深层搅拌桩设计问题探讨

深层搅拌桩设计问题探讨

摘要：本文对在深层搅拌桩设计中，布桩间距、负摩阻力等问题作一分析，对复合地基中存在相对软弱夹层时，如何进行强度验算和软弱下卧层验算进行了阐述，供大家参考。

关键词：深层搅拌桩；桩间距；负摩阻力；软弱下卧层；沉降计算

1前言

在搅拌桩复合地基中，搅拌桩介于刚性桩和柔性桩之间，属于刚柔性桩．当复合地基受上部结构荷载作用时，搅拌桩的压缩性比桩周土的压缩性小．在变形协调的条件下，搅拌桩产生应力集中现象。因此，基础底板的受力是不均匀的．显然，按通常的复合地基基础设计方法是不合理的。在基础设计中，必须考虑搅拌桩与桩周土的应力比。下面，就深层搅拌桩设计中易被忽略的几个问题做一些的探讨。

2布桩间距

在水泥土深层搅拌桩设计中，设计人员往往重点考虑的是搅拌桩置换率的大小，一般很少考虑布桩间距问题，是否需要考虑桩间距，JGJ79—2002{建筑地基处理技术规范》以及相关的设计手册未见有明确规定。

在JGJ94—2008(建筑桩基技术规范》第3．2．3．1条中规定了桩的最小中心距，即对非挤土桩和部分挤土灌注桩，排数不少于3排且桩数不少于9根的摩擦型桩基，桩的最小中心距不少于3 d(d为桩径)，其他情况为2．5 d。这主要是为了避免桩基施工可能引起土的松弛效应和挤土效应对相临基桩的不利影响，或者是说，为了不影响桩周土侧阻力和桩端阻力的发挥。

深层搅拌桩应该属于非挤土桩或者是部分挤土灌注桩，当按JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》中(11．2．4—1)式，由桩周土和桩端土的抗力提供水泥土搅拌桩桩体的单桩承载力时，搅拌桩的作用机理应该与钻孔灌注桩相似，且搅拌桩具有以下两点特性 。

(1)在桩顶荷载作用下，水泥土搅拌桩的沉降主要是由桩身压缩引起的，而且，桩身上部的压缩量比下部的大，到桩端几乎接近零。

(2)由于桩身上部压缩较大，因此，桩周摩阻力在桩身上部得到充分发挥，类似纯摩擦桩的特征。由于搅拌桩具有类似纯摩擦桩的特征，因此，为了不影响桩周土侧阻力的发挥，水泥土深层搅拌桩应该与桩基础一样，具有最小中心距，借鉴桩基中非挤土桩和部分挤土灌注桩的最小中心距，从理论上来说，搅拌桩的最小中心距应该也为2．5 —3 d，但搅拌桩与桩基略有区别。

表1为《建筑地基处理技术规范》及《建筑桩基技术规范》对几种常见土层的侧阻力和极限侧阻力建议值。

表1 搅拌桩与干作业钻孔桩的侧阻力值对比

考虑到极限侧阻力标准值为侧阻力特征值2倍左右(取安全系数为2)，由表1可知，对于淤泥、淤泥质土的桩侧阻力取值，搅拌桩和干作业钻孔桩的取值标准基本相同。由此可见，为了保证桩周土侧阻力的发挥，对于处理对象为淤泥、淤泥质土地基，搅拌桩的最小中心距参照钻孔桩要求，应控制为2．5～3 d，否则，设计中桩周土侧阻力取值要降低；而对于软甥粘性土和可塑粘性土，干作业钻孔桩极限侧阻力标准值分别是搅拌桩侧阻力特征值的3倍和4倍左右，搅拌桩侧阻力的取值标准比干作业钻孔桩的偏低，留有一定的安全余地。因此，搅拌桩最小中心距比照干作业钻孔桩可适当放宽，也即可小于2．5 —3 d。

3负摩阻力

在水泥土深层搅拌桩设计中，负摩阻力的问题往往易被设计人员所忽略。正常情况下，桩顶受竖向荷载下沉，桩体对桩产生与桩的位移方向相反的摩阻力，这称之为正摩阻力；而当桩侧土体因某种原因而下沉的沉降量大于桩的沉降量时，桩周土对桩产生与位移方向一致的摩阻力，即为负摩阻力。负摩阻力的起因在于桩周土体的沉陷，搅拌桩桩体在以下几种情况下可能产生负摩阻力：

(1)位于桩周的欠固结粘土或新填土在重力作用下产生固结；

(2)由于地下水位全面降低(例如长期抽取地下水)，致使土体有效应力增加，因而引起土层大面积沉降；

(3)自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷。桩的负摩阻力是个较复杂的问题，到目前为止，尚没有很完善的理论方法或经验方法进行计算。桩一土间的相对位移是引起桩侧阻力的直接原、因。当桩身某截面沉降量大于该截面桩侧土体沉降量时，桩侧摩阻力方向向上，其值为正；反之，桩侧摩阻力方向向下，桩身承受负摩阻力作用。一般来说，桩一土问的相对位移越大，产生的负摩阻力也越大。

在工程实践中，当遇到上述几种可能产生负摩阻力的情况，按JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》中式(11．2．4一1)计算搅拌桩单桩承载力时，应考虑负摩阻力的影响。负摩阻力的计算可参照JGJ94—2008(建筑桩基技术规范》的方法要求。但搅拌桩与刚性桩基础不同，搅拌桩在上部荷载的作用下，它自身有一定的压缩变形，在同样的桩周土层条件下，其桩一土间的相对位移没有刚性桩基础大，其产生的负摩阻力也相对要更小，因此，其参照桩基础计算得到的负摩阻力要适当予以折减。

4 复合地基中相对软弱夹层的验算

当被处理的地基由多层土组成，且下部土层相对上部更软弱时，应该进行复合地基中软弱夹层强度的验算。

例如，设计中要求复合地基承载力特征值 达到180kPa，已知搅拌桩的桩径为Φ500，若已确定单桩承载力R=100kN,如图1所示。

式中符号意义见JGJ79-2002《建筑地基处理技术规范》中式（9-2-5）。

将相关参数 =180kPa， =110kPa,Rs=100kN,Ap=0.196m2代入式（1），并取 =0.9；计算得到的置换率m=19.7%，取m=20%。第一层及第三层复合地基的承载力特征值 都将达到180kPa。

将m=20%， =50kPa代入式（1），得到第2层复合地基（厚度0.8m）的承载力特征值 =138.0kPa，那么，第2层复合地基将构成为第一层复合地基的软弱下卧层，必须进行软弱下卧层强度验算，其验算方法可按GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》的有关规定进行。若验算不满足，则必须提高置换率m知道满足为止。

若在处理前的设计中，直接以第2层土作为设计基于，即采用第2层土的f=50kPa作为fak的值代入式（1）求置换率m，这样又显得偏保守，等于没有考虑第一层土强度相对较高的有理因素。

4 软弱下卧层验算

JGJ79—2002(建筑地基处理技术规范》第1 1．2．8条中规定：“当搅拌桩处理范围以下存在软弱下卧层，应按现行国家标准GB50007—2002(建筑地基基础设计规范》的有关规定进行下卧层承载力验算”。当复合地基桩体置换率较大(m>20％)，将搅拌桩和桩间土视为一个假想的实体基础，验算假象基础底面(下卧层地基)的承载力，最常见的推荐验算公式如下【3 ：

（2）

式中 ——假想实体基础底面压力，（kPa）；

——复合地基承载力，（kPa）；

A——加固地基面积，（m2）

——假想实体基础侧壁上的平均摩阻力，（kPa）；

——假想实体基础边缘软土的承载力，（kPa）；

G——假想实体基础边缘软土的承载力，（kN）；

As——假想实体基础的侧面积，（㎡）

A1——假想实体基础的底面积，（㎡）；

f——假想实体基础底面经修正后的地基承载力，（kPa）；

在式（2）中，把复合地基当成一个实体基础进行验算，那么验算的实质，其实就是相当于常规浅基础中的基础底面压力验算（或者是地基持力层强度验算）。若复合地基如图1所示，在符合地基下卧层（即第4层）以下，还存在第5层软塑粘土，其fs=80 kPa，那么，还应该把第5层当成软弱下卧层，并按GB50007—2002(建筑地基基础设计规范》第5．2．7条对其进行软弱下卧层验算，并且，《建筑地基基础设计规范》式(5．2．7—3)中的Pk就是式(2)中厂。在工程实践中，人们往往易忽略对如第5层这样的软弱下卧层进行验算，因为有关的规范或手册中均没有提及。

5 沉降验算

复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形．s。与桩端下未加固土层的压缩变形．s 。对sl的计算，JClJ79—2002{建筑地基处理技术规范》第l1．2．9条规定的较明确；而对S2的计算则要求按GB50007—2002(建筑地基基础设计规范》的有关规定进行。问题的关键是，桩端下未加固土层顶部(下卧层顶部)的附加压力较难确定，通常采用以下方法。

(1)实体深基础法

将搅拌桩和桩间土视为一个假想的实体基础，作用在桩端下未加固土层顶部(下卧层顶部)的附加应力P0为

P0=（3）

式中 ——假想实体基础底面压力，通式（2）的计算，（kPa）；

——未加固土层顶部土自重应力， （kPa）；。

用该法求下卧层顶面的附加应力P0，具有一些不合理的因素。在实际设计计算中发现；当搅拌桩相对较长，被处理的面积尺寸相对较小时，计算的附加应力P0有时为负值，这就意味着S2=0；而所有的条件均不变，仅仅加大被处理的

面积尺寸，计算的附加应力P0就有可能为正值，且面积尺寸越大，附加应力P0也越大。原因主要是被处理的面积尺寸越小，实体基础的侧表面积反而相对越大，即 越大，由式（2）计算得到的实体基础底面压力 就越小，由式（2）计算得到的实体基础底面压力 就越小，甚至为负值。因此，当遇到计算的附加应力P0为负值时，并不是说S2=0，知识此时实体深基础法不太适合，建议按应力扩散法计算P0.

（2）应力扩散法

将符合地基视为双层地基，由加固区土层和下卧层土层组成。复合地基上作用荷载p，通过加固区土层产生应力扩散，应力扩散角为Θ，下卧层顶部附加应力p0的计算，可参照GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》中的式(5．2．7—2)或式(5．2．7— 3)进行。但应力扩散角0的选取，是否能按地基规范的表5．2．7中选用，值得探讨，有待于进一步的试验或实践验证。

搅拌桩复合地基的沉降计算，目前尚无成熟的方法，建议按实体深基础法和应力扩散法分别进行计算，取两者的大值。有条件的话，建议进行沉降变形观测，并将计算结果与实测结果对比，以积累经验。

6 结语

(1)深层搅拌桩应用范围在当前施工设备及条件下，应有所缩小，这样可避免经济上的损失， 质量上得到保证。其适用范围应为松散砂土、粉砂土以及含有瓦砾层的松散土。含有粘性土及有机含量较高的淤泥土填用。

(2)从经济角度，安全方面考虑，设计深层搅拌桩宜采用短桩，大直径，置换率高的方案。

(3)现行规范在复合地基承载力取值上应考虑“复合地基极限承载力的取值”，若是工程桩(指非使用的试验桩)复合地基静载试验可按设计荷载的2倍为极限荷载，通过安全系数来确定复合地基承载的标准值，这样与相对变形来进行比较，让技术人员有可选余地，充分发挥深层搅拌桩加固地基的能力。

(4)在进行深层搅拌桩复合测试时，宜进行单桩承载力载荷试验以及桩间土静载荷试验，这样来确定复合地基承载力。但必须指出：地基处理深度(即桩长)除必须满足承载力要求外，还必须满足沉降控制要求，从变形控制的观点上讲，可能后者往往更为重要。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看