩的上部增加搅拌桩的搅拌次数及水泥掺量进行试桩，同时我司根据第一次试桩结果对大量试验数据进行分析同等软弱土层中含砂多少对桩强度影响较大，且单纯增加水泥掺入量(如掺入量大于20)，会在桩头部位的粉喷桩体中心产生“烧心”现象(因水泥

10、掺入量过高，地下水位较低，水泥硬化时产生的高温造成水泥土体强度降低的现象)。因此，项目部技术人员将解决“搅拌桩在软弱复杂软基成桩强度低问题”列为科技攻关的课题。 经过分析研究，在总结过往类似施工经验的基础上我公司提出了尝试改进水泥搅拌桩的方案，即采用水泥土砂石复合桩的方案进行第二次试桩。 第二次试桩，采用了多种方案进行对比，包括：水泥搅拌桩采用四搅四喷方案，水泥掺量分别为16%、18% ；搅拌桩上部8m六搅六喷采用P.O42.5水泥配合比掺量为22.5%，下部采用15%四搅四喷的方案；水泥掺量上部为24%的六搅六喷方案以及水泥土砂石复合桩（水泥掺量16%，砂桩直径为200mm）方案。 根据第二

11、次抽芯检测结果发现，当搅拌桩四搅四喷P.O42.5水泥配合比掺量为16时，桩上部强度为0.3Mpa、0.7Mpa、0.1Mpa不满足搅拌桩无侧限抗压强度的要求，桩下部强度基本满足，除个别点因地质差异达不到设计要求。 当搅拌桩四搅四喷P.O42.5水泥配合比掺量为18时桩上部强度为0.5Mpa、0.2Mpa、0.6 Mpa，不能满足设计要求，下部桩强度符合设计要求。 当搅拌桩上部8m六搅六喷采用P.O42.5水泥配合比掺量为22.5%，下部采用15%四搅四喷时可以看出桩身上部8m左右的无侧限抗压强度部分不能满足要求（最低的强度为0.9Mpa），下部基本符合要求（有一个点0.9Mpa）。 当搅拌桩

12、采用P.O42.5水泥掺量上部为24%（六搅六喷）基本符合要求（最低的一点为1.1Mpa），下部16%符合要求，通过检测可以满足设计要求。 根据地质勘测资料，试桩位置区域地质情况为上部8m左右为淤泥（2-B）淤泥质细砂层（2-2层）和少量淤泥质中砂层（2-3层），因此可以说明当搅拌桩配合比水泥掺量为16、18、22.5（四搅四喷）时，淤泥、淤泥质细砂层、淤泥质中砂层的搅拌桩无侧限抗压强度不能满足设计要求，即不能达到1.2MPa。水泥土砂石复合桩（水泥掺量16%，砂桩直径为200mm）的试桩强度最低的为1.7Mpa，满足设计及功能使用要求。 附：六搅六喷搅拌桩和水泥土砂石复合桩钻孔抽芯情况试桩对

13、比： 通过试桩对比，搅拌桩采用P.O42.5水泥掺量上部为24%（六搅六喷），下部16%（四搅四喷）及水泥土砂石复合桩（四搅四喷水泥掺量16%，砂桩直径为200mm）都能满足满足设计及功能使用要求，但是水泥土砂石复合桩的优势明显： 1、强度高、效果更好； 2、一般水泥搅拌桩存在着水泥土体刚度及强度较低，上部荷载传递深度较小的缺点，水泥土砂石复合桩可以有效地提高搅拌桩处理后土体刚度和强度，效果显著； 3、费用少，通过经济分析，水泥土砂石复合桩只需费用3400万，而搅拌桩采用P.O42.5水泥掺量上部为24%（六搅六喷），下部16%（四搅四喷）则需费用4500万，节约1100万。 3、水泥土砂石复

14、合桩对软弱土层的加固作用机理及优点 先在软基中打挤密砂石桩(可单纯用砂或石子)，再在砂石桩中心施打水泥搅拌桩，可形成水泥土砂石复合桩，桩体本身强度和刚度有大幅度提高，且砂石桩的打入也使原软弱天然地基得到挤密加强土层较软弱时，砂石桩使复合桩间仍有砂石桩存在，与桩间土三者构成复合地基。水泥土砂石复合桩对软弱土层的加固作用如下： (1)挤密置换作用。先施打砂桩，对软基中较软弱的部位先行挤密加固和置换作用(对于饱和软粘土)，桩长达软弱土层底下0.5m，提高该部位土体的密度和强度，使该软弱部位的承载力得到初次提高，再在砂石桩中心施打搅拌桩。 (2)排水固结通道作用：打入软土中的砂桩，在搅拌桩施工时会有大

15、量水分从中排出，有利于高含水量的软土排水固结。 (3)改善土体结构、增强水泥土体强度：在桩径为200mm的砂桩中心再施打水泥搅拌桩，相当于在桩径为500mm水泥土体中又接入了18左右的中粗砂，与水泥、原土体更均匀的拌和，不易发生水泥或土体富集现象，使水泥砂土复合体强度大幅度提高。在沿海淤泥质粉土中一般水泥土强度为1.4MPa，而含砂水泥土体强度高达35MPa。具有较高强度和刚度的复合桩体在上部荷载作用下，其荷载传递深度也远远大于一般水泥土搅拌桩。而单纯增加水泥掺入量(如掺入量大于20)，会在桩头部位的粉喷桩体中心产生“烧心”现象(因水泥掺入量过高，地下水位较低，水泥硬化时产生的高温造成水泥土体

16、强度降低的现象)。而单纯增大粉喷桩的置换率，造成桩间距过小又会产生“群桩效应”单桩复合地基静荷载测试结果虚高，而实际复合地基承载力较低的现象。 (4)构筑复合地基：如果复合桩间还有砂桩存在则与桩间土共同构成复合地基。砂桩也可作为排水通道在上部建筑施工和使用后长期存在，有利于软土后期固结。 (5)简化施工程序：对于较软弱土层(如回填土、冲填土、暗河、沟、塘等杂填土)存在的较复杂软基，采用水泥砂土复合桩进行地基加固可免去一般开挖、回填再加固处理的繁琐工序，并使部分沉降在施工中经排水、挤密、压迫而提前完成，减少了工后沉降和工后休止期，从而缩短工期，减少工程费用。 五、结束语 最终水泥土砂石复合桩成为专家和业主的认同方案并实施。施工实践证明，对搅拌