專利名稱：混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑地基處理方法，特別是混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法。
背景技術(shù)：
多高層建筑及構(gòu)筑物基礎(chǔ)工程中一般采用復(fù)合地基或樁基礎(chǔ)的地基處理方法來改善軟弱土的工程特性，以滿足設(shè)計所需的承載力和沉降要求。軟弱土地基包括軟粘土、填土、淤泥、有機質(zhì)土、泥炭土、飽和粉細砂等，廣泛分布在我國沿海以及內(nèi)地河流兩岸和湖泊地區(qū)，昆明滇池、大理洱海是我國著名軟弱土地區(qū)，軟弱土地基處理技術(shù)與工程安全、進度和投資密切相關(guān)，是工程建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)。水泥土攪拌樁、石灰樁、土工合成織物等一般的復(fù)合地基軟基處理技術(shù)對軟土層強度提高有限而且安全性差。而對混凝土樁(預(yù)制樁、灌注樁)，若將其作為軟土層上的摩擦樁使用，當樁身材料強度的很大部分尚未發(fā)揮時，樁周土層對樁的承載力已達極限，樁基沉降過大而無法繼續(xù)承擔荷載，造成樁身材料的浪費，很不經(jīng)濟。例如昆明海埂2～3層別墅要打20幾米長混凝土樁，占工程土建造價1/4。再者軟弱土一般含水量大，混凝土樁為擠土樁，昆明海埂多處發(fā)生土體破壞隆起、甚至整體移動危害現(xiàn)象。
我國于上世紀末研發(fā)了加芯攪拌樁，在云南、江蘇、天津等地試點應(yīng)用，一般樁徑為500mm，水泥土樁長小于16米，芯樁為220mm×220mm的方楔形，僅能用于多層建筑淺層地基處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種外形受載性能合理、質(zhì)量可靠、承載力高、低沉降、低造價、應(yīng)用面廣，能有效用來解決深層厚軟弱土地區(qū)地基的處理。
解決本發(fā)明的技術(shù)問題所采用的方案是按如下步驟進行(1)首先根據(jù)建筑要求、地質(zhì)條件等確定樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基方案，設(shè)計混凝土長芯水泥土復(fù)合樁并確定基礎(chǔ)尺寸；(2)在工地按布樁位置利用深層攪拌機制作水泥土攪拌樁；(3)在水泥土攪拌樁中壓入預(yù)制混凝土長芯樁或復(fù)打混凝土灌注長芯樁而形成外形樁短芯長的復(fù)合樁；(4)在樁頂澆制混凝土樁帽，樁帽與基礎(chǔ)承臺錨接或在承臺與樁帽間設(shè)置褥墊層。
在上述的地基處理步驟中，技術(shù)特點是，單樁承載力按①水泥土強度破壞、②地基土強度破壞、③樁身組合強度破壞和④上段地基土與芯樁組合強度破壞四種可承受的抗力的最小值選取；視地質(zhì)及施工設(shè)備條件選擇所述的組合樁樁徑400mm～850mm，樁長為3m～25m；混凝土芯樁芯延伸出的長度為2m～45m，樁距按組合樁樁徑的2.5倍并≥4倍芯樁直徑綜合選取。
單樁具體組合尺寸確定方法，依據(jù)以下四條件地基土強度破壞Ra1＝F1+F3+F4+F5(1)樁身組合強度破壞 Ra2＝Fp+Fc(2)水泥土強度破壞Ra3＝F2+F3+F5(3)上段地基土與芯樁組合強度破壞Ra4＝F1+F4+Fc(4)式中F1、F4為水泥土攪拌樁與地基土總側(cè)阻力和總端阻力，F(xiàn)3、F5為芯樁下段與地基土總側(cè)阻力和總端阻力，F(xiàn)P、FC為水泥土攪拌樁強度和芯樁的樁身強度，F(xiàn)2為芯樁上段與水泥土總側(cè)阻力，單樁承載力特征值Ra取其中最小值。設(shè)計時可以根據(jù)上部結(jié)構(gòu)、地質(zhì)土層、施工設(shè)備制樁能力，先選擇水泥土攪拌樁的樁徑和樁長，再設(shè)樁頂荷載N＝Ra＝Ra1＝Ra2＝Ra3＝Ra4，在此基礎(chǔ)上得到芯樁經(jīng)濟合理優(yōu)化尺寸和長度，由此可見本方法具有“設(shè)計可調(diào)性及承載力多值性”特點。確定單樁承載力Ra后，計算出樁數(shù)n，取樁距2.5倍水泥土攪拌樁樁徑，樁距同時不小于4倍芯樁樁徑d，得出基礎(chǔ)尺寸。
采用復(fù)合地基處理方法時，求得樁和樁間土復(fù)合地基承載力特征值fspk，可按下式估算fspk=RaAp+β(1-m)fsk---(5)]]>式中m——面積置換率，等于樁面積Ap與該樁所對應(yīng)(或所承擔)的復(fù)合面積A的比值，即m＝Ap/A；fsk——樁間天然地基土承載力特征值(kPa)；β——樁間土承載力折減系數(shù)，視復(fù)合地基強度發(fā)揮條件，取0.3～0.9；在本發(fā)明的方法中，水泥土攪拌樁為濕法漿體攪拌施工，固化劑用強度等級32.5級以上的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為被加固軟土質(zhì)量的7％～24％，水泥漿水灰比為0.5～1.1，外摻劑可根據(jù)土質(zhì)條件和工程需要選用。
混凝土芯樁在水泥土初凝前插入水泥土攪拌樁中，預(yù)制芯樁為方柱形、長方柱形、管形、方楔形，用靜力壓樁機或?qū)Ｓ玫纳顢嚒獕簶稒C施工。復(fù)打灌注芯樁為圓柱形、方柱形、長方柱形，用沉管灌注樁機施工，沉管下端設(shè)活瓣樁尖或設(shè)預(yù)制混凝土樁尖。芯樁外邊緣(角)距攪拌樁外邊不小于80mm。
樁帽直徑與攪拌樁樁徑相同，高度為400mm～600mm，每樁與基礎(chǔ)承臺錨固鋼筋不小于2根，且錨固鋼筋直徑≥12mm，錨固長度大于30倍錨筋直徑ds。復(fù)合地基樁在承臺與樁帽間設(shè)置了褥墊層，砂碎石級配混合層厚200mm～300mm。采用復(fù)合地基應(yīng)滿足形成復(fù)合地基條件，即樁和樁間土沉降一致、共同承擔荷載，當樁端持力層為軟土時可采用錨固鋼筋伸入基礎(chǔ)承臺，否則應(yīng)設(shè)褥墊層。
水泥土攪拌樁樁、混凝土樁使用一種材料，其設(shè)計理論為存在二種破壞狀態(tài)1)樁身材料強度破壞；2)樁身與地基土結(jié)合界面強度破壞(簡稱地基土強度破壞)。不同的理論方法研發(fā)出不同產(chǎn)品，沿用傳統(tǒng)的二種破壞態(tài)理論，不能解釋組合樁的工作機理和受力狀態(tài)，缺乏正確理論指導(dǎo)其地基處理方法就存在盲目性和不安全因素。本專利則提出了“混凝土芯水泥土攪拌樁存在三種破壞狀態(tài)”1)樁身組合材料強度破壞；2)樁身與地基土結(jié)合界面強度破壞(簡稱地基土強度破壞)；3)芯樁與水泥土結(jié)合界面強度破壞(簡稱水泥土強度破壞)。因此其計算模型符合組合樁的實際工作條件。在確定地質(zhì)條件下，兩種破壞狀態(tài)當樁身材料、樁徑、樁長選定時，其承載力為定值。而三種破壞狀態(tài)則不同，其承載力還隨芯樁粗細、長短變化，芯樁類似混凝土構(gòu)件中的鋼筋作用，故具有“設(shè)計可調(diào)性和承載力多值性”特點，通過優(yōu)化、量化芯樁尺寸，從而達到保證安全、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進的目的。
施工方法如下攪拌樁機械就位→調(diào)平→攪拌、噴漿→完成攪拌樁制作→攪拌樁機械移位→壓樁機或沉管灌注樁機就位→壓入預(yù)制混凝土芯樁(或復(fù)打灌注芯樁)→移位進行下一根樁施工。
施工機械有兩種方案。一為專用設(shè)備，深攪和壓芯樁合用一臺機械完成，預(yù)制混凝土芯樁長≤14m時可以實施。二為2臺設(shè)備合作，深攪機在先，壓樁機或沉管灌注樁機在后。
有益效果混凝土長芯水泥土復(fù)合樁的芯樁具有高承載力、低沉降、應(yīng)用面廣、顯著降低工程造價等有益效果，是一項廣泛普遍適用的地基處理方法，特別是厚軟弱土地基處理新技術(shù)方法，其原因如下(1)組合樁徑大?；炷翗对靸r昂貴，施工壓樁阻力大，只得盡量選小樁徑；而本混凝土長芯水泥土復(fù)合樁價格低，施工壓樁阻力微小，故盡可能做大樁徑，使樁身組合強度大幅度提高，樁側(cè)摩阻力和樁端端阻力充分發(fā)揮。而水泥土攪拌樁為柔性樁，樁身強度低且破壞在淺層，只有淺層的小部分摩阻力充分發(fā)揮，故其承載力很低，約為同樁徑混凝土長芯水泥土復(fù)合樁的1/3～1/6，受樁身強度控制，安全性差。
(2)樁短芯長。芯樁直接進入持力層，起著向水泥土攪拌樁擴散荷載及直接向地基土傳遞荷載的雙重作用，使組合剛度大幅提高，是一種新型的完全的剛性樁。樁身壓縮量微小(與混凝土樁相同，約為水泥土攪拌樁的1/100)，協(xié)調(diào)變形能力強，側(cè)阻力和端阻力發(fā)揮值提高。樁土剛度比增大，有效樁長增長，樁下部摩阻力端阻力也能充分發(fā)揮作用，其沉降量與混凝土樁相同。
(3)雙層擴散荷載傳遞模式。荷載→芯樁→水泥土→樁周土體，為二個介面(第一介面芯樁與水泥土結(jié)合面、第二介面水泥土與地基土結(jié)合面)雙層擴散模式，其應(yīng)力梯度較小，使得混凝土長芯水泥土復(fù)合樁具有比混凝土樁更大的樁土應(yīng)力比和摩阻力。
(4)芯樁的骨架作用。樁的破壞是由局部到整體過程，在厚軟土地區(qū)，芯樁把上下好的土層“串聯(lián)”起來，起到傳遞分布荷載、維護整體穩(wěn)定、阻止局部破壞作用，提高建筑地基安全性。
(5)復(fù)打施工方法。施工成樁過程中，插入預(yù)制芯樁或復(fù)打灌注芯樁均會向外擠擴水泥土攪拌樁，增加水泥土和土體密實性和強度，顯著提高二個介面的側(cè)摩阻力；同時因水泥土未初凝，不會像混凝土樁那樣產(chǎn)生不良擠土效應(yīng)。
(6)經(jīng)濟合理。水泥土攪拌樁價格為混凝土樁的1/4，芯樁截面一般為混凝土樁截面的20％～45％，用廉價材料代替昂貴材料，混凝土長芯水泥土復(fù)合樁經(jīng)濟合理的外形設(shè)計，既大量提高承載力，又大幅度降低工程造價。在單樁承載力相同條件下，用混凝土長芯水泥土復(fù)合樁替代混凝土樁一般降低樁基工程造價20％～50％，同時降低基礎(chǔ)承臺造價20％～40％。
(7)設(shè)計可調(diào)性。通過調(diào)整芯樁參數(shù)，改變其樁身強度和等效剛度，因而承載力提高幅度也不同，故與水泥土攪拌樁、混凝土樁不同，混凝土長芯水泥土復(fù)合樁具有人工設(shè)計可調(diào)整承載力特點。因此使用范圍廣，既可用于復(fù)合地基、又可用于樁基工程；也可與柔性樁(水泥土攪拌樁)或剛性樁(混凝土樁)結(jié)合使用。如軟土、厚軟土地區(qū)多層建筑地基基礎(chǔ)，中等強度土地區(qū)多高層建筑地基基礎(chǔ)，公路、鐵路的路橋地基基礎(chǔ)，特種結(jié)構(gòu)和基坑工程等。在建筑工程、交通工程、市政工程、村鎮(zhèn)建設(shè)各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用前景。
如上所述，混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑基礎(chǔ)處理方法將普通的混凝土樁(預(yù)制樁、灌注樁、管樁)、水泥土攪拌樁(深層攪拌樁)、長短樁(在筏板基礎(chǔ)下同時布置混凝土長樁和水泥土攪拌短樁)的技術(shù)相互滲透、有機組合融為一體，發(fā)揮各自優(yōu)點，取長補短。


圖1 混凝土長芯水泥土復(fù)合樁結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 樁基礎(chǔ)樁頂構(gòu)造示意圖；(注樁端持力層為軟弱土時，本構(gòu)造圖也可用于復(fù)合地基)圖3 復(fù)合地基樁頂構(gòu)造示意圖；圖4 布樁示意圖；圖5 混凝土長芯水泥土復(fù)合樁受力圖。
1......水泥土攪拌樁 6......混凝土條基2......混凝土長芯樁 7......樁帽(內(nèi)配構(gòu)造鋼筋)3......混凝土長芯水泥土復(fù)合樁 8......錨筋4......混凝土基礎(chǔ)承臺 9......混凝土墊層5......混凝土柱 10......級配砂石褥墊層具體實施方式
實施例一某商業(yè)廣場A、B棟，邊柱基礎(chǔ)底面軸力標準值N＝1980kN，建設(shè)方使用樁基礎(chǔ)φ500長18m預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，按2號試樁地質(zhì)資料計算，單樁承載力特征值Ra＝628kN，靜載試驗為483kN，設(shè)計采用500kN，4樁承臺，樁距4d＝2m，承臺3×3＝9平米。管樁綜合單價168元/m，每根樁3024元；A、B揀共333根樁，總價100.7萬元。
地質(zhì)資料

注上段組合樁的摩阻力、端阻力取管樁值。
混凝土長芯水泥土復(fù)合樁方案1φ600組合樁+φ300管樁芯樁建筑基礎(chǔ)地基處理方法步驟為(1)樁基礎(chǔ)上部組合樁φ600，水泥土攪拌樁長L1＝12m，芯樁為φ300管樁，延伸段長L2＝6m，芯樁總長L1+L2＝18m，管樁C60，水泥土抗壓強度1.2Mpa，持力層為第5層土與管樁設(shè)計相同。
計算F1～F5、Fc、Fp得Ra＝Ra1＝619kN，Ra2＝963kN，Ra3＝704kN，Ra4＝1330kN。樁距2.5D＝1.5m，4樁承臺2.5×2.5＝6.25平米。
(2)在工地按布樁位置用深層攪拌機制作水泥土攪拌樁φ600，濕法漿體攪拌施工，固化劑為32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量16％～18％，水泥漿水灰0.7～0.8，第3層淤泥質(zhì)土較厚，可加外摻劑。
在水泥土初凝前(一般在制作水泥土攪拌樁后4小時內(nèi))，用小型靜力壓樁機將φ300管樁對中心壓入水泥土攪拌樁，管樁為2節(jié)9m，注意保證接頭焊接質(zhì)量。
在樁頂制作C20混凝土樁帽，其直徑與施工實際樁徑同，高500mm，上下兩層φ8，間距150mm的方格鋼筋網(wǎng)，將芯樁鋼筋做錨筋每樁4根φ12錨入基礎(chǔ)承臺。
混凝土長芯水泥土復(fù)合樁方案2φ600組合樁+φ400灌注芯樁建筑基礎(chǔ)地基處理方法步驟為(1)樁基礎(chǔ)上部組合樁φ600，水泥土攪拌樁長L1＝12m，芯樁為φ400沉管灌注樁，延伸段長L2＝6m，芯樁總長L1+L2＝18m，樁混凝土C20，水泥土抗壓強度1.2Mpa，持力層為第5層土與管樁設(shè)計相同。
計算F1～F5、Fc、Fp得Ra＝Ra1＝636kN，Ra2＝758kN，Ra3＝817kN，Ra4＝1119kN。樁距4d＝1.6m，4樁承臺2.6×2.6＝6.76平米。
(2)在工地按布樁位置用深層攪拌機制作水泥土攪拌樁φ600，濕法漿體攪拌施工，固化劑為32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量16％～18％，水泥漿水灰0.7～0.8，第3層淤泥質(zhì)土較厚，可加外摻劑。
(3)在水泥土初凝前(一般在制作水泥土攪拌樁后4小時內(nèi))，用沉管灌注樁機復(fù)打φ400灌注樁對中心插入水泥土攪拌樁，樁縱向鋼筋φ12，間距200mm，箍筋為φ6，間距200mm，沉管下端帶預(yù)制樁尖。
(4)在樁頂制作C20混凝土樁帽，其直徑與施工實際樁徑同，高500mm，上下兩層φ8，間距150mm的方格鋼筋網(wǎng)，用芯樁鋼筋做錨筋每樁4根φ12錨入基礎(chǔ)承臺。
實施效果分析

注3種處理方法沉降計算值相同，*計入從自然地面至基礎(chǔ)底面1.5mφ600水泥土攪拌樁費用。
實施例二昆明滇池邊某溫泉渡假村最大柱荷載約8000kN，巖土工程勘察報告提出使用樁基礎(chǔ)，400mm×400mm方樁，樁長42m，估計單樁承載力特征值為1200kN～1400kN，以2040鉆孔計算為1355kN。每根樁8736+450(袋裝砂井)＝9186元。
2040鉆孔地質(zhì)資料(基礎(chǔ)底面以上填土未列出)

注上段組合樁的摩阻力、端阻力取預(yù)制樁值。
選用混凝土長芯水泥土復(fù)合樁方案，φ600組合樁+φ400管樁芯樁。上部組合樁φ600，水泥土攪拌樁長L1＝24m，芯樁為φ400管樁，延伸段長L2＝18m，芯樁總長L1+L2＝42m，樁混凝土C60，水泥土抗壓強度1.5Mpa，持力層為第44層土與預(yù)制方樁設(shè)計相同。
計算得Ra＝Ra1＝1353kN，單樁承載力、樁數(shù)相同，沉降相等，樁距、承臺尺寸相同，每根樁價格6188元，為預(yù)制方樁方案的67.4％。
權(quán)利要求
1.一種混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法，按以下步驟進行(1)首先根據(jù)建筑要求、地質(zhì)條件等確定樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基方案，設(shè)計混凝土長芯水泥土復(fù)合樁并確定基礎(chǔ)尺寸；(2)在工地按布樁位置利用深層攪拌機制作水泥土攪拌樁；(3)在水泥土攪拌樁中壓入預(yù)制混凝土長芯樁或復(fù)打混凝土灌注長芯樁而形成樁芯延伸出水泥土攪拌樁的復(fù)合樁；(4)在樁頂澆制混凝土樁帽，樁帽與基礎(chǔ)承臺錨接或在承臺與樁帽間設(shè)置褥墊層；其特征是，單樁承載力按①水泥土強度破壞、②地基土強度破壞、③樁身組合強度破壞和④上段地基土與芯樁組合強度破壞四種可承受的抗力的最小值選??；視地質(zhì)及施工設(shè)備條件選擇所述的組合樁樁徑400mm～850mm，樁長為3m～25m；芯樁延伸出的長度為2m～45m，樁距按組合樁樁徑的2.5倍并≥4倍芯樁直徑綜合選取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法，其特征是，所述的水泥土攪拌樁為濕法漿體攪拌施工，固化劑用強度等級32.5級以上的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為被加固軟土質(zhì)量的7％～24％，水泥漿水灰比為0.5～1.1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法，其特征是，芯樁外邊緣距攪拌樁外邊緣≥80mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法，其特征是，所述樁帽直徑與攪拌樁徑相同，高度為400mm～600mm，每樁與基礎(chǔ)承臺錨固鋼筋≥2根，直徑≥12mm，錨固長度大于30倍錨筋直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法，其特征是，復(fù)合地基樁在承臺與樁帽間設(shè)置褥墊層，砂碎石級配混合層厚200mm～300mm。
全文摘要
混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法。本發(fā)明屬于建筑地基處理方法，特別是混凝土長芯水泥土復(fù)合樁建筑地基處理方法。本發(fā)明的單樁承載力按①水泥土強度破壞、②地基土強度破壞、③樁身組合強度破壞和④上段地基土與芯樁組合強度破壞四種可承受的抗力的最小值選取，樁距按組合樁樁徑的2.5倍并≥4倍芯樁直徑綜合選取，組合樁樁徑為400mm～850mm，樁長為3m～25m，芯樁延伸出的長度為2m～45m。本發(fā)明將混凝土樁、水泥土攪拌樁、長短樁技術(shù)相互滲透有機組合融為一體，發(fā)揮各自優(yōu)點，具有承載力高、沉降小、設(shè)備簡便、質(zhì)量保證、無擠土效益、施工環(huán)境好、顯著降低造價、應(yīng)用面廣等優(yōu)點，特別適用厚軟弱土地區(qū)地基處理。
文檔編號E02D5/22GK1851154SQ20061001086
公開日2006年10月25日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者穆曉多, 饒智穎, 饒之帆, 饒英偉 申請人:饒之帆