水泥土搅拌桩设计计算方法探讨
水泥土搅拌桩承载力计算方法
水泥土搅拌桩承载力计算方法探讨摘要：搅拌桩工法的成败直接决定制桩质量的优劣，搅拌桩产生质量问题的原因是施工成桩工艺不合理，管理混乱，规范缺乏有效的桩身全长质量检测方法，设计上采用室内拌制的水泥土强度而没有考虑现场桩身的实际强度较低的情况。
建议在现有计算中再增加一项按现场水泥土强度设计。
它可解决室内拌制的水泥土强度太高而现场强度极低的问题，避免室内理论设计和现场施工质量脱节的弊病。
关键词：搅拌桩工法；检测方法；设计；室内水泥土强度；现场水泥土强度abstract: mixing pile construction methods directly determine the success or failure of the quality of pile, the disadvantages mixing pile produce quality problem is the cause of the pile construction process is not reasonable, management confusion, regulate the lack of effective pile body length of quality inspection method, the design of the mixing of indoor soil-cement without taking into account the actual strength of the pile body lower. advice to increase in existing calculation according to the scene a water soil strength design. it can solve the mixing of indoor soil-cement is too high and the intensity is low, avoid indoor theory design and site construction quality separation of the ills.keywords: mixing pile construction methods; detection methods; design; indoor water soil strength; the strength of cement-soil中图分类号：tq172文献标识码：a文章编号：一、搅拌桩施工和设计中的问题二十世纪八十年代以来，水泥土搅拌桩在公路、桥梁、工民建、支护和水利工程中得到了广泛应用，成功处理了众多软土地基，节省了巨额投资。
水泥土搅拌桩的计算
（一）搭接的水泥土搅拌桩每幅桩截面积的计算：
见每幅搅拌桩的截面积计算表（SMW 工法）。
（二）水泥土搅拌桩水泥用量的计算：
根据上海地区的岩土工程勘察报告得知：土的重度（r0)在 16～20KN/m3 之间，大多为 18KN/m3 左右。当设计未表明被加固土体的重度时，土的重度按 18KN/m3 来计算水泥土搅拌桩的水
水泥土搅拌桩水泥用量及浆量表
项目 灰浆水灰比
灰浆密度
7
8
9 水 泥 10 掺 入 11 量 （% 12 ）
13
14
15
每根水泥土搅拌桩每米段的浆量（L） 每幅水泥土搅拌桩每米段的浆量（L）
0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.4
0.45
0.5 0.55 0.6
1.91 1.85 1.80 1.76 1.71 1.91 1.85 1.80 1.76 1.71
70.08 69.29 80.09 79.19 90.10 89.08 100.11 98.98 110.12 108.88 120.13 118.78 130.14 128.68 140.15 138.57 150.16 148.47
74.55 73.71 85.20 84.24 95.85 94.77 106.50 105.30 117.15 115.83 127.80 126.36 138.45 136.89 149.10 147.42 159.75 157.95
1.76 1.71 1.68 1.65 1.62 1.76 1.71 1.68 1.65 1.62
145.16 156.32 167.49 178.65
153.37 165.17 176.97 188.77
搅拌桩的计算规则
关于多轴水泥搅拌桩的计价释疑当搅拌桩施工工艺与计价定额不同时， 有关的工程量计算和计价规则也应随 着调整，工程量的计算：定额的工程量计算规则是按桩径截面积乘以桩长， 采用多轴施工搅拌桩的工 程量计算关键在于桩截面积的确定，仍采用“桩径截面积” 则不可行，应该扣 除桩径截面一次形成的重叠部位面积， 如下图为三轴搅拌桩， 一次成活三个桩径 断面，应扣除两个部位的重叠面积。
设桩径为 850mm ，桩轴（圆心）矩为 600mm ，则每次成活桩截面积 S 为三个 圆面积扣减 4 个重叠的弓形面积，计算方式为： 原面积： 22 S1= (0.85/2 )2×3.1416 ×3=1.7024m 2 圆心角： θ=2× acos(0.3/0.425)=90.1983 °2一个扇形面积： S2=(0.85/2 )2×3.1416×90.1983/360=0.1423 m 三角形面积： S3=(0.425 2-0.3 2) 1/2×2×0.3/2=0.0903 m 22一个弓形面积: S4=S2-S3=0.1423-0.0903=0.052 m 2每次成活桩截面积 : S=S1-4 ×S4=1.7024-0.052*4=1.4944m 2水泥的掺量：水泥掺量的问题主要是因水泥搅拌桩的“套打”工艺产生，一 般设计往往只给出一个掺量比例， 而没有考虑套打部位时重叠部位截面范围掺量 比例的确定， 特别是当采用整个桩径断面套打时， 如三轴搅拌桩按整个桩径套打 时，其断面情况如下图：因水泥搅拌桩所谓的 “套打” 和搅拌不是分别计算的子目， 假设设计要求水 泥搅拌桩全断面“套打”，搅拌涉及的水泥掺入比仅简单规定为 15%，故原设计的水泥掺入比是指一次成活时或多次成活后的标准要求不明确， 如是前者，则“套打”部位如不考虑扣除一次成活扣除的弓形部位，上图计算 3 次处将为 45%、计 算 2 次部位为 20%了？如为后者， 而计算一次处却为不超过 5%了，所以设计仅简 单明确一个水泥掺入比例是不够的，应明确水泥掺入比例是指何中情况下的。
11-深层搅拌桩法解析
该法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上等地基。当地基土的天然含 水量小于30%、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。
水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数I p大于25的粘土、 地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区，通过现场试验确定其适用性。
石灰固化剂适用于粘土颗粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于 35%，粘土的塑性指数大于10，液性指数大于0.7，土的pH值为4～8，有 机质含量小于11%，土的天然含水量大于30%的偏酸性的土质加固。
水泥土加固体的形状可分为柱状、壁状、格栅状或块状等。 水泥土加固体可以与加固体之间的土体共同构成具有较高竖向承载力 的复合地基，也可以用于基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕。
（3）水泥土抗冻性能 自然冰冻不会造成水泥土深部结构的破坏。只要地温不低于-100C，就
可进行水泥土搅拌法的冬季施工。
三、水泥加固土的现场试验 1）试验目的
①根据水泥土室内配比试验最佳配方，进行现场成桩工艺试验。 ②在相同的水泥掺入比条件下，求出室内石块与现场桩身强度关系。 ③比较不同桩长于不同桩身强度的单桩承载力。 ④确定桩土共同作用的复合地基承载力。
①风干土样 ②烘干土样 ③原状土样 aw
（4）固化剂：不同品种 、不同标号水泥。水泥出厂日期≤3个月。 （5）水泥掺入比：7%、10%、12%、14%、15%、18%、20%、等。
aw （%）=（掺加的水泥量/被加固软土的天然湿重） 100%
目前水泥掺量一般为180～250kg/m3。常用的掺入比为7%～20%。
④土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。
⑤根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等 加固型式。
三轴水泥土搅拌桩工程量计算方法
三轴水泥土搅拌桩工程量计算方法
三轴水泥土搅拌桩的工程量计算方法可以按照以下步骤进行：
1. 确定工程量计算范围：根据设计图纸和工程实际情况确定需要计算工程量的范围，
包括地下桩身、桩头等部分。
2. 测量桩长和直径：使用测量工具测量每个桩的长度和直径，取整数值作为计算参数。
3. 计算每根桩的体积：根据桩的长度和直径计算每根桩的体积。
水泥土搅拌桩可以看
作是一个圆柱体，其体积可以通过以下公式计算：V = π * r^2 * h，其中V为体积，
π为圆周率（取3.14），r为半径（直径的一半），h为高度（桩长）。
4. 根据工程的需求和安全系数计算实际需求的桩数量：根据工程设计要求和安全系数，计算实际需求的桩数量。
5. 计算总工程量：将每根桩的体积乘以实际需求的桩数量，得到总工程量。
需要注意的是，以上计算方法仅适用于三轴水泥土搅拌桩的工程量计算，其他类型的
桩需要使用相应的计算方法。
此外，还需要根据施工情况和实际需求进行合理调整和
修正。
着重探讨水泥土搅拌桩在某高层建筑地基处理中设计计算与应用方法
着重探讨水泥土搅拌桩在某高层建筑地基处理中设计计算与应用方法摘要: 水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法,本文主要结合工程实例,介绍了水泥土搅拌桩在高层建筑地基处理中的设计计算、施工质量控制和检测方法与结果。
检测结果证明,水泥土搅拌桩应用于高层建筑的地基处理是可靠和可行的。
关键词:水泥土搅拌桩;高层建筑;地基处理引言水泥土搅拌桩是一种应用范围比较广泛的地基处理方法。
《建筑地基处理技术规范》（jgj79-2002）规定的水泥土搅拌桩适用范围为“正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土[1]以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基”。
该施工工艺具有施工效率高、成本低、施工占地面积小,无污染、无噪声、无震动,对邻近建筑物影响很小[2]等特点。
虽然如此,水泥土搅拌桩在高层建筑的地基处理中使用仍然较少。
1工程概况某房地产开发公司拟建16层的某大厦,占地约32m×19m,接近矩形,框架结构,设计一层地下室,原设计采用人工挖孔桩基础形式、并采用人工挖孔桩作为基坑支护结构。
支护桩施工完毕、基坑开挖完成后,进行工程桩的试开挖。
工程桩试开挖过程中发现,地下岩溶发育、地下水水量很大,无法进行人工挖孔桩的正常施工。
经过反复论证研究,决定采用筏板基础形式,但必须对场地内存在的约5m厚的软弱土层进行地基加固处理。
经过建筑设计单位验算,处理后地基承载力特征值要求达到220kpa。
经过重新勘察,并多次按“技术可靠、经济合理、施工便利”的原则进行各种地基处理方案的对比分析、论证,最后决定采用水泥土搅拌桩进行地基处理。
水泥土搅拌桩的设计和施工由我单位完成。
2场地工程地质条件根据地质勘察报告,场地工程地质条件简单描述如下:①杂填土,褐色,结构松散,主要由碎石、碎砖及少许粘土组成,场区内均有分布,平均层厚2.0m,根据经验确定承载力f =60kpa;②淤泥,灰褐、褐色,呈流塑～软塑状,含少量有机质,场区内均有分布,平均层厚1.0m, =60kpa;③淤泥质土,灰褐色,结构松散～稍密,含少许有机质,场区内均有分布,平均层厚1.0m, =90kpa;④可塑状粉质粘土,褐黄色,可塑状,结构紧密,土质均匀,具砂感,分布于整个场地,揭露层厚>10m, =220kpa。
水泥搅拌桩根数计算
水泥搅拌桩是一种常见的基础工程，它的根数计算是一个关键的步骤，直接影响到工程的质量和安全。
下面是水泥搅拌桩根数计算的相关参考内容。
水泥搅拌桩的根数计算需要考虑以下因素：1.设计荷载：水泥搅拌桩一般用于承受建筑结构或设备的荷载。
根据相关规范和标准，根据建筑物的类型和用途，可以确定设计荷载。
2.土壤条件：水泥搅拌桩的承载性能与土壤条件有关。
需要进行现场勘察，了解地下水位、土壤类型、土层厚度、土层稳定性等参数。
3.桩的直径和长度：水泥搅拌桩的直径和长度直接影响到其承载能力和抗拔能力。
一般情况下，桩的直径小于0.6米，长度不小于4米。
4.施工工艺：水泥搅拌桩的根数计算还需要考虑施工工艺。
如搅拌桩的间距、边长、交叉角等，可以根据施工要求和土壤条件进行合理设置。
下面是一个水泥搅拌桩根数计算的计算步骤和示例：1.根据设计荷载确定桩的承载力要求。
2.进行现场勘察，了解土壤条件。
根据勘察结果，判断是否需要进行地基加固。
3.根据土壤条件和桩的直径、长度，确定桩的承载力。
可以通过标准规范中的计算公式或经验公式进行计算。
4.根据桩的承载力要求和桩的承载力，计算出所需的桩的根数。
计算方法一般为：根数 = 设计荷载 / 每根桩的承载力。
示例：假设设计荷载为1000吨，水泥搅拌桩的承载力为50吨/根。
根据计算公式，所需的桩的根数为20根。
综上所述，水泥搅拌桩的根数计算需要综合考虑设计荷载、土壤条件、桩的直径和长度、施工工艺等因素。
这些因素之间相互关联，需要科学合理地进行计算和设计，以确保水泥搅拌桩能够满足工程的要求。
三轴水泥土搅拌桩工程量计算方法
搅拌桩之间有搭接，工程量如何计算呢，是不是要分空桩和实桩，单位按米编制可以吗？空桩和实桩如何区分？重叠部分在编制清单是否要考虑？编制工程量的原则应以计价规范中的计算规则执行。
按投影面积×实际深度（投影面积是要扣除两圆交叉重叠部分），一般按双头或三头为一组来计算。
投影面积应该是一组的面积。
一组与一组间的交叉重叠部分是不扣除的，这部分在定额里面考虑了。
有原位复打的，只计算一次体积。
不能重复计算。
要按水泥掺量的不同，分别计算。
比较麻烦的就是如何区分是原位复打还是重叠交叉了，很多边角转弯的地方，重叠相交的面积相当大！根据浙江省建筑工程预算定额（2003版）桩基工程的工程量计算规则：深层水泥搅拌桩工程量按桩径截面积乘桩长计算。
桩长按设计桩顶至桩底另加0.50m计算；若设计桩顶标高至自然地坪小于0.50m 或已达自然地坪时，另加长度应小于0.50m或不计。
空搅部分的长度按设计桩顶至自然地坪的长度减去另加长度计算。
其工程量计算公式为：水泥搅拌桩工程量＝桩径截面积×（设计桩顶标高－设计桩底标高＋另加长度）×根数空搅部分工程量＝桩径截面积×（自然地坪标高－设计桩顶标高－另加长度）×根数1、对于单头水泥搅拌桩来说，桩径截面就是一个圆，所以桩径截面积＝πr2。
注：式中r为圆的半径，π为圆周率。
2、对于双头水泥搅拌桩来说，其桩径截面是由两个圆相交而组成的图形（如图所示），所以桩径截面积应按两个圆面积之和减去重叠部分（由两个弓形组成）面积来计算，然而这个重叠部分面积，计算起来是比较麻烦的。
如果圆的半径r、两圆连心距ｄ均为已知数据，假设圆心角为θ（未知），图形中的三角函数关系为：cos(θ/2)＝(d/2)/rθ/2＝arccos[d/（2r）]∴θ＝2arccos[d/（2r）]根据平面几何和三角函数知识，且θ以弧度来计量，则可以推导出一个较简便的弓形面积计算公式：扇形O1AB面积＝（1/2）r2·θ三角形O1AB 面积＝（1/2）r2·sinθ∴弓形面积＝扇形O1AB面积－三角形O1AB面积＝（1/2）r2（θ－sinθ）所以，对于双头水泥搅拌桩来说:其桩径截面积＝2πr2－r2（θ－sinθ）＝r2（2π－θ＋sinθ）注：式中的θ必须用弧度来计量；计算时，可把计算器设置在弧度（RAD）状态；如θ为角度，只须乘以（π/180）就可化为弧度。
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kPa ; Up 为桩身周长 ; l 为桩长 ; AP 为桩的横截面积 ; qp
为桩端天然地基土的承载力标准值 ;α为桩端天然地
基土的承载力折减系数 ,可取 0. 4～0. 6 。
搅拌桩复合地基承载力标准值 f sp ,k 应由现场复合
地基载荷试验确定 ,也可按下式计算 :
f sp ,k
=
m
Rdk Ap
当前水泥土搅拌桩普遍存在的室内拌制水泥土强 度很高 ,而现场桩身强度很低的现象 ,这是导致许多搅 拌桩工程事故的主要原因 。对水泥土搅拌桩复合地基 沉降计算 ,主要分歧点是加固区的沉降量计算 ,而规范 只是建议根据上部荷载 、桩长 、桩身强度等按经验取 10～30 mm。从表面上看 ,考虑到加固区复合土层的变 形较小 ,地基沉降主要由下卧层引起 ,这样近似处理对 复合地基总沉降影响不大 ,未尝不可 。但是 ,这样做忽 略了不同计算方法得到的加固区复合土层底面附加应 力有很大差异 ,而此附加应力决定着下卧层的沉降大 小 ,导致迥然不同的总沉降 。
本次试验 ,室内拌和的水泥土在 90 d 标准龄期时 强度 f cu ,k = 3476 kPa ,取η的最小值 0. 35 ,由式 (1) 仍得 Rdk = 344 kN ;取黏性填土 qs = 13 kPa ,淤泥质土 qs = 10 kPa ,α= 0. 4 ,又 qp = 150 kPa ,由式 (2) 得 Rdk = 491 kN 。 二者取小值为 Rdk = 344 kN ,单桩承载力由水泥土强度 控制 。
R
d k
=
qu Ap
ζ
,
(4)
设计中取式 (1) , (2) , (4) 计算结果的最小值 。式 (4) 中
qu 为现场钻孔取芯的芯样水泥土 ( <70 ×100) 无侧限
抗压强度 ,此强度可在现场工艺试桩时取得 。若非 90 d 标准龄期强度 ,需换算至此龄期 。ζ为现场钻孔取
芯扰动引起水泥土芯样无侧限强度降低的折减系数 。
2003 年
取为 0. 1～0. 4 ;当不考虑桩间软土的作用时 ,β可取 0。 1. 2 依据现场强度计算法
正常情况下 ,规范设计程序和方法是合理适当的。 但是 ,针对国内目前搅拌桩施工质量问题层出[12 ,13] ,现 有设计主要依据室内试块强度 ,没有考虑到室内试块 强度很高而现场桩身强度很低的矛盾。因此 ,有必要 在考虑式 (1) , (2) 的基础上 ,再考虑根据现场强度计算 的单桩竖向承载力标准值
按现场强度设计法并非仅用于事后检验 ,在开工 前的工艺试桩中可取芯得到现场水泥土 qu ,即可进行 事先设计和应用 。最近 ,淮河入海水道二个涵闸工程 因搅拌桩现场质量不过关 ,以致业主认为搅拌桩不适 合本处土质 ,工程久拖不决 。后经笔者对成桩工艺改 进后 ,用工艺试桩时的现场强度成功设计和处理了本 工程 ,现已安全竣工[16] 。
0 引 言 Ξ
水泥土搅拌桩在国外已有 50 年历史 ,在我国也有 20 年的历史 ,现又发展为加劲水泥土搅拌桩 。然而 , 近 10 年间搅拌桩工程事故不断增多 ,它又遭到了设 计 、业主和建设主管部门的质疑甚至禁止[1 ,2] 。肖逸生 对软弱下卧层变形计算不当引起的楼房开裂质量事故 进行了定性和定量分析[3] 。肖逸生 ,潘林有 ,李日运等 均对深层搅拌桩设计进行过有益的研究和探索[4～6] 。
呈软塑状 ,含水率 47. 3 % ,孔隙比 1. 34 ,厚达 12～22
m ,埋深达 16～27 m ,设计使用长 16. 2～27 m 的水泥土
搅拌桩加固 ,地质剖面和桩位布置如图 1 。水泥用 525
号矿碴水泥 ,平均掺入量为被加固土重的 15 %。
在第 1 批现场 25 根试验桩中 ,3 根桩分别进行了
从取芯 、标贯 、无侧限强度试验和开挖检测结果显 示 ,本批桩身中下部存在严重的水泥浆富集块和搅拌 不均匀现象 ,桩身强度远低于设计要求的 800 kPa 最 低值 ,为不合格桩 。但是 ,静载试验得出 :4 根单桩的 承载力平均为 266 kN ,2 组二桩承台和 2 组四桩承台 的复合地基承载力分别为 235 kPa 和 227 kPa ,仅比设 计要求的 240 kPa 略低 ,基本为合格桩[15] 。
HE Kai2sheng
( Geotechnical Department of Nanjing Hydraulic Research Institute ,Nanjing 210024 , China)
Abstract :A concept of new design is suggested by use of in situ cement2soil strength after considering the present quality problem of deep cement mixing piles resulted from the high strength of cement2soil mixed in laboratory and very low strength of cement2soil mixed in2situ , so the discrep2 ancy of laboratory cement2soil strength and in2situ construction quality can be avoided in the design. Then , the several methods of settlement cal2 culation of deep cement mixing piles are discussed , especially the problem of arbitrary factor in the deep massive foundation model . The reasonable methods of settlement calculation for deep cement mixing piles are suggested. Key words :cement deep mixing pile ; design ; bearing capacity ; settlement ; composite modulus
15 %、搅拌很均匀的水泥土桩取芯检测 ,现场芯样水泥
土强度在 1030 d 龄
期时只有 0. 53 ,在 90 d 龄期时只有 0. 65[14] 。若认为搅
拌很均匀的现场桩身强度与室内试块强度一致 ,则这
些数值可作为相应龄期的取样折减系数 。对其余土质
+ β(1 -
m) f s ,k 。
(3)
式中 m 为面积置换率 ; f s ,k 为桩间天然地基土承载力
的标准值 ;β为桩间土承载力折减系数。当桩端土为
软土时 ,β可取为 0. 5～1. 0 ;当桩端土为硬土时 ,β可
Ξ 收稿日期 :2002 - 05 - 01
32
岩 土 工 程 学 报
式 (4) 是根据搅拌桩现场取出的水泥土芯样无侧
限强度 ,再除以一个取样扰动折减系数来计算单桩承
载力 ,它可以有效解决试验室强度和现场强度差异带
来的工程质量事故 。使用式 (4) 时需确定取样扰动折 减系数 ζ,此值随着桩身水泥土龄期的增大而增大 ,亦
即取样扰动随龄期增大而递减 。
根据在南京河漫滩淤泥质黏土中对大量水泥掺量
笔者近年接触了较多的搅拌桩工程 ,在搅拌桩的 困难时期成功研制和应用了长达 27 m 的超长搅拌 桩[7～10] ,取得了一些经验和认识 ,本文拟对搅拌桩的承 载力和沉降计算方法进行探讨 。
1 搅拌桩承载力计算方法
1. 1 规范方法
单桩竖向承载力标准值 Rdk 应通过现场单桩载荷
试验确定 ,也可按下列二式计算 ,取其中较小值[11] :
取芯和芯 样 无 侧 限 压 缩 试 验 。取 芯 揭 示 的 桩 身 状 况
为 :0～5 m 填土中水泥土胶结致密 ,强度较高 ;5～25 m
淤泥质黏土中的水泥土 ,呈团块状及层状松软结构 ,手
能捏碎 ,含有较多数厘米薄层或块状的水泥富集块 。
淤泥质黏土层中取芯水泥土无侧限抗压强度 :28
d 龄期时 , qu = 67～100 kPa ,多数与原状土 qu 接近 ;
Rdk = ηf cu ,k Ap ,
(1)
R
d k
=
qs Up l + αAp qp 。
(2)
式中 f cu ,k 为与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加
固土试块的无侧限抗压强度平均值 ;η为强度折减系
数 ,取 0. 35～0. 50 ; qs 为桩周土的平均摩擦力 ,淤泥取
5～8 kPa , 淤泥质土取 8 ～ 12 kPa , 黏性土取 12 ～ 15
图 1 搅拌桩布置和土层剖面图 Fig. 1 Soil profile and arrangement of mixing piles
120 d 龄期时 , qu = 85～148 kPa ,强度比 28 d 提高不 大。
开挖一根水泥土桩的上部 6 m ,发现 5 m 以下的水 泥土存在严重的搅拌不均 ,中间有一个直径 12 cm 的 水泥柱芯 ,桩截面内还有块状或薄层状的水泥富集块 , 水泥分布半边桩偏多 ,半边桩极少 。
但是 ,应用现场强度设计式 (4) ,因淤泥质土层中