深层水泥搅拌桩在软土地基处理中应用分析

深层水泥搅拌桩的加固原理

深层水泥土搅拌桩系指利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处，就地将软土和固化剂强制搅拌，由固化剂和软土间产生一系列的物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土搅拌桩。这种水泥土搅拌桩与桩周土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基沉降，现已在建筑工程软土地基加固处理中得到广泛的应用。

在深层水泥土搅拌桩复合地基的设计与施工中，人们尤为关注的是复合地基在载力和沉降量的计算，而影响复合地基的承载力和沉降量的因素很多，例如单桩承载力、地基土承载力、水泥土搅拌桩的置换率、桩-土应力比、上部的荷载的分布情况、复合地基应力传递规律以及垫层的设置情况等。而影响桩-土影力比的掠地因素又包括桩间桩端土的物理性质、桩间距、垫层的设置情况以及上部的荷载的分布情况等，在诸多因素中桩-土应力比和复合地基中的桩与土的应力传递规律更是难以确定。

桩身应力传递规律

深层水泥土搅拌桩复合地基的应力传递规律不同于单桩应力传递规律，在水泥土搅拌桩复合地基的实际应用中首先要解决的理论问题应该是水泥土搅拌桩的应力传递规律。图1是三种桩土模量比时，基础顶面作用相同竖向荷载时桩身轴力沿桩长分布图。桩土模量比越高，桩顶反力越大，最大轴力出现在桩顶。图2是侧摩阻力沿桩长分布图，与无基础时桩侧摩阻力分布有较大区别，由于基础对桩土接触

面相对滑移的限制，桩顶以下约2倍桩径深度范围内桩侧摩阻力较小，桩顶处几乎为零，而无基础时桩身上部侧摩阻力最大。桩土接触面相对滑移量沿桩长的分布规律与桩侧摩阻力分布曲线相似，桩顶处桩土接触面位移是协调地传统概念相比，桩土接触面还是存在相对滑移的，虽然相对滑移量很小，但从水泥土桩模型试验结果看，仅需不大的相对滑移量即能使桩侧摩阻力发挥。而该相对滑移主要发生在自桩顶至桩顶以下4m～6m范围内，桩土模量比越大，产生相对滑移的深度越大，但几乎很难超过7m深。基础承台的存在限制了桩顶部分的桩土接触面相对滑移，削弱了桩身上部侧摩阻力。

由图1、图2分析可得出：①桩身最大轴力发生在桩顶，侧阻力最大值发生在桩顶下2m左右的范围内；②传到桩端的荷载占桩顶荷载的比例较小；③桩体的变形、轴力和侧阻力主要集中在桩顶到临界桩长的范围内；④水泥土搅拌的破坏主要发生在浅层。

垫层效应分析

垫层效应是指水泥土搅拌桩复合地基在桩顶设置褥垫层，褥垫层对复合地基中水泥土桩的应力传递规律以及桩-土应力比的影响及其相关性在水泥土搅拌复合地基设计中，一般要在桩及桩间土组成的复合地基与基础之间设计柔性垫层，以减少地基沉降，协调桩土共同作用，提高地基承载力。图3为某一室内模拟试验对水泥土搅拌桩复合地基的工作机理进行研究的结果分析曲线。

持力层刚度的较小时，桩-土应力比随着垫层厚度变化并不明显，桩土应力比均保持在10左右。桩端持力层刚度的不同对桩身荷载的

传递有一定影响。持力层刚度越小，桩侧摩阻力越大，桩度的桩身应力越小，桩间土作用通过“环箍效应”发挥出来，这种效应将先于垫层发挥作用。除此之外，随着持力层刚度的减小，水泥土桩的有效桩长减小，从抵抗变形的角度来看，这是不利的。而不加设垫层恰恰会增加有效桩长，使桩的作用充分发挥出来。综上所述，当持力层比较软弱时，可以不加设垫层，以免造成不必要的浪费。持力层刚度较大时桩-土应力比随着垫层厚度发生明显变化。

通过对图3分析们们可以得出如下结论。

①水泥搅拌桩中垫层的设置及厚度的大小是为了使桩土共同作用协调变形，只有当桩间土能发挥最大效用时，才能形成复合地基，所以复合地基的形成是与地基条件及桩的设计模式有关的，垫层的厚度也并非越厚越好，在不同情况下应合理地设置垫层。

②持力层的刚度对垫层的设置有不可忽略的影响。当持力层比较软弱时，垫层的设置对水泥搅拌桩的工作状态没有太大的影响，可以不予设置。

③水泥土搅拌桩复合地基在持力层的刚度相对较大的情况下，设置适当厚度的褥垫层，提高桩间土对复合地基承载力的贡献、提高水泥搅拌桩复合地基的处理效果。有的试验也证明在复合地基的处理效果。有的试验也证明在复合地基承载力中，由于垫层的设置，桩的贡献可提高40%，桩间土的贡献也有所提高。

另据有关试验证明：当其它条件不变时，当垫层变形模量增大时桩-土应力比也增大；当垫层变形模量到某一临界值后桩-土应力比趋

向一定值。

桩土应力比

桩土应力比是指水泥搅拌桩复合地基中，由于桩、桩间土物理性质的差异等多种因素所产生的桩身应力与桩间土附加就力的差异及其比值。

对于水泥土搅拌桩复合地基，由于桩体的强度和变形模量明显大于桩间土，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载由桩体承担，随着桩体强度和变形模量的增大，桩间土的应力相应减少，桩体的作用更加明显。但是，作为复合地基，并不是桩体的强度和模量越大越好，应该同时注意发挥桩间土的作用，当桩间土的作用小到一定程度，就不能作为复合地基。作为复合地基应尽量发挥桩间土承载力的作用，协调桩-土变形，确保工程安全、经济。

对于由具有一定强度的水泥土搅拌构成的复合地基，桩体和桩间土的无侧限抗压强度试验的应力-应变曲线如图4所示。

由图4可以看出，在持力层的刚度较大且桩顶为刚性基础时，由于桩-土的变形模量相差较大，桩体已经破坏时，桩间土的承载力还没有允许发挥。

水泥土搅拌复合地基桩-土应力比如何取值的影响因素很多，如桩间桩端土的物理性质、桩间距、垫层的设置情况以及上部的荷载的分布情况等，而且前的确定方法主要靠经验且不同设计人员差别很大，笔者认为这方面有待进一步的研究。在实际工程应用中，就根据具体情况确定适当的桩长、桩间距、面积置换率、水泥掺入比、垫层

等以期使桩-土协同工作得以最佳。

边载作用的影响

边载作用的影响是指在水泥土搅拌桩复合地基顶部由于填土以及地面荷载等因素产生的桩周土体附加应力，该附加应力对复合地基的沉降、承载力的影响及其相关性。

水泥土搅拌复合地基中柔性垫层的设置使桩与桩间土的变形一到致，避免了负摩擦力的产生，化不利为有利，这与边载下刚性桩基顶部往往出现负摩擦力而导致承载力下降是截然不同的。特别是在道路工程建设中，当地面承受大面积堆载作用时，地基土内会产生超孔隙水压力，随着时间的推移，土体内的超孔隙水压力逐渐消散，土体产生固结沉降，从而导致桩间土的密实度及桩周土的承载力增大。对于单侧边载下的水泥土搅拌桩复合地基，虽然也存在上述两方面的作用名但其在单侧边载作用下的桩体力模式与环形边载下的桩体受力模式截然不同。在环形边载作用下，桩受对称力作用，不存在侧向变形。而对于单侧边载下的水泥土搅拌桩复合地基，桩两侧向变形而将导致对桩身处土体侧向变形的约束作用减小，使土体对桩身的侧向压力相应减小，土与桩脱离，土的作用不能发挥出来；而桩后土体对桩身的反作用力随之增加。显然，桩身侧向变形的最终结果是荷载一侧的土体对桩身的侧向压力逐渐减小，桩身后土体对桩身的反作用力逐渐增大，当二者达到平衡时，桩体便停留在这个新的位置上，桩体产生侧移。

由图5、图6分析可得出如下结论：

1）环形边载作用使水泥土搅拌桩复合地基承载力有较大提高，而单侧边载使水泥土搅拌桩复合地基承载力降低。在同一荷载作用下，环形边载条件下的沉降量低于无边栽时的沉降量，而单侧边载作用下的沉降比无边载时大。

2）边载对水泥土搅拌复合地基中的单桩承载力影响不大，但对桩周土承载力的提高影响显著。

结论及建议 1）

水泥土搅拌桩桩体的变形、轴力和侧阻力主要集中在桩顶到临界桩长的范围内，传到桩端的荷载占桩顶荷载的比例较小，桩体的破坏主要发生在浅层。

2)水泥土搅拌桩复合地基中垫层的设置使桩土共同作用协调变形，使桩间土发挥效用提高，但垫层的厚度也并非越厚越好，在不同情况下应合理地设置垫层；持力层的刚度对垫层的设置有不可忽略的影响，当持力层比较软弱时，垫层的设置对水泥土搅拌桩的工作状态没有太大的影响，可以不予设置。

3）水泥土搅拌桩复合地基-土应力比如何取值的影响因素很多，在实际工程应用中，应根据具体情况确定适当的桩张、桩间距、面积置换率、水泥掺入比、垫层等以期使桩-土协同工作得以最佳。

4）环形边载作用使水泥土搅拌桩复合地基承载力有较大提高，而单侧边载使水泥土搅拌桩复合地基承载力降低；在同一荷载作用下，环形边载条件下的沉降量低于无边载时的学沉降量，而单侧边载作用下

的沉降比无边载要大。

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