CN100507161C - 混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法 - Google Patents

Abstract

混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法。本发明属于建筑地基处理方法，特别是混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法。本发明的单桩承载力按①水泥土强度破坏、②地基土强度破坏、③桩身组合强度破坏和④上段地基土与芯桩组合强度破坏四种可承受的抗力的最小值选取；桩距按搅拌桩桩径的2.5倍并≥4倍芯桩直径综合选取；复合桩上段桩径为400mm～850mm，桩长为3m～25m；芯桩延伸出的长度为2m～45m。本发明将混凝土桩、水泥土搅拌桩、长短桩技术相互渗透有机组合融为一体，发挥各自优点，具有承载力高、沉降小、设备简便、质量保证、无挤土效益、施工环境好、显著降低造价、应用面广等优点，特别适用厚软弱土地区地基处理。

Description

混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法

技术领域

本发明属于建筑地基处理方法，特别是混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法。

背景技术

多高层建筑及构筑物基础工程中一般采用复合地基或桩基础的地基处理方法来改善软弱土的工程特性，以满足设计所需的承载力和沉降要求。软弱土地基包括：软粘土、填土、淤泥、有机质土、泥炭土、饱和粉细砂等，广泛分布在我国沿海以及内地河流两岸和湖泊地区，昆明滇池、大理洱海是我国著名软弱土地区，软弱土地基处理技术与工程安全、进度和投资密切相关，是工程建设中的关键技术。水泥土搅拌桩、石灰桩、土工合成织物等一般的复合地基软基处理技术对软土层强度提高有限而且安全性差。而对混凝土桩(预制桩、灌注桩)，若将其作为软土层上的摩擦桩使用，当桩身材料强度的很大部分尚未发挥时，桩周土层对桩的承载力已达极限，桩基沉降过大而无法继续承担荷载，造成桩身材料的浪费，很不经济。例如昆明海埂2～3层别墅要打20几米长混凝土桩，占工程土建造价1/4。再者软弱土一般含水量大，混凝土桩为挤土桩，昆明海埂多处发生土体破坏隆起、甚至整体移动危害现象。

我国于上世纪末研发了短芯搅拌桩，在云南、江苏、天津等地试点应用，一般桩径为500mm，水泥土搅拌桩长小于16米，芯桩为220mm×220mm的方楔形，芯短桩长，仅能用于多层建筑浅层地基处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种外形受载性能合理、质量可靠、承载力高、低沉降、低造价、应用面广，能有效用来解决深层厚软弱土地区地基的处理。

解决本发明的技术问题所采用的方案是按如下步骤进行：

(1)首先根据建筑要求、地质条件等确定桩基础或复合地基方案，设计混凝土长芯水泥土复合桩并确定基础尺寸；

(2)在工地按布桩位置利用深层搅拌机制作水泥土搅拌桩；

(3)在水泥土搅拌桩中压入预制混凝土长芯桩或复打混凝土灌注长芯桩而形成外形桩短芯长的复合桩；

(4)在桩顶浇制混凝土桩帽，桩帽与基础承台锚接或在承台与桩帽间设置褥垫层。

在上述的地基处理步骤中，技术特点是，单桩承载力按①水泥土强度破坏、②地基土强度破坏、③桩身组合强度破坏和④上段地基土与芯桩组合强度破坏四种可承受的抗力的最小值选取；视地质及施工设备条件选择所述的复合桩上段桩径400mm～850mm，桩长为3m～25m；混凝土芯桩延伸出的长度为2m～45m；桩距按搅拌桩桩径的2.5倍并≥4倍芯桩直径综合选取。

单桩具体组合尺寸确定方法，依据以下四条件：

地基土强度破坏        R_a1＝F₁+F₃+F₄+F₅　　　　　　(1)

桩身组合强度破坏      R_a2＝F_p+F_c　　　　　　　　　(2)

水泥土强度破坏        R_a3＝F₂+F₃+F₅         (3)

上段地基土与芯桩组合强度破坏

R_a4＝F₁+F₄+F_c           (4)

式中：F₁、F₄为水泥土搅拌桩与地基土总侧阻力和总端阻力，

F₃、F₅为芯桩下段与地基土总侧阻力和总端阻力，

F_P、F_C为水泥土搅拌桩强度和芯桩的桩身强度，

F₂为芯桩上段与水泥土总侧阻力，

单桩承载力特征值R_a取其中最小值。设计时可以根据上部结构、地质土层、施工设备制桩能力，先选择水泥土搅拌桩的桩径和桩长，再设桩顶荷载N＝R_a＝R_a1＝R_a2＝R_a3＝R_a4，在此基础上得到芯桩经济合理优化尺寸和长度，由此可见本方法具有“设计可调性及承载力多值性”特点。采用桩基础时，确定单桩承载力R_a后，计算出桩数n，取桩距2.5倍水泥土搅拌桩桩径D，桩距同时不小于4倍芯桩直径d，得出基础尺寸。

采用复合地基处理方法时，求得桩和桩间土复合地基承载力特征值f_spk，可按下式估算：

$f_{\mathrm{skp}}=m\frac{R_a}{A_p}+\mathrm{\α}(1-m)f_{\mathrm{sk}}---\left(5\right)$

式中：m——面积置换率，等于桩面积A_p与该桩所对应(或所承担)的复合面积A的比值，即m＝A_p/A；

f_sk——桩间天然地基土承载力特征值(kPa)；

β——桩间土承载力折减系数，视复合地基强度发挥条件，取0.3～0.9；

在本发明的方法中，水泥土搅拌桩为湿法浆体搅拌施工，固化剂用强度等级32.5级以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺量为被加固软土质量的7％～24％，水泥浆水灰比为0.5～1.1，外掺剂可根据土质条件和工程需要选用。

混凝土芯桩在水泥土初凝前插入水泥土搅拌桩中，预制芯桩为方柱形、长方柱形、管形、方楔形，用静力压桩机或专用的深搅----压桩机施工。复打灌注芯桩为圆柱形、方柱形、长方柱形，用沉管灌注桩机施工，沉管下端设活瓣桩尖或设预制混凝土桩尖。芯桩外边缘(角)距搅拌桩外边不小于80mm。

桩帽直径与搅拌桩桩径相同，高度为400mm～600mm，每桩与基础承台锚固钢筋不小于2根，且锚固钢筋直径≥12mm，锚固长度大于30倍锚筋直径。复合地基时在承台与桩帽间设置褥垫层，砂碎石级配混合层厚200mm～300mm。采用复合地基应满足形成复合地基条件，即桩和桩间土沉降一致、共同承担荷载，当桩端持力层为软土时也可采用锚固钢筋伸入基础承台，否则应设褥垫层。

水泥土搅拌桩桩、混凝土桩使用一种材料，其设计理论为存在二种破坏状态：1)桩身材料强度破坏；2)桩身与地基土结合界面强度破坏(简称地基土强度破坏)。不同的理论方法研发出不同产品，沿用传统的二种破坏态理论，不能解释复合桩的工作机理和受力状态，缺乏正确理论指导其地基处理方法就存在盲目性和不安全因素。本专利则提出了“混凝土长芯水泥土复合桩存在三种破坏状态”：1)桩身组合材料强度破坏；2)桩身与地基土结合界面强度破坏(简称地基土强度破坏)；3)芯桩与水泥土结合界面强度破坏(简称水泥土强度破坏)。因此其计算模型符合复合桩的实际工作条件。在确定地质条件下，两种破坏状态当桩身材料、桩径、桩长选定时，其承载力为定值。而三种破坏状态则不同，其承载力还随芯桩粗细、长短而变化，芯桩类似混凝土构件中的钢筋作用，故具有“设计可调性和承载力多值性”特点，通过优化、量化芯桩尺寸，从而达到保证安全、经济合理、技术先进的目的。

施工方法如下：

搅拌桩机械就位→调平→搅拌、喷浆→完成搅拌桩制作→搅拌桩机械移位→压桩机或沉管灌注桩机就位→压入预制混凝土芯桩(或复打灌注芯桩)→移位进行下一根桩施工。

施工机械有两种方案。一为专用设备，深搅和压芯桩合用一台机械完成，预制混凝土芯桩长≤14m时可以实施。二为2台设备合作，深搅机在先，压桩机或沉管灌注桩机在后。

有益效果

混凝土长芯水泥土复合桩具有高承载力、低沉降、应用面广、显著降低工程造价等有益效果，是一项广泛普遍适用的地基处理方法，特别是厚软弱土地基处理新技术方法，其原因如下：

(1)组合桩径大。混凝土桩造价昂贵，施工压桩阻力大，只得尽量选小桩径；而混凝土长芯水泥土复合桩价格低，施工压桩阻力微小，故尽可能做大桩径，使桩身组合强度大幅度提高，桩侧摩阻力和桩端端阻力充分发挥。而水泥土搅拌桩为柔性桩，桩身强度低且破坏在浅层，只有浅层的小部分摩阻力充分发挥，故其承载力很低，约为同桩径混凝土长芯水泥土复合桩的1/3～1/6，受桩身强度控制，安全性差。

(2)桩短芯长。芯桩直接进入持力层，起着向水泥土搅拌桩扩散荷载及直接向地基土深层传递荷载的双重作用，使组合刚度大幅提高，是一种新型的完全的刚性桩。桩身压缩量微小(与混凝土桩相同，约为水泥土搅拌桩的1/100)，协调变形能力强，侧阻力和端阻力发挥值提高。桩土刚度比增大，有效桩长增长，桩下部摩阻力端阻力也能充分发挥作用，其沉降量与混凝土桩相同。

(3)双层扩散荷载传递模式。荷载→芯桩→水泥土→桩周土体，为二个介面(第一介面芯桩与水泥土结合面、第二介面水泥土与地基土结合面)双层扩散模式，其应力梯度较小，使得混凝土长芯水泥土复合桩具有比混凝土桩更大的桩土应力比和摩阻力。

(4)芯桩的骨架作用。桩的破坏是由局部到整体过程，在厚软土地区，芯桩把上下好的土层“串联”起来，起到传递分布荷载、维护整体稳定、阻止局部破坏作用，提高建筑地基安全性。

(5)施工复打效应。施工成桩过程中，插入预制芯桩或复打灌注芯桩均会向外挤扩水泥土搅拌桩，增加水泥土和土体密实性和强度，显著提高二个介面的侧摩阻力；同时因水泥土未初凝，不会像混凝土桩那样产生不良挤土效应。

(6)经济合理形状。水泥土搅拌桩价格为混凝土桩的1/4，芯桩截面一般为混凝土桩截面的20％～45％，用廉价材料代替昂贵材料，混凝土长芯水泥土复合桩经济合理的外形设计，符合地基土应力变化，充分发挥材料功能，既大量提高承载力，又大幅度降低工程造价。在单桩承载力相同条件下，替代混凝土桩一般降低桩基工程造价20％～50％，同时降低基础承台造价20％～40％。

(7)设计可调性。通过调整芯桩参数，改变其桩身强度和等效刚度，因而承载力提高幅度也不同，故与水泥土搅拌桩、混凝土桩不同，混凝土长芯水泥土复合桩具有人工设计可调整承载力特点。因此使用范围广，既可用于复合地基、又可用于桩基工程；也可与柔性桩(水泥土搅拌桩)或刚性桩(混凝土桩)结合使用。如软土、厚软土地区多层建筑地基基础，中等强度土地区多高层建筑地基基础，公路、铁路的路桥地基基础，特种结构和基坑工程等。在建筑工程、交通工程、市政工程、村镇建设各领域均有广泛应用前景。

如上所述，混凝土长芯水泥土复合桩建筑基础处理方法将普通的混凝土桩(预制桩、灌注桩、管桩)、水泥土搅拌桩(深层搅拌桩)、长短桩(在筏板基础下同时布置混凝土长桩和水泥土搅拌短桩)的技术相互渗透、有机组合融为一体，发挥各自优点，取长补短。

附图说明

图1 混凝土长芯水泥土复合桩结构示意图；

图2 桩基础桩顶构造示意图；

(注：桩端持力层为软弱土时，本构造图也可用于复合地基)

图3 复合地基桩顶构造示意图；

图4 布桩示意图；

图5 混凝土长芯水泥土复合桩受力图。

1......水泥土搅拌桩(搅拌桩)        6......混凝土条基

2......混凝土长(芯桩)              7......桩帽(内配构造钢筋)

3......混凝土长芯水泥土复合桩      8......锚筋

4......混凝土基础承台              9......混凝土垫层

5......混凝土柱                    10......级配砂石褥垫层

具体实施方式

实施例一

某商业广场A、B栋，边柱基础底面轴力标准值N＝1980kN，建设方使用桩基础φ500长18m预应力混凝土管桩，按2号试桩地质资料计算，单桩承载力特征值R_a＝628kN，静载试验为483kN，设计采用500kN，4桩承台，桩距4d＝2m，承台3×3＝9平米。管桩综合单价168元/m，每根桩3024元；A、B拣共333根桩，总价100.7万元。

地质资料

 

土层名称	土层厚度(m)	承载力特征值f<sub>ak</sub>(kPa)	管桩周土摩阻力特征值q<sub>s</sub>(kPa)	管桩端土承载力特征值q<sub>p</sub>(kPa)	灌注桩周土摩阻力特征值q<sub>s</sub>(kPa)	灌注桩端土承载力特征值q<sub>p</sub>(kPa)
							1.人工填土	1.8		10
2.粘土	2.0	150	30
							3.淤泥质土	5.7	60	10
3<sub>1</sub>.粘土	2.0	100	15
							4.粘土	0.5+3.1	170	28	500	25	500
5.粘土	2.9+3.3	130	16	700	13	600

注：复合桩上段桩的摩阻力、端阻力取管桩值。

混凝土长芯水泥土复合桩方案1：φ600搅拌桩+φ300管桩芯桩

建筑基础地基处理方法步骤为：

(1)桩基础：设复合桩上段桩径φ600，桩长L₁＝12m，芯桩为φ300管桩，延伸段长L₂＝6m，芯桩总长L₁+L₂＝18m，管桩C60，水泥土抗压强度1.2Mpa，持力层为第5层土与管桩设计相同。

计算F₁～F₅、F_c、F_p得R_a＝R_a1＝619kN，R_a2＝963kN，R_a3＝704kN，R_a4＝1330kN。桩距2.5D＝1.5m，4桩承台2.5×2.5＝6.25平米。

(2)在工地按布桩位置用深层搅拌机制作水泥土搅拌桩φ600，湿法浆体搅拌施工，固化剂为32.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量16％～18％，水泥浆水灰0.7～0.8，第3层淤泥质土较厚，可加外掺剂。

在水泥土初凝前(一般在制作水泥土搅拌桩后4小时内)，用小型静力压桩机将φ300管桩对中心压入水泥土搅拌桩，管桩为2节9m，注意保证接头焊接质量。

在桩顶制作C20混凝土桩帽，其直径与施工实际桩径同，高500mm，上下两层φ8，间距150mm的方格钢筋网，将芯桩钢筋做锚筋每桩4根φ12锚入基础承台。

混凝土长芯水泥土复合桩方案2：φ600搅拌桩+φ400灌注芯桩

建筑基础地基处理方法步骤为：

(1)桩基础：设复合桩上段桩径φ600，桩长L₁＝12m，芯桩为φ400沉管灌注桩，延伸段长L₂＝6m，芯桩总长L₁+L₂＝18m，芯桩混凝土C20，水泥土抗压强度1.2Mpa，持力层为第5层土与管桩设计相同。

计算F₁～F₅、F_c、F_p得R_a＝R_a1＝636kN，R_a2＝758kN，R_a3＝817kN，R_a4＝1119kN。桩距4d＝1.6m，4桩承台2.6×2.6＝6.76平米。

(2)在工地按布桩位置用深层搅拌机制作水泥土搅拌桩φ600，湿法浆体搅拌施工，固化剂为32.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量16％～18％，水泥浆水灰0.7～0.8，第3层淤泥质土较厚，可加外掺剂。

(3)在水泥土初凝前(一般在制作水泥土搅拌桩后4小时内)，用沉管灌注桩机复打φ400灌注桩对中心插入水泥土搅拌桩，桩纵向钢筋φ12，间距200mm，箍筋为φ6，间距200mm，沉管下端带预制桩尖。

(4)在桩顶制作C20混凝土桩帽，其直径与施工实际桩径同，高500mm，上下两层φ8，间距150mm的方格钢筋网，用芯桩钢筋做锚筋每桩4根φ12锚入基础承台。

实施效果分析

 

建筑基础处理方法	桩总长(m)	设计承载力(kN)	单根桩价格(元)	价位比(kN/元)	A、B栋总价(万元)	4桩承台面积(m<sup>2</sup>)
							ф500管桩	18	628	3024100％	4.82100％	100.7100％	9.0100％
ф600搅拌桩+ф300管桩芯桩	12+6＝18	619	2420*80％	3.9181.1％	80.680％	6.2569.4％
							ф600搅拌桩+ф400灌注芯桩	12+6＝18	636	1714*56.7％	2.6955.8％	57.156.7％	6.7675.1％

注：3种处理方法沉降计算值相同，*计入从自然地面至基础底面1.5m长φ600水泥土搅拌桩费用。

实施例二

昆明滇池边某温泉渡假村最大柱荷载约8000kN，岩土工程勘察报告提出使用桩基础，400mm×400mm方桩，桩长42m，估计单桩承载力特征值为1200kN～1400kN，以2040钻孔计算为1355kN。每根桩8736+450(袋装砂井)＝9186元。

2040钻孔地质资料(基础底面以上填土未列出)

 

土层名称	土层厚度(m)	承载力特征值f<sub>ak</sub>(kPa)	预制桩周土摩阻力特征值q<sub>s</sub>(kPa)	预制桩端土承载力特征值q<sub>p</sub>(kPa)
					2<sub>1</sub>淤泥	3.3	55	13
2<sub>2</sub>粉土	3.6	85	19
					4<sub>1</sub>淤泥	5.8	60	15
4<sub>2</sub>粉土	1.5	120	23
					4<sub>3</sub>淤泥	9.8+13.4	80	18	200
4<sub>4</sub><sup>1</sup>粘土	2.9	130	22.5	450
					4<sub>4</sub>粉砂	1.7+2.8	150	30	800
4<sub>5</sub>有机质粘土	10	120	22.5	450

注：复合桩上段桩的摩阻力、端阻力取预制桩值。

选用混凝土长芯水泥土复合桩方案，φ600搅拌桩+φ400管桩芯桩。设复合桩上段桩径φ600，桩长L₁＝24m，芯桩为φ400管桩，延伸段长L₂＝18m，芯桩总长L₁+L₂＝42m，管桩混凝土C60，水泥土抗压强度1.5Mpa，持力层为第4₄层土与预制方桩设计相同。

计算得Ra＝Ra1＝1353kN，单桩承载力、桩数相同，沉降相等，桩距、承台尺寸相同，每根桩价格6188元，为预制方桩方案的67.4％。

以上实施例一、例二的承载力计算中均设复合桩上段桩径与搅拌桩设计桩径相同，如取加入芯桩后的复合桩上段桩径计算，则复合桩上段摩擦力提高10％左右，其经济指标更好。

Claims (5)

1、一种混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法，按以下步骤进行：

(1)根据建筑要求、地质条件等确定桩基础或复合地基方案，设计混凝土长芯水泥土复合桩并确定基础尺寸；

(2)在工地按布桩位置利用深层搅拌机制作水泥土搅拌桩；

(3)在水泥土搅拌桩中压入预制混凝土长芯桩或复打混凝土灌注长芯桩而形成芯桩延伸出水泥土搅拌桩的复合桩；

(4)在桩顶浇制混凝土桩帽，桩帽与基础承台锚接或在承台与桩帽间设置褥垫层；

其特征是，单桩承载力按①水泥土强度破坏、②地基土强度破坏、③桩身组合强度破坏和④上段地基土与芯桩组合强度破坏四种可承受的抗力的最小值选取；视地质及施工设备条件选择所述的复合桩上段桩径400mm～850mm，桩长为3m～25m；芯桩延伸出的长度为2m～45m；桩距按搅拌桩桩径的2.5倍并≥4倍芯桩直径综合选取。

2、根据权利要求1所述的混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法，其特征是，所述的水泥土搅拌桩为湿法浆体搅拌施工，固化剂用强度等级32.5级以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺量为被加固软土质量的7％～24％，水泥浆水灰比为0.5～1.1。

3、根据权利要求1所述的混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法，其特征是，芯桩外边缘距搅拌桩外边缘≥80mm。

4、根据权利要求1所述的混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法，其特征是，所述桩帽直径与搅拌桩径相同，高度为400mm～600mm，每桩与基础承台锚固钢筋≥2根，直径≥12mm，锚固长度大于30倍锚筋直径。

5、根据权利要求1所述的混凝土长芯水泥土复合桩建筑地基处理方法，其特征是，复合地基时在承台与桩帽间设置褥垫层，砂碎石级配混合层厚200mm～300mm。

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