苗 壯

(中鐵二院西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

水泥攪拌樁復(fù)合地基若干關(guān)鍵問題研究評述

苗 壯

(中鐵二院西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

從復(fù)合地基承載力的確定、樁土相互作用受力機理、沉降量計算及預(yù)測三個方面分析了水泥攪拌樁復(fù)合地基研究中的若干關(guān)鍵問題，并對取得的成果進行了闡述，同時指出了今后需進一步探討的內(nèi)容要點，為工程施工技術(shù)水平的提高奠定基礎(chǔ)。

水泥攪拌樁，復(fù)合地基，沉降量，預(yù)測

水泥攪拌樁加固軟土的基本原理是基于水泥與土的物理化學(xué)反應(yīng)過程，通過專門機械設(shè)備將水泥噴入處理的軟土地基內(nèi)，并在噴注過程中將水泥與土體攪拌均勻，使水泥與土體發(fā)生一系列水解和水化反應(yīng)，生成水泥水化物并形成膠凝體[1]，形成的樁體具有較高的強度和較低的壓縮性，與周圍土體一起組成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載。水泥攪拌樁復(fù)合地基在施工完成一個月后，就可達到一定的強度，相對于排水固結(jié)法，該法施工速度較快、加固效果良好，廣泛應(yīng)用于軟土地基處理中。

雖然水泥攪拌樁已得到了廣泛的應(yīng)用，但一些設(shè)計理論問題仍不成熟。由于地層本身的非均勻性、各向異性，以及樁體與土體相互作用機理十分復(fù)雜，基于許多假設(shè)和簡化的設(shè)計理論往往與工程實際存在一定誤差，這種誤差的解決需要大量工程經(jīng)驗的積累，工程經(jīng)驗的總結(jié)對設(shè)計理論的檢驗，有助于推動設(shè)計理論的發(fā)展和完善。文獻[2]指出，水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降計算水平遠低于地基承載力的，也與工程實踐存在一定誤差[2]。因此，本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，探討水泥攪拌樁目前研究中的一些關(guān)鍵問題及未來需要進一步研究的內(nèi)容。

1 復(fù)合地基承載力的確定

水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力與許多因素有關(guān)，與單樁承載力、樁周土的工程性質(zhì)以及兩者之間的相互作用有關(guān)，承載力一般可根據(jù)現(xiàn)場靜載試驗或理論計算確定，靜載試驗最能夠反映承載力的作用機理，但靜載試驗往往花費較大，在現(xiàn)場靜載試驗不可取的情況下，可以借助于理論公式計算單樁豎向抗壓極限荷載。目前計算方法主要有兩種，即灌注樁相似法和樁土相互作用法(規(guī)范推薦的方法)。文獻[3]認為水泥攪拌樁的工作機理與混凝土灌注樁的極為相似，因此建議采用灌注樁的極限荷載理論計算水泥攪拌樁的。該法取按樁身承載力和樁與樁周土強度兩個條件決定的承載力的較小值[4]，見式(1)；對于復(fù)合地基承載力，可通過現(xiàn)場復(fù)合地基靜力載荷試驗求得，或按式(2)計算：

Rk=ηfcu,kAp，Rk=qsUpl+αApqp

(1)

(2)

限于篇幅，公式符號具體意義可參見《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》。

2 樁土相互作用受力機理

現(xiàn)場實測是揭示水泥攪拌樁復(fù)合地基在荷載作用下受力變形特征規(guī)律一種非常重要的手段，目前工程界十分重視其現(xiàn)場試驗研究[5,6]，試驗研究的主要內(nèi)容有：單樁和復(fù)合地基承載力試驗、路基沉降和側(cè)向變形、樁土應(yīng)力比和荷載傳遞規(guī)律等，通過在地基內(nèi)埋設(shè)相關(guān)測試儀器進行觀測，及時反饋工程信息，對施工進行指導(dǎo)。工程監(jiān)測受試驗儀器、場地復(fù)雜程度等諸多因素影響，測試結(jié)果也不盡相同，許多測試方法還有待改進。

文獻[7]分析了用測斜儀測量軟土路基側(cè)向變形存在的問題，考慮了軟土層頂部硬殼層對測斜管的約束及測斜管與軟土剛度差異等影響因素，探討了測斜管與軟土相互作用的力學(xué)機理及位移計算方法。在樁土應(yīng)力比研究方面，文獻[8]通過現(xiàn)場測試，分析了樁土應(yīng)力比的測試結(jié)果；文獻[9]認為柔性基礎(chǔ)下的復(fù)合地基樁土應(yīng)力比n數(shù)值遠比剛性基礎(chǔ)下小得多，指出了規(guī)范推薦的n=3～6偏大，樁土應(yīng)力比在加荷初期最大，隨著荷載的增加而減小，后又增加呈波浪形變化；文獻[10]通過現(xiàn)場試驗并結(jié)合樁間土的室內(nèi)三軸試驗，分析了樁土應(yīng)力比產(chǎn)生的機理，指出樁身材料表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，而樁間土表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，所以樁土應(yīng)力比先是增大，達到峰值后逐漸減?。淮送?，文獻[11]根據(jù)攪拌樁荷載傳遞規(guī)律分析提出了包含樁頂沉降量的樁土應(yīng)力比公式；文獻[12]通過對復(fù)合地基上部填土的力學(xué)分析，推導(dǎo)出一個求解樁頂平面處的樁土應(yīng)力比公式。柔性路堤下的水泥攪拌樁復(fù)合地基和剛性基礎(chǔ)下的水泥攪拌樁復(fù)合地基的受力機理不同，文獻[13]通過離心機試驗?zāi)M樁土的應(yīng)力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)路堤下的水泥攪拌樁地基，樁土沉降量并不同步，樁土應(yīng)力比達到峰值小于預(yù)壓期；當(dāng)樁間距一定時，外荷載越大，樁土應(yīng)力比反而降低。

3 沉降量計算及預(yù)測

3.1 沉降量計算

目前水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降理論的實用計算方法，包括復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法和樁身壓縮量法三種。這些方法都認為復(fù)合地基的沉降量由復(fù)合土層的沉降量S1和樁端以下未加固土層的沉降量S2兩部分組成，即：S=S1+S2。復(fù)合加固土層的壓縮量一般可取10 MPa～30 MPa，目前較為成熟的計算方法包括：

1)復(fù)合模量法，根據(jù)樁土置換率、樁身壓縮模量、樁間土壓縮模量，換算成一種壓縮模量，稱為復(fù)合模量，在加固土層內(nèi)，用該復(fù)合模量計算該層的沉降量，可采用分層綜合法或應(yīng)力面積法。2)應(yīng)力修正法(Es法)，根據(jù)樁土應(yīng)力比換算出樁土各自分擔(dān)的荷載，忽略掉水泥攪拌樁的存在，用彈性理論結(jié)合分層綜合法求出加固土體的沉降量，視為復(fù)合地基的沉降量。3)樁身壓縮量法(Ep法)，由于水泥攪拌樁為柔性樁，所以在上部荷載作用下，可假定樁體底端不會刺入下部未加固土層。根據(jù)樁土應(yīng)力比，求出作用在樁體上的荷載，采用樁體的壓縮模量計算樁身壓縮量，將樁身壓縮量視為復(fù)合地基加固區(qū)的沉降量。

水泥攪拌樁加固體以下部分的下臥層沉降，可以采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》推薦的分層總和法求解，加固區(qū)下部下臥層的荷載，一般可以采用應(yīng)力擴散法、等效實體法和當(dāng)層法。此外還有Mindlin-Geddes方法以及改進的Geddes法[14]。

文獻[3]通過對本構(gòu)模型和參數(shù)的選取，將加固體和下臥層看作雙層加筋地基，采用數(shù)值分析計算復(fù)合地基沉降量。文獻[4]將水泥土攪拌樁復(fù)合地基用復(fù)合模量法計算出臨界樁長范圍內(nèi)的壓縮量作為加固層的壓縮量，下臥層采用分層總和法計算。

3.2 最終沉降量預(yù)測

由于室內(nèi)試驗和沉降計算理論的種種局限性，使得沉降的計算值與實測值往往存在著較大的差距，因此采用沉降的實測值預(yù)測工后沉降具有十分重要的意義，人們提出了多種沉降預(yù)測方法，例如：雙曲線法、指數(shù)曲線、Asako法、三點法、日本常用的星野法和淺崗松尾法等。每種模型都有其優(yōu)點和缺點，難以肯定哪一種模型更能符合實際情況，具體情況具體分析。例如：雙曲線法和指數(shù)法表達簡單，易于計算，但是工程初期的沉降并不表現(xiàn)為雙曲線和指數(shù)形，僅適用于沉降平緩的階段(荷載穩(wěn)定)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合的預(yù)測值與實測值非常接近，適合于整個實測期范圍內(nèi)的預(yù)測，但是預(yù)測地基的最終沉降，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測的結(jié)果不盡人意，可能表現(xiàn)得不合常理；灰色GM(1，1)是指數(shù)增長的曲線，并不趨于一個穩(wěn)定的值，前期的預(yù)測效果也較好，但是長期的預(yù)測值有無限增長的特征。對地基做地下處理之后，其沉降觀測資料用三點法計算就不會理想，而對于未做地下處理的地基，不能用門田法分析對應(yīng)的觀測資料。

文獻[15]建立了考慮流變對沉降的影響沉降與時間關(guān)系的模型，采用最小二乘法對模型系數(shù)進行回歸，利用建立的模型預(yù)測沉降。近幾年發(fā)展起來的灰色理論方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，所有這些方法各有其優(yōu)、缺點，關(guān)鍵在于工程的實際情況，在實踐中不斷積累經(jīng)驗，掌握應(yīng)用的技巧。文獻[16]指出不管用上述哪一種方法，推算出的沉降值基本上都小于實測值。土層越軟弱，越深厚，偏差就越大。

4 進一步研究的內(nèi)容

雖然水泥攪拌樁已有不少成功案例，且進行了大量研究，取得了眾多研究成果，但對于其研究仍存在一些需要進一步研究的內(nèi)容：

1)水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力確定方面，通常情況下由樁體本身確定的承載力要大于由樁土相互作用確定的，樁土相互作用的機理非常復(fù)雜，不但與樁土的界面摩擦性能、樁底土的工程性質(zhì)有關(guān)，還取決于兩者的壓縮模量比例大小。這些受力作用機理綜合地可以通過靜載試驗結(jié)果反映出來，因此搜集不同工程靜載試驗結(jié)果，與地層條件進行比對，找出相應(yīng)的規(guī)律或反推理論計算公式的經(jīng)驗參數(shù)，具有十分重要的意義。

2)樁土相互作用情況可利用樁土應(yīng)力比的大小來衡量，該值與樁土的相互作用與上部荷載形式、大小等密切相關(guān)。對于柔性荷載，可通過對上部填土內(nèi)部受力機理的分析，根據(jù)力平衡原理，求出樁土應(yīng)力的關(guān)系，總結(jié)出一個實用的樁土應(yīng)力比理論或經(jīng)驗公式。

3)水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降的計算方法有很多，但是各計算結(jié)果相差很多，且與沉降實測值有較大的差距。因此對以往的沉降計算方法進行分析，分析其缺點和適用性，對某種方法的適用性進行驗證?？紤]到土性參數(shù)的變異性，求出水泥攪拌樁復(fù)合地基在某一概率下的沉降值區(qū)間，這比采用單一的沉降值更具合理性。

4)沉降預(yù)測方面。每種預(yù)測方法都有其優(yōu)缺點，水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降特性與傳統(tǒng)的軟土地基沉降特性有所差異，探討不同方法的預(yù)測精度，找出相對合理的預(yù)測方法，此外也可以采用綜合預(yù)測方法對最終沉降進行預(yù)測。

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The review on several key research issues about cement mixing pile composite foundation

MIAO Zhuang

(Xi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaRailwayEryuan,Xi’an710054,China)

The paper analyzes some key problems in the research on the composite foundation of the cement mixing pile from the stressed mechanism of the mutual effect between piles and soil, the calculation of the settlement volume, and the forecasting, illustrates some achievement, and points out the contents of the study in future, so as to lay the foundation for the improvement of the construction technology of projects.

cement mixing pile, composite foundation, settlement volume, forecasting

1009-6825(2014)03-0096-02

2013-11-06

苗 壯(1980- )，男，工程師

TU473

A