CN111321733A - 一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构 - Google Patents

一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构 Download PDF

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CN111321733A CN202010122502.7A CN202010122502A CN111321733A CN 111321733 A CN111321733 A CN 111321733A CN 202010122502 A CN202010122502 A CN 202010122502A CN 111321733 A CN111321733 A CN 111321733A
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Abstract

本发明公开了一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，根据建筑地基基础的承台或筏板基础或箱形基础底面预制桩分布范围及预制桩中心位置施工水泥土搅拌桩，水泥土搅拌桩的水泥土固化剂制备浆液中掺入辅料和/或外掺剂；然后在相应的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩，预制桩顶设置钢筋混凝土承台或筏形基础或箱形基础。本发明的复合地基承载结构将水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩有机地结合起来，通过搅拌桩施工改善了地基土的物理力学性质，利于钢筋混凝土预制桩的沉桩施工，并可显著减少对场地地基的挤土效应，增加预制桩的侧阻力、端阻力标准值，增强搅拌桩处理的地基土承载力特征值，从而提高复合地基的承载力。

Description

一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构
技术领域
本发明涉及建筑地基基础工程技术领域，具体涉及一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构。
背景技术
近些年，随着城市建设的发展，钢筋混凝土预制桩被大量采用作为建筑物的地基基础，水泥土搅拌桩主要被用来加固软土地基并与天然地基组成复合地基。目前，钢筋混凝土预制桩通常采用静压、锤击、振动等方法沉入至地基中设计深度，其沉桩设备比较笨重、庞大，施工现场运移不是很方便，且无论是空心的预制桩还是实心的预制桩，在沉桩过程中的挤土效应都比较大，特别是在地下水位以下的粉土、粉细砂层中沉桩，因沉桩速度快会导致土层的孔隙水压力急剧升高，造成更大的挤土效应，对天然地基土的扰动也特别大，会使施工场地周边临建物地基发生较大的隆起，严重时会造成房屋基础及墙体开裂，影响临建物的正常使用。此外，因沉桩时的压桩力、锤击力、振动力过大，会导致桩顶混凝土局部破损，影响了预制桩的正常使用。
单独使用水泥土搅拌桩加固软土地基，因水泥土搅拌桩桩身抗压强度、抗剪强度、抗拉强度都比较低，不能承受过大的竖向荷载，其水平承载力更加有限，且复合地基的沉降变形也比较大，使水泥土搅拌桩复合地基的应用受到了一定限制。
发明内容
本发明旨在提供一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，从根本上解决采用传统的静压、锤击、振动等方法沉入预制桩过程中的挤土效应，避免因沉桩时的压桩力、锤击力、振动力过大所导致桩顶混凝土局部破损问题；解决单独使用水泥土搅拌桩加固软土地基承载力低、复合地基的沉降变形比较大的问题。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
将水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩有机地结合起来，在先施工的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩，通过桩顶设置的钢筋混凝土承台或筏形基础或箱形基础等基础形式组成复合地基的承载结构，并给出钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值、水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值及复合地基承载力特征值的估算方法。
一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，根据建筑地基基础的承台或筏形基础或箱形基础等基础形式区域内预制桩分布范围及预制桩中心位置施工水泥土搅拌桩，通过往水泥土搅拌桩的水泥土固化剂制备浆液中掺入粉煤灰、硅粉等辅料，掺入石膏、三乙醇胺、氯化钠、木质素磺酸钙、水玻璃等一些外掺剂，调整搅拌桩水泥土的性能，以改善地基土的物理力学性质，然后在相应的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩，通过预制桩顶设置的钢筋混凝土承台或筏形基础或箱形基础等基础形式组成复合地基的承载结构。
更进一步地，所述的水泥土搅拌桩主要采用42.5级普通硅酸盐水泥作为水泥土固化剂，制备浆液的水灰比一般为0.55～0.70。
更进一步的，根据需要可以往水泥浆中掺入25％～50％粉煤灰、5％～10％硅粉等辅料，也可向水泥浆中掺入2％～3％石膏、0.05％～0.1％三乙醇胺、0.5％～1.0％氯化钠、0.5％～1.0％木质素磺酸钙、5％～10％水玻璃等一些外掺剂，掺入比例均指与水泥的重量百分比，具体应通过室内试验及现场试验确定掺入的辅料及外掺剂的种类及比例，以达到调整搅拌桩水泥土性能的目的。
更进一步地，所述的水泥土搅拌桩施工：利用搅拌桩机(单轴、双轴、三轴、五轴等机型)就地原位搅拌将配制好的水泥固化剂浆材与软土地基强制搅拌形成水泥土加固体，通过调整搅拌喷浆次数、注浆量、搅拌头回转速度及升降速度等施工作业参数使水泥掺入比(指掺加的水泥量与被加固软土地基的天然湿重之百分比)达到7％～25％，以满足搅拌桩水泥土加固体的物理力学性能要求。作为优选的，水泥土搅拌桩可采用柱状、壁状或块状等平面布置形式，搅拌桩水泥土固结体28d龄期的无侧限抗压强度0.8～1.5MPa，90d龄期的无侧限抗压强度1.5～2.5MPa、无侧限抗剪强度0.3～0.6MPa、无侧限抗拉强度0.1～0.4MPa、压缩模量70～120MPa。
更进一步地，在地基基础的单元区域内完成搅拌桩的施工后，及时在相应的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩，采用吊车吊起预制桩至相应的桩位垂直向下沉入就可实现预制桩的置入，其预制桩的截面形状为圆形、方形等(可以是中空，也可以是实心的)，预制桩的桩径、桩长、桩间距、桩数及平面布置应根据复合地基承载力计算和沉降变形控制要求确定，对于多节桩可采用法兰盘、焊接、插筋硫磺胶泥胶结等方法实现上、下桩节的连接，通过桩顶设置的钢筋混凝土承台(或筏形基础、箱形基础等基础形式)组成复合地基的承载结构。
更进一步地，对于在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定，也可按以下公式估算：Ra1＝ατkul+βσk(Ap0+λpAp1)。式中，Ra1为钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值(kN)；α为水泥土搅拌桩无侧限抗剪强度的折减系数，α＝0.2～0.4；τk为水泥土搅拌桩90d龄期的无侧限抗剪强度特征值，取τk＝300～600kPa；u为预制桩的桩身周长(m)；l为预制桩的桩长(m)；β为水泥土搅拌桩无侧限抗压强度的折减系数，β＝0.6～0.8；σk为水泥土搅拌桩90d龄期的无侧限抗压强度特征值，取σk＝1500～2500kPa；Ap0为预制桩的桩端净面积(m2)，空心圆桩
Figure BDA0002393397150000031
空心方桩
Figure BDA0002393397150000032
d、b、d1分别为空心桩的外径、边长、空心桩的内径(m)，对于实心预制桩取d1＝0；λp为预制桩端土闭塞效应系数，λp＝0.7～0.8；Ap1为空心桩敞口面积(m2)，
Figure BDA0002393397150000033
对于实心预制桩取d1＝0。
更进一步地，对于在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。初步设计时也可按以下两个公式进行估算，并取二者中计算值的较小者：Ra2＝ξσkAP2及Ra2＝ξσkAP2及
Figure BDA0002393397150000034
式中，Ra2为水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值(kN)；ξ为水泥土搅拌桩身强度折减系数，取ξ＝0.5～0.7；σk为水泥土搅拌桩90d龄期无侧限抗压强度特征值，取σk＝1500～2500kPa；Ap2为单根搅拌桩桩身有效截面面积(m2)，对于有预制桩置入的搅拌桩
Figure BDA0002393397150000035
对于无预制桩置入的搅拌桩
Figure BDA0002393397150000036
d2为搅拌桩有效桩径(m)；up为桩的周长(m)；n为搅拌桩桩长范围内所划分的土层数；qsi为搅拌桩桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa)，应结合地区经验确定；lpi为搅拌桩桩长范围内第i层土的厚度(m)；αp为搅拌桩桩端的端阻力发挥系数，αp＝0.45～0.65；qp为搅拌桩桩端土未经修正的地基土承载力特征值(kPa)，应结合地区经验确定；Ap0、Ap1的符号意义同前述。
更进一步地，复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时，可按以下公式估算：
Figure BDA0002393397150000037
式中，fspk为复合地基承载力特征值(kPa)；m1、m2分别为钢筋混凝土预制桩、水泥土搅拌桩的面积置换率，
Figure BDA0002393397150000038
n1、n2为别为单个承台(或筏形基础、箱形基础等等基础形式的计算单元面积)下面的钢筋混凝土预制桩、水泥土搅拌桩的数量，A为单个承台(或筏板基础、箱形基础等础形式的计算单元)底面面积(m2)；λ1、λ2、λ3分别为钢筋混凝土预制桩、水泥土搅拌桩、桩间土承载力的发挥系数，应由多桩复合地基静载试验或按地区经验确定，可取λ1＝λ2＝0.8～0.9，λ3＝0.85～0.95；fsk为处理后复合地基桩间土的承载力特征值(kPa)；Ap0、Ap1、Ap2的符号意义同前述。
本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
通过搅拌桩施工改善了地基土的物理力学性质，利于钢筋混凝土预制桩的沉桩施工，并可显著减少对场地地基的挤土效应，增加桩的侧阻力、端阻力标准值，增强搅拌桩处理的地基土承载力特征值，从而提高复合地基的承载力，通过水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩的优化布置，能有效地控制好地基的沉降变形，降低建设工程的成本。
(1)本发明的水泥土搅拌桩主要采用42.5级普通硅酸盐水泥作为水泥土的固化剂，制备浆液的水灰比一般为0.55～0.70，通过往水泥浆中掺入粉煤灰、石膏、三乙醇胺、氯化钠等一些辅料和外掺剂来调整浆液性能及水泥土的性能。选用粉煤灰、硅粉等辅料，主要是改善水泥土的活性，并增加搅拌桩水泥土龄期的后期强度(可提高10％以上)；选用木质素磺酸钙作为水泥减水剂，主要用于阻止水泥颗粒因聚结所形成的网状结构，改善水泥颗粒与水接触的水化条件，增加浆液的流动性(使浆液的流动度与可泵期满足搅拌桩的施工作业要求)；选用石膏、三乙醇胺、氯化钠及水玻璃等外掺剂，主要是改善水泥土的性能，加快水泥土的凝结速度，提高水泥土固结体的早期强度，增强水泥土的防腐效果。
(2)利用搅拌桩机(单轴、双轴、三轴、五轴等机型)进行水泥土搅拌桩的施工，采用常规的搅拌桩施工方法即可，无需投入新的施工设备，且适用于地基土种类比较广泛，可处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土(软塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉细砂(松散、中密)、中粗砂(松散、稍密)、饱和黄土等土层。通过调整搅拌喷浆次数、注浆量、搅拌头回转速度及升降速度等施工作业参数使水泥掺入比(指掺加的水泥量与被加固软土地基的天然湿重之百分比)达到7％～25％，以满足搅拌桩水泥土加固体的物理力学性能要求，搅拌桩水泥土固结体28d龄期的无侧限抗压强度0.8～1.5MPa，90d龄期的无侧限抗压强度1.5～2.5MPa、无侧限抗剪强度0.3～0.6MPa、无侧限抗拉强度0.1～0.4MPa、压缩模量70～120MPa。水泥土搅拌桩可采用柱状、壁状或块状等平面布置形式，以满足复合地基的设计要求。
(3)当水泥土搅拌桩施工结束后，即可在相应的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩，采用吊车吊起预制桩至相应的桩位垂直向下沉入就可实现预制桩的置入，其预制桩的截面形状及连接形式不受限制，通过桩顶设置的钢筋混凝土承台(或筏形基础、箱形基础等基础形式)就组成了复合地基的承载结构。
(4)通过搅拌桩施工改善了地基土的物理力学性质，利于钢筋混凝土预制桩的沉桩施工，并可显著减少对场地地基的挤土效应，增加桩的侧阻力、端阻力标准值，增强搅拌桩处理的地基土承载力特征值，从而提高复合地基的承载力，通过水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩的优化布置，能有效地控制好地基的沉降变形。针对在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，所给出的钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值、水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值及复合地基承载力特征值的估算公式比较实用，与现场静载试验测试值相比误差较小。将水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩有机地结合起来，扩大了水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩作为建筑地基基础的应用范围，减少了对场地环境的污染，经济效益和社会效益显著，具有推广应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的在单轴搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩组成的复合地基示意图。
图2为本发明实施例的在单轴搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩组成的复合地基剖视图。
图3为本发明实施例的在三轴搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩组成的复合地基示意图。
图4为本发明实施例的在三轴搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩组成的复合地基剖视图。
图5为本发明实施例的在五轴搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩组成的复合地基示意图。
图6为本发明实施例的在五轴搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩组成的复合地基剖视图。
示意图中的标号说明：
1、承台基础；2、圆形空心钢筋混凝土预制桩；3、单轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩；4、立柱；5、单元筏形基础；6、方形实心钢筋混凝土预制桩；7、三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩；8、筏形基础的基础梁；9、单元箱形基础；10、圆形实心钢筋混凝土预制桩；11、五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩；12、箱形基础的内隔墙。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。
本发明实施例将水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩有机地结合起来，在先施工的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩，通过桩顶设置的钢筋混凝土承台(或筏形基础、箱形基础等基础形式)组成复合地基的承载结构。这样，可以通过搅拌桩施工改善地基土的物理力学性质，利于钢筋混凝土预制桩的沉桩施工，采用吊车吊起预制桩至相应的桩位垂直向下沉入就可实现预制桩的置入，可显著减少预制桩沉桩过程中对场地地基的挤土效应，减少施工时的噪音影响，并能增加桩的侧阻力、端阻力标准值，增强搅拌桩处理的地基土承载力特征值，从而提高复合地基的承载力，通过水泥土搅拌桩和钢筋混凝土预制桩的优化布置，能有效地控制好地基的沉降变形，降低建设工程的成本。本发明属于国家自然科学基金项目(项目编号：51678083)资助研究成果。
实施例1：
本实施例为某25层楼高层建筑工程，采用框架结构，相邻柱基的中心距离为12m，单个柱基承台基础1的平面尺寸为4.2×5.6m，承台埋深为-2.0m，上部结构传至柱下端承台的竖向荷载荷载标准值为23520kN，场地地基的工程地质资料见下表1：
表1
Figure BDA0002393397150000061
设计采用在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其复合地基承载力特征值要求达到1000kPa。采用单轴搅拌桩机施工8根有效桩径φ800mm的水泥土搅拌桩，桩长18m，搅拌桩为柱状布置，然后在每根单轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩3中置入φ500mm圆形空心钢筋混凝土预制桩2，桩中心孔直径为φ250mm，圆形空心钢筋混凝土预制桩2桩长为16m(2节，每节长8m，法兰盘连接)，桩基的纵、平面布置示意见图1、图2。
根据设计要求，单轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩3采用42.5级普通硅酸盐水泥作为水泥土的固化剂，制备浆液的水灰比选为0.60，为改善搅拌桩水泥土的性能，往水泥浆中掺入35％粉煤灰、0.07％三乙醇胺、0.8％氯化钠、0.75％木质素磺酸钙、7％水玻璃等辅料及外掺剂，掺入比例均指与水泥的重量百分比。其中，掺入粉煤灰利于改善水泥土的活性，并增加搅拌桩水泥土龄期的后期强度；掺入木质素磺酸钙作为水泥减水剂，用于阻止水泥颗粒因聚结所形成的网状结构，改善水泥颗粒与水接触的水化条件，增加浆液的流动性(使浆液的流动度与可泵期满足搅拌桩的施工作业要求)；掺入三乙醇胺、氯化钠及水玻璃等，能加快水泥土的凝结速度，提高水泥土固结体的早期强度，增强水泥土的防腐效果。
利用φ800mm单轴搅拌桩桩机在施工场地制作搅拌桩，其施工步骤如下：
将搅拌机移动到达指定桩位对中；
①定位：将搅拌机移动到达指定桩位对中；
②预搅下沉：待搅拌机冷却水循环后，启动搅拌机沿导向架搅拌切土下沉，直至达到18m桩底深度；
③提升喷浆搅拌：搅拌头下沉到达设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆液泵入压浆管路中，边提升搅拌头边回转搅拌制桩；
④重复上、下搅拌：再次搅拌下沉与提升喷浆搅拌，并控制好搅拌头上提速度，确保水泥掺入比(指掺加的水泥量与被加固软土地基的天然湿重之百分比)达到16％，直至桩顶标高，并对桩顶1.0～1.5m范围内再增加一次上下搅拌及注浆，以提高桩顶段的强度，即可制成一根直径φ800mm、桩长18m的水泥土搅拌桩，其搅拌桩底端坐落在④黏土层面以下2m。
在施工完单个柱基承台区域的8根单轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩3之后，采用吊车吊起首节(长度8m)圆形空心钢筋混凝土预制桩2至相应的桩位垂直向下沉入，控制好下沉速度，待首节预制桩桩顶在地面以上1m时，暂停下沉，再吊起第2节圆形空心钢筋混凝土预制桩2对准首节预制桩的顶端法兰盘，通过法兰盘实现上、下桩节的连接，继续开始预制桩的沉入至桩底标高(距水泥土搅拌桩桩端2m的位置)，直至完成8根钢筋混凝土预制桩在单轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩3的置入。通过预制桩顶设置的钢筋混凝土承台(平面尺寸为4.2×5.6m)即组成了复合地基的承载结构。承台基础1顶端设有立柱4。
现场采取28d龄期、90d龄期的搅拌桩水泥土试样，采用电子万能实验压缩机测试水泥土试样的强度指标，经测试所制成的搅拌桩水泥土加固体28d龄期的无侧限抗压强度为1.0MPa，90d龄期的无侧限抗压强度为2.0MPa、无侧限抗剪强度为0.45MPa、无侧限抗拉强度为0.3MPa、压缩模量为110MPa。
通过现场载荷试验测定圆形空心钢筋混凝土预制桩2的单桩竖向承载力特征值为3500kN；按公式估算钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值如下：取α＝0.3，τk＝450kPa，u＝πd＝3.14×0.5＝1.57m，l＝16m，β＝0.7，σk＝2000kPa，
Figure BDA0002393397150000071
λp＝0.75，Ap1为空心桩敞口面积(m2)，
Figure BDA0002393397150000081
Ra1＝ατkul+βσk(Ap0+λpAp1)＝0.3×450×1.57×16+0.7×2300×(0.147+0.75×0.0491)＝3696kN取Ra1＝3500kN。
承台下面8根预制桩所能承担的总竖向荷载为8×3500＝28000kN＞23520kN，满足了上部结构传至柱下端承台竖向荷载的受力要求。
通过现场载荷试验测定有预制桩置入的单轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩3单桩竖向承载力特征值为470kN；按公式估算水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值如下：
取ξ＝0.60，σk＝2000kPa，up＝πd＝3.14×0.8＝2.512m，
Figure BDA0002393397150000082
n＝3，lp1＝3m，qs1＝28kPa，lp2＝11m，qs2＝16kPa，lp3＝4m，qs3＝40kPa，αp＝0.55，qp＝260kPa。
Ra2＝ξσkAP2＝0.6×2000×0.306＝367.2kN
Figure BDA0002393397150000083
取Ra2＝367.2kN。
通过现场载荷试验测定柱基承台下面由水泥土搅拌桩、预制桩、桩间土所组成的复合地基承载力特征值为1150kPa；按公式估算复合地基承载力特征值如下：
Figure BDA0002393397150000084
取λ1＝λ2＝0.85，λ3＝0.90，fsk＝120kPa，Ap0＝0.147m2，Ap1＝0.0491m2，Ap2＝0.306m2。
Figure BDA0002393397150000085
实取复合地基承载力特征值为1150kPa，满足了该复合地基承载力特征值1000kPa的设计要求。
该工程因采用在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，经施工监测，在单轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩3及圆形空心钢筋混凝土预制桩2施工过程中均没有发生挤土效应，未对周边建筑物地基产生任何不利的影响。在上部结构25层楼施工结束后，经对地基沉降变形的长期观测(监测时间达到365d以上)，该建筑物地基的总沉降变形只有15mm，且无不均匀沉降发生，远低于《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)规定的高层建筑地基实际最终平均沉降变形允许值200mm。因此，本工程所采用的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构满足了地基承载力及沉降变形的设计要求。
实施例2：
本实施例为某一栋33层楼高层建筑工程(1层地下室)，剪力墙结构，采用梁板式筏形基础，筏形基础板埋深为-5.0m，取单元筏形基础5平面尺寸为5.0×5.0m，上部结构传至单元筏形基础5的竖向荷载荷载标准值为18500kN，场地地基的工程地质资料见下表2：
表2
Figure BDA0002393397150000091
设计采用在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，要求复合地基承载力特征值为740kPa。采用三轴搅拌桩机施工桩径φ850@700mm的水泥土搅拌桩，桩长21m，搅拌桩为壁状布置，每个单元筏形基础5下面布置9组，然后在每组三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩7的中心桩内置入边长500mm方形实心钢筋混凝土预制桩6，预制桩桩长为18m(2节，每节长9m，焊接法连接)，桩基纵、平面布置示意见图3、图4。
根据设计要求，水泥土搅拌桩采用42.5级普通硅酸盐水泥作为水泥土的固化剂，制备浆液的水灰比选为0.55，为改善搅拌桩水泥土的性能，往水泥浆中掺入25％粉煤灰、7％硅粉、2.5％石膏、1.0％木质素磺酸钙、5％水玻璃等辅料及外掺剂，掺入比例均指与水泥的重量百分比。其中，掺入粉煤灰、硅粉利于改善水泥土的活性，并增加搅拌桩水泥土龄期的后期强度；掺入木质素磺酸钙作为水泥减水剂，用于阻止水泥颗粒因聚结所形成的网状结构，改善水泥颗粒与水接触的水化条件，增加浆液的流动性(使浆液的流动度与可泵期满足搅拌桩的施工作业要求)；掺入石膏及水玻璃，能加快水泥土的凝结速度，提高水泥土固结体的早期强度，增强水泥土的防腐效果。
利用φ850mm三轴搅拌桩桩机在施工场地制作搅拌桩，其施工步骤如下：
①定位：将三轴搅拌桩机移动到达指定桩位对中；
②搅拌下沉及注浆：待搅拌机冷却水循环后，启动搅拌机沿导向架搅拌切土下沉；同时开启灰浆泵将上述制备好的水泥浆材泵入压浆管路中，逐步下移三轴搅拌头，边回转边注浆搅拌，直至达到21m桩底深度；
③搅拌上升及注浆：从桩底开始逐步提升搅拌头，边回转边注浆搅拌，控制好搅拌头上提速度，确保水泥掺入比(指掺加的水泥量与被加固软土地基的天然湿重之百分比)达到25％，直至桩顶标高，并对桩顶1.0～1.5m范围内再增加一次上下搅拌及注浆，以提高桩顶段的强度，即可制成一组φ850@700(有限桩径为φ700mm)、桩长21m水泥土搅拌桩，其搅拌桩底端坐落在④黏土层面以下8m。
在施工完单元筏形基础5底部区域的9组三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩7之后，采用吊车吊起首节(长度9m)边长500mm的方形实心钢筋混凝土预制桩6至每组搅拌桩的中心桩位处垂直向下沉入，控制好下沉速度，待首节预制桩桩顶在地面以上1m时，暂停下沉，再吊起第2节预制桩对准首节预制桩的顶端，通过焊接法实现上、下桩节的连接，继续开始预制桩的沉入至桩底标高(距水泥土搅拌桩桩端3m的位置)，直至完成9根钢筋混凝土预制桩在水泥土搅拌桩的置入。通过桩顶设置的筏形基础(单元平面尺寸为5×5m)即组成了复合地基的承载结构。单元筏形基础5顶端设有筏形基础的基础梁8。
现场采取28d龄期、90d龄期的搅拌桩水泥土试样，采用电子万能实验压缩机测试水泥土试样的强度指标，经测试所制成的搅拌桩水泥土加固体28d龄期的无侧限抗压强度为1.5MPa，90d龄期的无侧限抗压强度为2.5MPa、无侧限抗剪强度为0.6MPa、无侧限抗拉强度为0.4MPa、压缩模量为120MPa。
通过现场载荷试验测定钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值为3850kN；按公式估算钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值如下：
取α＝0.2，τk＝600kPa，u＝4b＝4×0.5＝2.0m，l＝18m，β＝0.6，σk＝2500kPa，Ap0＝b2＝0.52＝0.25m2，λp＝0.7，Ap1＝0。
Ra1＝ατkul+βσk(Ap0+λpAp1)
＝0.2×600×2.0×18+0.6×2500×0.25＝4695kN
取Ra1＝3850kN。
扣除3根单元基础的边桩，实取单元筏形基础5下6根预制桩承担的总竖向荷载为6×3850＝23100kN＞18500kN，满足了上部结构传至单元筏形基础5竖向荷载的受力要求。
通过现场载荷试验确定有预制桩置入的三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩7单桩竖向承载力特征值为470kN；按公式估算该三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩7的单桩竖向承载力特征值如下：
取ξ＝0.50，σk＝2500kPa，
Figure BDA0002393397150000111
up＝πd＝3.14×0.7＝2.198m；n＝3，lp1＝4m，qs1＝18kPa，lp2＝9m，qs2＝15kPa，lp3＝8m，qs3＝27kPa，αp＝0.45，qp＝255kPa。
Ra21＝ξσkAP21＝0.5×2500×0.1346＝168.25kN
Figure BDA0002393397150000112
取Ra21＝168.25kN。
通过现场载荷试验确定没有方形实心钢筋混凝土预制桩6置入的三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩7单桩竖向承载力特征值为505kN；按公式估算该三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩7的单桩竖向承载力特征值如下：
Figure BDA0002393397150000113
Ra22＝ξσkAP22＝0.5×2500×0.3847＝480.9kN
Figure BDA0002393397150000114
取Ra21＝480.9kN。
通过现场载荷试验测定单元筏形基础5下面由水泥土搅拌桩、预制桩、桩间土所组成的复合地基承载力特征值为870kPa；按公式估算复合地基承载力特征值如下：
Figure BDA0002393397150000115
Figure BDA0002393397150000116
(扣除超出筏形基础计算单元的6根边桩)，
取λ1＝λ2＝0.8，λ3＝0.85，fsk＝106kPa，Ap0＝0.25m2，Ap1＝0，Ap21＝0.1346m2，Ap22＝0.3847m2
Figure BDA0002393397150000121
实取复合地基承载力特征值为870kPa，满足了该筏形基础复合地基承载力特征值740kPa的设计要求。
该高层建筑基础工程因采用在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，经施工监测，在搅拌桩及预制桩施工过程中均没有发生挤土效应，未对周边建筑物地基产生任何不利的影响。在上部结构33层楼施工结束后，经对地基沉降变形的长期观测(监测时间达到365d以上)，该建筑物地基的总沉降变形只有17.5mm，且无不均匀沉降发生，远低于《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)规定的高层建筑物地基实际最终沉降变形允许值200mm。因此，本工程所采用的在三轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩7中置入方形实心钢筋混凝土预制桩6的复合地基承载结构满足了地基承载力及沉降变形的设计要求。
实施例3：
本实施例为某一栋21层楼高层建筑工程(2层地下室)，框剪结构，采用箱形基础，箱基础板埋深为-9.0m，取单元箱形基础9平面尺寸为3.6×6.6m，上部结构传至单元箱形基础9的竖向荷载荷载标准值为19500kN，场地地基的工程地质资料见下表3：
表3
Figure BDA0002393397150000122
设计采用在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其复合地基承载力特征值要求达到821kPa。采用五轴搅拌桩机施工桩径φ900@750mm的水泥土搅拌桩，桩长18m，搅拌桩为块状布置，每个单元箱形基础9下面布置10组(横向5组，竖向2组)，然后在单元箱形基础9下面搅拌桩间隔置入φ600mm的圆形实心钢筋混凝土预制桩10，预制桩桩长为16m(2节，每节长8m，采用插筋硫磺胶泥胶结法连接)，桩基的纵、平面布置示意见图5、图6。
根据设计要求，水泥土搅拌桩采用42.5级普通硅酸盐水泥作为水泥土的固化剂，制备浆液的水灰比选为0.70，为改善搅拌桩水泥土的性能，往水泥浆中掺入50％粉煤灰、10％硅粉、3％石膏、0.5％木质素磺酸钙、0.1％三乙醇胺、1.0％氯化钠、10％水玻璃等辅料及外掺剂，掺入比例均指与水泥的重量百分比。其中，掺入粉煤灰、硅粉利于改善水泥土的活性，并增加搅拌桩水泥土龄期的后期强度；掺入木质素磺酸钙作为水泥减水剂，用于阻止水泥颗粒因聚结所形成的网状结构，改善水泥颗粒与水接触的水化条件，增加浆液的流动性(使浆液的流动度与可泵期满足搅拌桩的施工作业要求)；选用石膏、三乙醇胺、氯化钠及水玻璃等外掺剂，主要是改善水泥土的性能，加快水泥土的凝结速度，提高水泥土固结体的早期强度，增强水泥土的防腐效果。
利用φ900mm五轴搅拌桩桩机在施工场地制作搅拌桩，其施工步骤如下：
①定位：将五轴搅拌桩机移动到达指定桩位对中；
②搅拌下沉及注浆：待搅拌机冷却水循环后，启动搅拌机沿导向架搅拌切土下沉；同时开启灰浆泵将上述制备好的水泥浆材泵入压浆管路中，逐步下移五轴搅拌头，边回转边注浆搅拌，直至达到18m桩底深度；
③搅拌上升及注浆：从桩底开始逐步提升搅拌头，边回转边注浆搅拌，控制好搅拌头上提速度，确保水泥掺入比(指掺加的水泥量与被加固软土地基的天然湿重之百分比)达到7％，直至桩顶标高，并对桩顶1.0～1.5m范围内再增加一次上下搅拌及注浆，以提高桩顶段的强度，即可制成一组φ900@750(有限桩径为φ750mm)、桩长18m的水泥土搅拌桩，其水泥土搅拌桩底端坐落在④粉土层面以下9m。
在施工完单元箱形基础9底部区域的10组五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩11之后，采用吊车吊起首节(长度8m)φ600mm圆形实心钢筋混凝土预制桩10至相应五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩11的中心桩位处垂直向下沉入，控制好下沉速度，待首节预制桩桩顶在地面以上1m时，暂停下沉，再吊起第2节圆形实心钢筋混凝土预制桩10对准首节预制桩的顶端，采用插筋硫磺胶泥胶结法实现上、下桩节的连接，继续开始圆形实心钢筋混凝土预制桩10的沉入至桩底标高(距水泥土搅拌桩桩端2m的位置)，直至完成9根圆形实心钢筋混凝土预制桩10在五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩11的置入。通过桩顶设置的箱形基础(单元平面尺寸为3.6×6.6m)即组成复合地基的承载结构。单元箱型基础9的顶端设有箱形基础的内隔墙12。
现场采取28d龄期、90d龄期的搅拌桩水泥土试样，采用电子万能实验压缩机测试水泥土试样的强度指标，经测试所制成的搅拌桩水泥土加固体28d龄期的无侧限抗压强度为0.8MPa，90d龄期的无侧限抗压强度为1.5MPa、无侧限抗剪强度为0.3MPa、无侧限抗拉强度为0.1MPa、压缩模量为70MPa。
通过现场载荷试验测定圆形实心钢筋混凝土预制桩10的单桩竖向承载力特征值为3520kN；按公式估算圆形实心钢筋混凝土预制桩10的单桩竖向承载力特征值如下：取α＝0.4，τk＝300kPa，u＝πd＝3.14×0.6＝1.884m，l＝16m，β＝0.8，σk＝1500kPa，
Figure BDA0002393397150000141
λp＝0.8，Ap1＝0。
Ra1＝ατkul+βσk(Ap0+λpAp1)
＝0.4×300×1.884×16+0.8×1500×0.2826＝3956.4kN
取Ra1＝3520kN。
扣除3根单元基础的边桩，实取单元箱形基础9下面6根圆形实心钢筋混凝土预制桩10承担的总竖向荷载为6×3520＝21120kN＞19500kN，满足了上部结构传至单元箱形基础竖向荷载的受力要求。
通过现场载荷试验确定有预制桩置入的五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩11单桩竖向承载力特征值为420kN；按公式估算该五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩11的单桩竖向承载力特征值如下：
取ξ＝0.70，σk＝1500kPa，
Figure BDA0002393397150000142
up＝πd＝3.14×0.75＝2.355m；n＝3，lp1＝3m，qs1＝12kPa，lp2＝6m，qs2＝21kPa，lp3＝9m，qs3＝23kPa，αp＝0.65，qp＝128kPa。
Ra21＝ξσkAP21＝0.7×1500×0.159＝167kN
Figure BDA0002393397150000143
取Ra21＝167kN。
通过现场载荷试验确定没有预制桩置入的五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩11单桩竖向承载力特征值为515kN；按公式估算该五轴搅拌机施工的水泥土搅拌桩11的单桩竖向承载力特征值如下：
Figure BDA0002393397150000151
Ra22＝ξσkAP22＝0.7×1500×0.4416＝463.7kN
Figure BDA0002393397150000152
取Ra21＝463.7kN。
通过现场载荷试验测定单元箱形基础9下面由水泥土搅拌桩、预制桩所组成的复合地基承载力特征值为960kPa。由于箱形基础下面满堂布置搅拌桩，无桩间土，计算复合地基承载力特征值的估算公式可以进行一定的简化，其过程如下：
Figure BDA0002393397150000153
取λ1＝0.9，λ2＝0.8，fsk＝ξσk＝0.7×1500＝1050kPa，Ap0＝0.2826m2，Ap1＝0，
Figure BDA0002393397150000154
实取复合地基承载力特征值为960kPa，满足了该箱形基础复合地基承载力特征值821kPa的设计要求。
该高层建筑基础工程因采用在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，经施工监测，在搅拌桩及预制桩施工过程中均没有发生挤土效应，未对周边建筑物地基产生任何不利的影响。在上部结构21层楼施工结束后，经对地基沉降变形的长期观测(监测时间达到365d以上)，该建筑物地基的总沉降变形只有18mm，且无不均匀沉降发生，远低于《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)规定的高层建筑物地基实际最终沉降变形允许值200mm。因此，本工程所采用的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构满足了地基承载力及沉降变形的设计要求。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于：根据建筑地基基础的承台或筏板基础或箱形基础底面预制桩分布范围及预制桩中心位置施工水泥土搅拌桩，水泥土搅拌桩的水泥土固化剂制备浆液中掺入辅料和/或外掺剂；然后在相应的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩，预制桩顶设置钢筋混凝土承台或筏形基础或箱形基础；辅料包括粉煤灰、硅粉，外掺剂包括石膏、三乙醇胺、氯化钠、木质素磺酸钙、水玻璃。
2.根据权利要求1所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于：水泥土搅拌桩的水泥土固化剂包括42.5级普通硅酸盐水泥，水泥土固化剂制备浆液的水灰比为0.55～0.70。
3.根据权利要求1或2所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于：辅料包括重量百分比为25％～50％粉煤灰、5％～10％硅粉；外掺剂包括重量百分比为2％～3％石膏、0.05％～0.1％三乙醇胺、0.5％～1.0％氯化钠、0.5％～1.0％木质素磺酸钙、5％～10％水玻璃。
4.根据权利要求1所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于，施工水泥土搅拌桩为：利用搅拌桩机就地原位搅拌，将配制好的水泥土固化剂浆液与软土地基搅拌形成水泥土加固体，使掺加的水泥量与被加固软土地基的天然湿重之百分比达到7％～25％。
5.根据权利要求4所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于：水泥土搅拌桩可采用柱状、壁状或块状平面布置形式；水泥土固结体28d龄期的无侧限抗压强度0.8～1.5MPa，90d龄期的无侧限抗压强度1.5～2.5MPa、无侧限抗剪强度0.3～0.6MPa、无侧限抗拉强度0.1～0.4MPa、压缩模量70～120MPa。
6.根据权利要求1所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于：完成水泥土搅拌桩施工后，即在相应的水泥土搅拌桩中置入钢筋混凝土预制桩；预制桩的截面形状为中空或实心的圆形或方形；多节预制桩之间采用法兰盘或焊接或插筋硫磺胶泥胶结连接。
7.根据权利要求1所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于，钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值估算方法为：
Ra1＝ατkul+βσk(Ap0+λpAp1)； (1)
式中，Ra1为钢筋混凝土预制桩的单桩竖向承载力特征值；α为水泥土搅拌桩无侧限抗剪强度的折减系数，α＝0.2～0.4；τk为水泥土搅拌桩90d龄期的无侧限抗剪强度特征值，取τk＝300～600kPa；u为预制桩的桩身周长；l为预制桩的桩长；β为水泥土搅拌桩无侧限抗压强度的折减系数，β＝0.6～0.8；σk为水泥土搅拌桩90d龄期的无侧限抗压强度特征值，取σk＝1500～2500kPa；Ap0为预制桩的桩端净面积，当预制桩为圆桩
Figure FDA0002393397140000021
当预制桩为方桩
Figure FDA0002393397140000022
d、b、d1分别为预制桩的外径、边长、内径，当预制桩为实心桩，d1＝0；λp为预制桩端土闭塞效应系数，λp＝0.7～0.8；Ap1为预制桩敞口面积，
Figure FDA0002393397140000023
当预制桩为实心桩，d1＝0。
8.根据权利要求1所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于，水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值估算方法为，计算式(2)、式(3)，并取二者中计算值的较小者：
Ra2＝ξσkAP2； (2)
Figure FDA0002393397140000024
式中，Ra2为水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值；ξ为水泥土搅拌桩身强度折减系数，取ξ＝0.5～0.7；σk为水泥土搅拌桩90d龄期无侧限抗压强度特征值，取σk＝1500～2500kPa；Ap2为单根水泥土搅拌桩桩身有效截面面积，对于有预制桩置入的水泥土搅拌桩
Figure FDA0002393397140000025
对于无预制桩置入的水泥土搅拌桩
Figure FDA0002393397140000026
d2为水泥土搅拌桩有效桩径；up为水泥土搅拌桩的周长；n为水泥土搅拌桩桩长范围内所划分的土层数；qsi为水泥土搅拌桩桩周第i层土的侧阻力特征值；lpi为水泥土搅拌桩桩长范围内第i层土的厚度；αp为水泥土搅拌桩桩端的端阻力发挥系数，αp＝0.45～0.65；qp为水泥土搅拌桩桩端土未经修正的地基土承载力特征值；Ap0为预制桩的桩端净面积，当预制桩为圆桩
Figure FDA0002393397140000027
当预制桩为方桩
Figure FDA0002393397140000028
d、b、d1分别为预制桩的外径、边长、内径，当预制桩为实心桩，d1＝0；λp为预制桩端土闭塞效应系数，λp＝0.7～0.8；Ap1为预制桩敞口面积，
Figure FDA0002393397140000029
当预制桩为实心桩，d1＝0。
9.根据权利要求1所述的在水泥土搅拌桩中置入预制桩的复合地基承载结构，其特征在于，其复合地基承载力特征值估算方法为：
Figure FDA0002393397140000031
式中，fspk为复合地基承载力特征值；m1、m2分别为钢筋混凝土预制桩、水泥土搅拌桩的面积置换率，
Figure FDA0002393397140000032
n1、n2为别为单个承台或筏形基础或箱形基础的计算单元面积下面的钢筋混凝土预制桩、水泥土搅拌桩的数量，A为单个承台或筏形基础或箱形基础的计算单元底面面积；λ1、λ2、λ3分别为钢筋混凝土预制桩、水泥土搅拌桩、桩间土承载力的发挥系数，应由多桩复合地基静载试验或按地区经验确定，可取λ1＝λ2＝0.8～0.9，λ3＝0.85～0.95；fsk为处理后复合地基桩间土的承载力特征值；Ap0为预制桩的桩端净面积，当预制桩为圆桩
Figure FDA0002393397140000033
当预制桩为方桩
Figure FDA0002393397140000034
d、b、d1分别为预制桩的外径、边长、内径，当预制桩为实心桩，d1＝0；λp为预制桩端土闭塞效应系数，λp＝0.7～0.8；Ap1为预制桩敞口面积，
Figure FDA0002393397140000035
当预制桩为实心桩，d1＝0；Ap2为单根水泥土搅拌桩桩身有效截面面积，对于有预制桩置入的水泥土搅拌桩
Figure FDA0002393397140000036
对于无预制桩置入的水泥土搅拌桩
Figure FDA0002393397140000037
d2为水泥土搅拌桩有效桩径。
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