陳依俤
引言:
水泥攪拌樁是指軟基處理的一種有效形式,是一種將水泥作為固化劑的主劑,利用攪拌樁機將水泥噴入土體并充分攪拌,使水泥與土發(fā)生一系列物理化學反應(yīng),使軟土硬結(jié)而提高地基強度。水泥攪拌樁適用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、黏性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細砂(松散、中密)、中粗砂(松散、稍密)、飽和黃土;不適用于含大孤石或障礙物較多且不易清楚的雜填土、欠固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、硬塑及堅硬的黏性土、密實的砂類土,以及地下水滲流影響成樁質(zhì)量的土層。水泥攪拌樁按主要使用的施工做法分為單軸、雙軸和三軸攪拌樁。
一、工程概況
浙江綠歐智能科技有限公司擬建的3#車間,占地152m(8m×19)×64m(16m×4),柱網(wǎng)為8m×16m地上兩層。一層層高10m,為鋼框架結(jié)構(gòu),地面活荷載為3t/m2;二層層高5.9m(檐口高度),為輕型屋面門式剛架結(jié)構(gòu),樓面活荷載為0.5t/m2?;撅L壓為0.6KN/m2,地面粗糙度為A類;基本雪荷載為0.35KN/m2;抗震設(shè)防烈度為6度,場地土類別為Ⅳ類,調(diào)整后的地震動峰值加速度為0.0625g,地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.75s。
地下水位為1.0m,設(shè)計基礎(chǔ)埋深為d=1.20m。
(二)地基處理設(shè)計
2.2.1確定水泥攪拌樁復合地基承載力特征值fspk
⑴選擇水泥攪拌樁類型
工程樁采用三軸水泥攪拌樁φ650@450mm,樁截面面積Ap=0.8655m2,樁周長μp =4.0271m,樁長L=12.5m(樁頂標高為-1.600m),褥墊層厚度取300mm,布樁間距@1.10m×2.0m;水泥摻入量為20%,水灰比為0.45,樁身水泥土強度fcu=1.8Mpa。
地面樁采用單軸水泥攪拌樁φ500mm,樁截面面積Ap=0.1963m2,樁周長μp =1.57m,樁長L=6.0m(樁頂標高為-0.600m),褥墊層厚度取300mm,布樁間距@1.0m×1.0m;水泥摻入量為15%,水灰比為0.45,樁身水泥土強度fcu=1.6Mpa。
⑵確定單樁承載力特征值Ra
①按樁體材料所提供的單樁承載特征值:樁身強度折減系數(shù)η=0.25
工程樁:Ra=ηfcuAp = 0.25×1800×0.8655 = 389.5KN
地面樁:Ra=ηfcuAp = 0.25×1600×0.1963 = 78.5KN
②按樁端、樁側(cè)摩阻力計算單樁承載力Ra:樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)αp=0.5
工程樁:Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 4.0271×(6×4+5×6.7+4.5×1.8)+0.5×40×0.8655 = 281.5 KN
地面樁:Rα=μp∑qsili+αpqpAp = 1.57×(6×0.9+6×4.1+5×1)+0.5×55×0.1963 = 60.3 KN
綜合以上①、②,可確定單樁承載力特征值Ra取值如下:工程樁:Ra= 281.5KN,地面樁:Ra= 60.3KN。
⑶確定樁土面積置換率m
工程樁:m = Ap/s1s2 = 0.8655/(1.1×2.0)= 0.3934
地面樁:m = Ap/s1s2 = 0.1963/(1.0×1.0)= 0.1963
⑷確定水泥攪拌樁復合地基承載力特征值fspk
單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=1.0,樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β=0.8
工程樁:fspk = λmRa/Ap+β(1-m)fsk = 1.0×0.3934×281.5/0.8655+0.8×(1-0.3934)×50 = 152Kpa 則設(shè)計計算取值為fspk = 150Kpa
地面樁:fspk = λmRa/Ap+β(1-m)fsk = 1.0×0.1963×60.3/0.1963+0.8×(1-0.1963)×50 = 92.4Kpa 則設(shè)計計算取值為fspk = 90Kpa
2.2.2計算地基承載力
⑴選擇柱下獨立基礎(chǔ)截面尺寸
基礎(chǔ)截面寬度b=3.0m,基礎(chǔ)截面長度l=5.2m,基礎(chǔ)截面面積A=15.6m2,基礎(chǔ)埋深d=1.2m,地下水位為1.0m。
⑵計算修正后的復合地基承載力特征值fsp
基礎(chǔ)埋深承載力修正系數(shù)ηd=1.0,基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度:
γm=(20×1.0+(20-10)×0.2)/1.2=18.33KN/m3
fsp = fspk+ηdγm(d-0.5)= 150+1.0×18.33×(1.2-0.5)= 162.8 Kpa
⑶地基承載力驗算
基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重:Gk =γmAd = 18.33×15.6×1.2 = 343.2KN
地面堆載產(chǎn)生的附加重量:Qk = 30×15.6 = 468KN
Wx=bl2/6=3.0×5.22/6 = 13.52m3 Wy=b2l/6=3.02×5.2/6 = 7.8m3
①Mxmax的標準組合:Mx=271KNm My=0 Vx=0 Vy=47KN N=1128KN
Pk =(Fk+Gk+Qk)/A =(1128+343.2+468)/15.6 = 124.3 Kpa Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+271/13.52+0/7.8 = 144.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-271/13.52-0/7.8 = 104.3 Kpa>0
②Mymax的標準組合:Mx=0 My=3KNm Vx=15KN Vy=0 N=1128KN
Pk =(Fk+Gk+Qk)/A =(1128+343.2+468)/15.6 = 124.3 Kpa Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 124.3+0/13.52+3/7.8 = 124.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 124.3-0/13.52-3/7.8 = 123.9 Kpa>0 ③Nmax的標準組合:Mx=2KNm My=0 Vx=0 Vy=3KN N=1585KN Pk =(Fk+Gk+Qk)/A =(1585+343.2+468)/15.6 = 153.6 Kpa Pkmax= Pk+Mx/Wx+My/Wy= 153.6+2/13.52+0/7.8 = 153.7 Kpa<1.2fsp=195.4 Kpa Pkmin= Pk-Mx/Wx-My/Wy= 153.6-2/13.52-0/7.8 = 153.5 Kpa>0 綜合以上①、②、③,可知:地基承載力驗算滿足要求(最不利組合為Nmax)。 ⑷軟弱下臥層驗算 由于三軸水泥攪拌樁(工程樁)持力層為②2層淤泥,樁端以下不存在軟弱下臥層,故無需進行軟弱下臥層驗算。 ⑸沉降計算 ζ= fspk/fak =150/50=3 Es=(3.0×4+2.47×6.7+1.68×1.8)/12.5=2.53 Mpa 則復核地基土層的壓縮模量:Esp=ζEs=3×2.53=7.59 Mpa,復核地基土層厚度為12.9m。 地基變形計算深度估算:zn = b(2.5-0.4lnb)= 3.0×(2.5-0.4×ln3.0)= 6.2m 查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)表5.3.7可得:△z = 0.6m 準永久荷載組合時基礎(chǔ)底面處的附加壓力值:Po = 1186/3.0/5.2+30 = 106 Kpa ① 分層總和法計算出的地基變形量如下表:(l/b = 5.2/3.0 = 1.73) ② ③ ②驗算地基變形計算深度zn △sn' / ∑△si' = △sn' / si' = 0.70/44.7 = 0.016 ≤ 0.025,滿足要求。 ③沉降計算經(jīng)驗計算系數(shù)ψs Po = 106 Kpa<0.75fak = 0.75×150 = 112.5 Kpa Es' = ∑Ai / ∑(Ai / Esi)= 0.80042/(0.78792/7.59+0.0125/7.59)= 7.59 Mpa 查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)表5.3.5可得:ψs = 0.678 ④地基最終變形量 s s = ψs s' = ψs∑ p0(ziαi - zi-1αi-1)/ Esi = 0.678×44.7 = 30.3mm 三、經(jīng)濟比較 ⑴PHC預(yù)應(yīng)力管樁+無梁板地面方案 工程樁采用PHC600-130-A,持力層為⑤2-1層 粉質(zhì)黏土,單樁承載力特征值為1500KN,樁長約為55m,柱下為雙樁承臺(1.2m×3.3m×1.5m(厚度));地面樁采用PHC500-125-A,持力層為④1層黏土,單樁承載力特征值為650KN,樁長約為40m,布樁間距為@4m×4m。 ⑵水泥攪拌樁處理方案與PHC預(yù)應(yīng)力管樁+無梁板地面方案進行經(jīng)濟分析,具體如下表: 由上表可知,浙江綠歐智能科技有限公司擬建的3#車間基礎(chǔ)及地面處理總造價,水泥攪拌樁處理方案比PHC預(yù)應(yīng)力管樁+無梁板地面方案每平方可節(jié)約: (132519-75309)/(16×8)= 447 元/m2(按一層建筑面積計算)。 結(jié)語: 根據(jù)當?shù)毓こ探?jīng)驗,水泥攪拌樁對地基土的加固效果良好,沉降均勻,質(zhì)量可靠穩(wěn)定。由此可見,水泥攪拌樁是一種具有工程造價低、處理效果好、質(zhì)量易控制、施工工藝受環(huán)境制約少的成熟地基處理技術(shù),在軟土場地施工中有較高的推廣意義。 (作者單位:福建省機電建筑設(shè)計研究院)