杜守华1　胡安兵2　徐会文3

(1.山西省晋城市规划设计院　2.同济大学地下建筑与工程系　3.吉林大学建设工程学院)

摘　要　通过对某商住楼粉喷桩的设计分析,探讨了其设计原理及沉降分析方法,供有关技术人员参考。

关键词　粉喷桩　复合地基　沉降量

粉喷桩适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120 kPa的粉质粘土等地基。它是采用粉喷机旋转叶片式钻头钻入地层,松动土体,到位后在提钻的同时以压缩空气将水泥干粉通过钻头喷入地下,叶片的转动使水泥干粉与地下土体充分搅匀,并与土体中所含的水分发生作用而形成水泥土加固体(桩体),加固体按一定比例置换较软弱的地基土,并与未加固的地基土体形成复合地基,共同承担上部建筑荷载。因其造价低、用料省、工期较短,加固后建筑沉降量小且均匀,所以该法在国内许多地区得到应用。现结合晋城市一工程实例加以介绍。

1　工程概况

晋城市煤业集团拟建的3幢住宅楼,均为地上6层,地下1层,设计基础埋深为d=-3.2 m。每单幢平面尺寸如图1。

图1　单幢建筑物平面尺寸图

根据勘察资料(图2)可知地层条件如下:①杂填土-素填土层:褐色-褐黄色,稍湿,稍密,由建筑垃圾及粉质粘土组成,f_k=80 kPa;②粉质粘土层:褐黄色,湿,可塑状态,含云母及钙质菌丝等,f_k=130 kPa;③粉质粘土层:浅黄色,湿,饱和状态,软塑,含云母及砂粒等,f_k=110 kPa;④粉质粘土层:灰褐色-灰黄色,湿,可塑,含云母贝壳等,f_k=140 kPa;⑤粉质粘土层:深黄色,湿,可塑,含钙质结核等,f_k=160 kPa。地下水属上层滞水,勘察期间实测稳定水位为:3.4~5.5 m。

水质分析结果表明,地下水对混凝土没有腐蚀性。

虽然该建筑物承受荷载不大,但要求其沉降差异不得过大(不得大于0.003),而且在地基的主要受力层范围内存在软弱土层,该层压缩模量较低(平均值E_s=3.5 MPa),如采用天然地基,其沉降量与沉降差均不满足规范要求。建设单位要求工期较紧,为缩短工期,经方案论证后,决定采用粉喷桩进行处理,要求处理后的复合地基承载力f_sp,k≥140 kPa。

图2　典型地质剖面图

2　设计计算

设计参数如下:桩径: =500 mm;桩长:根据强度及变形计算综合考虑L=7.0m(注:处理至第④层);水泥:425#矿渣水泥,喷灰量:55 kg·m^-1;桩顶标高:-3.0 m(施工前,进行整平处理,约处理1.0 m)。

(1)单桩竖向承载力:按以下两式进行对比计算:

(按桩侧摩阻力及桩端阻力)

                                           (1)

式中:  -单桩承载力标准值;U_P-桩周长/m;L-桩长/m;f_k-桩端土地基承载力标准值;a-桩端土承载力折减系数。

(按桩身水泥土的抗压强度)

                                                    (2)

式中:f_cuk-水泥土试块(a_w=15%)的无侧限抗压强度(90 d),设计时取:f_cuk= 1.60 MPa;A_p-桩的截面积;η-强度折减系数,这里取为0.4。经计算:

按(1)式= 10×(0.5×3.14)×7 +0.5×(0.252×3.14)×140= 123.6 kN

按(2)式= 0.4×1600×(0.252×3.14)=125.6 kN

设计时,取单桩竖向承载力设计值:

= 123.6 kN

(2)复合地基承载力:水泥搅拌桩复合地基承载力可按下式计算

                               (3)

式中:f_sp,k-复合地基承载力标准值;m-面积置换率;f_s,k-桩间土天然地基土承载力标准值;β-折减系数(β取0.4)。

取f_sp,k为140 kPa,经计算:

140=m×123.6/(0.252×3.14)+0.4(1-m)×100

当m=17%时,可满足设计要求。

(3)下卧层强度验算:基础宽度B₀=19.1 m,基础长度L₀=60.0 m,桩长L=7.0 m,压力扩散角θ=25°,D=3.2 m,复合地基水下平均有效重度γ_sp=9.0 kN·m^-3,土的水下有效重度γ=8.0 kN·m^-3,基底压力p_a=140 kPa。复合地基底面附加应力:

p₀=(p_a×B₀×L₀)/(B₀+2Ltanθ)(L₀+2Ltanθ)=(140×19.1×60.0)/(19.1+2×7.0×tan25)(60.0+2×7.0×tan25) =94.1 kPa

下卧层顶面压力:p=p_o+γ_sp×L=94.1+9.0×7.0 = 157.1 kPa

下卧层的承载力设计值:f=f_k+γ(D+L-0.5)=140+8×9.7=217.6 kPa>p

经计算,满足设计要求。

(4)复合地基的沉降量:复合地基的沉降量(S)包括:加固区桩群体的压缩变形(S₁)和桩端下未加固土层的压缩变形(S₂):

S=S₁+S₂                                         (4)

S1=(p_a+p_oa)L/2E₀                                  (5)

式中:p_a-桩群顶面的平均压力;p_oa-桩群底面土的附加压力。S₂按分层总和法计算:

基础埋深D= 3. 20 m,基底总压力p_a=140 kPa。

E_o=mE_p+(1-m)E_s                                      (6)

式中:E_o-桩群体变形模量;E_p-桩身变形模量,取E_p=150 MPa;Es-桩间土的变形模量,取E_s=3.5 MPa(按厚度加权平均)。经计算:E_o=28.1 MPa。

p_oa按压力扩散法计算(以压力扩散角θ=25°计)

将复合地基视为双层地基,由加固区土层和未加固区土层组成,

经计算:p_oa=94.1 kPa　　S₁= 28.8 mm

按等效实体法计算,在等效实体四周作用有侧摩阻力f,取f=10.0 kPa

p_oa=f-γ_pL

式中,f-实体基础底面压力;γ_p-基底以上土的加权平均重度

经计算:p_oa=78.0 kPa　　S₁= 27.0 mm

a.用分层总和法计算:

实体基础底面中点的沉降量S₂=15 mm

b.总沉降量

1.按压力扩散法计算:复合地基的沉降量:

S= 43.8 mm;

2.按等效实体法计算:复合地基的沉降量:

S= 42.0 mm

沉降计算结果表明,满足设计要求。

3　粉喷桩布设

根据上述计算结果,粉喷桩按1.1 m间距,按方格网布置,粉喷桩布置如图3。

图3　粉喷桩布置图

4　施工工艺

桩机就位:移动桩机至拟打的桩位,钻头对准桩位点,并使搅拌轴保持垂直。

预搅:启动搅拌机,钻头边旋转边钻进,并喷射压缩空气至预定深度时停钻。

提钻、喷粉、搅拌:按规定的速度反转提升,同时通过粉体发送器将粉体水泥喷入被搅动的土体中,至规定深度时,停止喷灰。

施工时严格控制水泥喷入量,以保证每延米桩体的水泥喷入量不小于规定量。

复搅:为保证水泥土的搅拌均匀,再次将搅拌头下沉至桩底,进行全桩长的复搅。

5　质量检验

成桩28天后,采用抽芯取样,抽检率为2%,结合基槽观测水泥成桩情况,并采用轻便触探仪,根据轻便触探击数判断各桩段水泥土的强度。

静载试验应占到总桩数的5%,重点测试土质较差部位,静载试验结果如图4。

结果表明:单桩承载力()为:132 kN,复合地基承载力(f_sp,k)为:173kPa,满足设计要求。

6　沉降观测

根据主体竣工后的沉降观测,沉降量为30~40 mm,且比较均匀,沉降差异满足要求,与理论计算较符合,满足了设计要求。

图4　Q-S曲线图

 

（作者：晋城市规划设计研究院）

 

参考文献

[1]　中国建筑科学研究院.JGJ79-91建筑地基处理技术规范.北京:中国建筑工业出版社,1992.

[2]　中华人民共和国原城乡建设环境保护部.GBJ7-89建筑地基基础设计规范.北京:中国建筑工业出版社, 1990.

[3]　《地基处理手册》编写委员会.地基处理手册.北京:中国建筑工业出版社,1988.

[4]　叶书麟,韩杰,叶观宝.地基处理与托换技术(第二版).北京:中国建筑工业出版社,1997.

[5]　杨位.地基及基础(第三版) .北京:中国建筑工业出版社,2001.

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