建筑结构 某工程水泥搅拌桩复合地基处理 摘要：海南核电有限公司厂前区工程的地基土为饱和松散砂土，通过对地基场地的分析，采用水泥搅拌桩复合地基处理方式。 加固后．大大减小砂土的松散性，提高了地基的承载力。该方案合理，并具有良好的技术效果和经济效益。 关键词：水泥搅拌桩，复合地基承载力，沉降 刖昂 在建筑业蓬勃发展的今天，随着地基处理设计水平的提高、施工工艺的 改进和施工设备的更新，对于各种不良地基的处理方法越来越多样化。在软 土地基处理中，水泥土搅拌法是适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉 土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。现 以海南核电有限公司厂前区工程为实例讲述水泥搅拌桩复合地基设计方法 及设计方法中存在的问题。 １．工程概况 海南核电有限公司厂前区培训中心为多层框架结构。地上三层。抗震等 级为四级。场地类别为Ⅱ类。抗震设防烈度为６度，可不考虑地基土液化问题。 根据地质勘查报告，该建筑物基底以下主要为松散的中砂层，该层承载 力较小，工程性质较差，不宜作为拟建建筑物天然地基持力层。主要地层物理 力学指标见表１，厂区稳定水位埋深为１．４ｍ～１．７５ｍ。 土层 厚度（ｍ） Ｙ（ｋＮ／ｍ。） ∞（％） Ｅｓ 标贯基数 ｆａｋ（ｋＰａ） ①１中砂 ２．５￣５ ２０．３ １６．１ １１．５６ ｌ１．５ １ｌ０ ③残积土 ２￣３ ｌ９．１ ２５．７ ４．９６ １８．３ ２００ ④１全风 化黑云母 ０ ２．６ １９．３ ２６．９ ５．０Ｏ ３９．４ ３００ 花岗岩 ２．基础方案的选择 由于中砂层松散，承载力低，厚度大，工程性质差。勘查报告提出可选用 钻孔灌注桩或人工挖孔桩。建筑物单柱荷载不大，虽然钻孔灌注桩和人工挖 孔桩的单桩承载力比较高，可采用一柱一桩。但结合当地晴况无黏土，钻孔灌 注桩泥浆护壁不可实现，从其他地方采购成本太高，而本场地地下水位高，中砂 层松散，人工挖孔孔壁容易出现涌砂或涌水现象，施工难度大，施工安全陛差。 在安全、经济和适用的前提下，对方案进行了优化选择。根据场地岩土工 程条件和建筑物结构荷载特点，设计时采用了水泥搅拌法，对松散土层进行 地基加固处理。 ３．水泥搅拌桩复合地基的常规设计方法 水泥搅拌桩的常规设计步骤：首先根据场地工程地质条件确定单桩竖向 承载力，再根据复合地基承载力的要求，确定置换率、桩数、然后布桩最后进 行必要的验算。计算内容为：复合地基承载力的验算，下卧层的强度验算，地 基的沉降变形验算三个部分。 （Ｉ）确定单桩竖向承载力 单桩竖向承载力特征值按公式（Ｉ）、（２）［ 计算得到，两者取小值。 Ｒａ＝ＴｌＵ （１） Ｒａ＝ｕｐ ｑ １ ＋０【ｑｒｒＡｐ （２） ｉ＝ｌ ￡， 一与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为７０．７ｍｍ 的立方体，也可采用边长为５０ｒａｍ的立方体）在标准养护条件下９０ｄ龄期的立 方体抗压强度平均值（ｋＰａ）； １１——桩身强度折减系数，干法可取０．２０～０．３０；湿法可取０．２５～０．３３； ｕ 一桩的周长ｍ）； ｎ——桩长范围内所划分的土层数； ｑ —桩周第ｉ层土的侧阻力特征值； ｌ广一桩长范围内第ｉ层土的厚度（ｍ）； ７０ ｑ 一桩端地基土未经修正的承载力特征值（ｋＰａ）； ｄ——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取０．４—０．６，承载力高时取 低值。 （２）确定复合地基承载力 水泥搅拌桩复合地基承载力的标准值可通过现场复合地基载荷试验确 定，也可以根据置换率ｍ按式（３） 计算： ｆｓｐｋ＝ｍ ＋Ｂ（１．ｍ）ｆｓｋ （３） Ａｐ ‘ 一复合地基承载力特征值（ｋＰａ）； ｒｒｒ面积置换率； Ｒａ—一单桩竖向承载力特征值（ｋＮ）； Ａｐ——桩的截面积（ｍ ）； Ｂ——桩间土承载力折减系数，可取０．７５～０．９５，天然地基承载力较高时 取大值； ￡ ｂ理后桩间土承载力特征值（ｋＰａ），宜按当地经验取值，如无经验 时，可取天然地基承载力特征值。 （３）布桩 水泥搅拌桩的布置应根据基础类型确定，一般采用正方形或等边三角形 布桩，由面积置换率算出桩间距，一般在基础范围内布桩，条件许可时宜在基 础外缘加１～３排护桩。 等边三角形布置：ｓ＝１．０８、 正方形布置：ｓ＝、／Ａｅ Ａｅ—ｌ根水泥土搅拌桩承担的处理面积（ｍ ）： Ａ ：尘 ｍ （４）下卧层地基强度验算 在设计时当水泥土桩的置换率较大（ｍ＞２０％），且非单行排列，而且桩端下 又存在较软弱的土层时，尚应将桩与桩间土视为一个假想的实体基础，按现 行国家标准《建筑地基基础设计规范》ＧＢ５０ｏ０７的有关规定进行下卧层承载 力验算。 （５）沉降计算 竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形 ｓｌ与桩端下未加固土层的压缩变形ｓ２。计算方法可见《建筑地基处理技术规 范》ＪＧＪ７９２００２及《建筑地基基础设计规范》ＧＢ５００ｏ７。 （６）本工程计算过程 一般设计中帆值：在水泥掺入量１５％时９０ｄ龄期为 ：１．５—２．０Ｍｐａ 根据海南昌江核电厂厂前区岩土工程详勘报告，桩径选用６００ｍｍ，桩端 持力层选用③层残积土，有效桩长１＝９．５ｍ ｄ＝６００ｍｍ Ａｐ＝３．１４ ｄ２／４＝２８２６００ｍｍ ｕ７３．１４ ｄ＝１８８４ｍｍ Ｓ＝Ｉ５００ ｄｅ＝１．０５ｓ＝１．（ １５００＝１５７５ｍｍ Ｒａ＝１１ ｆ Ａ７０．２５ １．５ ２８２６０Ｏ＝１０５９７５Ｎ Ｒａ＝ｕｏｑｌ＋ ｑ ７１．８８４ １０ ９．５＝１８８ＫＮ 二者取小值Ｒａ：ＩＯＯＫＮ ｍ＝ｄ２／ｄ￣６００＂６００／１５７５／１５７５＝０．１４５ ＝ｍ Ｒａ／Ａ ＋ｐ（１一ｍ） ＝０．１４５ １００／０．２８２６＋０．８ ｆ１—０．１４５） １ １０ ＝１２６Ｋｐａ （下转第７３页） 建筑结构 囵固口 四 表１最大层间位移角 从表１结果表明ｘ和Ｙ方向的最大层间位移角均小于１／１０００；同时结构的 工况 最大层问位移角 工况 最大层间位移角 周期比为０．８７３，小于规范要求的０．９，显然本框架核心筒采取的结构设计措施 是有效的。 ｌ Ｘ：Ｉ／１０６４ｆ第７层第ｌＳ） ６ Ｙ：Ｉ／１０９４（第８层第‘ＩＳ） ２ Ｘ：Ｉ／１０６３（第７层第ｌＳ） ７ Ｙ：Ｉ／１０９２（第８层第ｉＳ） ５．结语 ３ Ｘ：ｌ／１ｏ４８（第７层第ｌＳ） ８ Ｙ：Ｉ／１０１８（第８层第ｌＳ） 本文详细介绍了高层核心筒的受力性能和破坏机理，以及高层核心筒的 设计要点，总结了笔者在框筒结构设计中的经验，为框筒结构设计提出了一 ４ Ｘ：Ｉ／１０７２ｆ第６层第ｌＳ） ９ ｘ：１／４１９１ｆ第６层第ｌＳ） 些建设性意见，为同类工程设计提供参考。 ５ Ｙ：Ｉ／９９６（第８层第ｌＳ） １０ Ｙ：１／１３２７（第７层第１塔） 参考文献： 表２考虑扭转耦联时的振动周期（秒） 【１】侯巧玲，付刚高层建筑结构分析与设计方法研究Ⅱ１．价值工程．２０１０（２１）： 振型号 周期 转角 平动系数（Ｘ＋Ｙ】 扭转系数 １１８～１１９． ［２ｊ任华．某高层建筑结构设计的分析与探讨Ｕ］．建材与装饰（中旬－ｒ，１）．２００７０２）： ｌ １．６９７７ １７ｇ．８５ １．ｏｏ Ｏ．ＯＯ ３１￣３３． ２ １．６Ｏ４２ ８８．６７ ０．９９ ０．０１ 【３］蔡兴彬，曹西晨，徐交爽．高层框架核心筒结构设计Ⅱ】．工程建设与设计２０１１ ３ １．４８２０ １２０ ９９ ０．０ｌ Ｏ．９９ （ｏ３）：１１￣１５． （上接第６６页） （２）提高结构抗侧力强度 超高层建筑的锥形化体型要防止框架侧移，必须让外框架柱保持一定倾 五、施工周期 斜度。满足上述条件的前提下，锥形框架在比起矩形框架在高度上占有绝对 超高层建筑施工周期长的主要原因是标准楼层建筑面积大、楼层数量 优势。在水平荷载及巨柱倾斜的前提下，如果分析框架模型的外柱倾斜角度 多。以３００ｍ的超高层建筑为例，建筑施工速度保持在７天１标准层，超过一年 是８６．７ｏ，巨柱轴力作用而成的水平分力超过楼层水平总剪力值三分之一。 半的施工周期之后才完成７０层超高层建筑的上部结构。为超高层建筑提前完 要抵抗水平剪力可行的措施是让巨柱轴力保持一定倾斜度。 工，促使投资人尽早获得收益，必须缩短施工周期。通过提高施工速度，减少 四、结构材料 施工周期，能让结构总造价更具经济性。 要辨别结构材料是否经济实惠，必须认真分析影响造价的所有原因。在 六、总结 结构总造价中，直接投入在结构材料中的费用为百分之五十，间接投入在安 在超高层建筑中，结构造价需要投入的资金巨大。为提高结构的经济性， 装设备及人员报酬上的费用为百分之五十。在选用结构材料过程中，必须对 必须运用科学的结构设计理念，结合施工、材料、体型等多方面进行设计。经 结构材料施工效果、不断变化的价格及人力物力管理制度等引起重视。 济、安全及适用是结构工程师进行结构设计必须考虑的要素。在超高层建筑 （１）钢结构 建筑结构设计中，风洞试验技术发挥了很大的作用。建筑体型复杂的情况下， 与钢筋混凝土结构相比较而言，钢结构的造价显然要高出很多。由于钢 要确定风荷载、横风向荷载及效应，必须使用风洞试验技术。建筑用地减少及 结构自身重量轻，所以能增加有效使用的建筑面积、减少造价及缩短施工工 供应不足，必然导致超高层建筑高宽比加大。为提高结构的经济性，必须按照 期。使用钢结构材料能提高整个建筑工程的经济效益。 建筑规划的要求，不断优化建筑体型。超高层建筑极具创造性，不适合用统一 （２）钢筋混凝土结构 的标准来衡量其结构造价指标。通过不断创造及优化结构设计，能达到降低 钢筋混凝土的造价比钢结构低。钢筋混凝土具有抗拉强度弱、自身重量 超高层建筑的结构造价的目标。在深入研究超高层的设计性能的前提下，才 大及延长施工周期等缺点。所以在地震频发的地方及超高层建筑中高宽比相 能发挥超高层建筑设计水准，确保实用及安全性。 对大时，最好避免使用钢筋混凝土。混凝土在钢筋混凝土结构总造价中所耗 参考文献： 材料费不足五分之一。 川林同炎，ｓＤ斯多台斯伯利．结构概念和体系ｆＭ］．北京：中国建筑工业出版 （３）混合结构及组合结构 社．２００５ 在超高层建筑中最常用的是刚—混凝土混合结构。在结构体系中，使用 Ｉ２］方小舟，魏琏．关于建筑建构抗震设计若干问题的讨论Ⅱ】．建筑结构学报， 刚一混凝土混合结构的主要原因是钢结构和钢筋混凝土混合在一起既能降 ２０１１。３２（１２）：４６—５１． 低用钢量及成本，又能达到施工效果。 ［３】刘大海，杨翠如．高楼钢结构设计『Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００３ （￣．￣ｇＴＯｇ） 根据此结果，按处理后复合地基承载力特征值为１２０ＫＰａ 换率较高时，桩间土承受的力就比较下。在何种情况下确定置换率的大小，目 进行地基基础设计。 前尚无定论，因此关于桩土应力比的分配以及计算中承载力折减系数的取 本工程ｍ＝１４．５％＜２０％。可不进行软弱下卧层验算。 值，仍然靠经验确定。 根据国家标准《建筑地基基础设计规范）ＧＢＳ０００７的有关规定，可不进行 沉降计算。 ５．水泥搅拌桩复合地基加固效果及评价 ４．现行计算方法中存在的问题 水泥搅拌桩施工完毕后，对水泥土搅拌桩进行了静载荷试验检测和低应 变检测。检测结果承载力满足要求，桩身质量完整。在基础和桩之间设置褥垫 在公式（１）中需要使用参数 （与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加 层后，进行复合地基载荷试验，复合地基承载力可满足设计要求。 固土试块在标准养护条件下９Ｏｄ龄期的立方体抗压强度平均值），试块在室内 试验过程中的环境温度、压力状态、含水量、养护条件等与桩本身在实际软土 ６．结语 中不一样，因此得出的结果并非真实的工程效果。主要受场地土质、材料、施 从实测和检测结果来看，证明这种处理方式是安全合理的。 工条件等因素的影响。 地基处理除应满足工程设计要求外，尚应做到因地制宜、就地取材、保护 在公式（３）中，对于桩间土对复合地基承载力的影响，仅采用桩间土承载 环境和节约能源。 力折减系数Ｂ说明，过于笼统。桩问土分担比例与桩间距、桩周土体的强度大 参考文献 小等有关。一般来讲，当置换率较低时，桩间土承受的应力就较高，反之当置 Ⅲ《建筑地基处理技术规范））ＪＯ￣Ｖ９２ＯＯ２ ‘７３‘
