深层水泥搅拌桩在基坑支护中的应用

摘要：简要介绍了深层水泥搅拌桩的作用机理。通过工程实例，探讨了深层水泥搅拌桩在基坑支护工程中的应用，为基坑开挖施工提供一个既经济合理又安全可靠的支护方案。
关键词：深层水泥搅拌桩；作用机理；基坑支护；稳定性验算
中图分类号：TU472．36 文献标识码：A 文章编号：1672— 1144(2006)03—0074—03
Application of Deep M ixing Cement Pile in Foundation Pit Supporting
CHEN Shui．1ong ，JU Jian—xun2
(1．Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute，Guangzhou，Guangdong 510060，China；2．College
ofGeosciencesand EnvironmentalEngineering，Central South University，Changsha，Hu’nan 410083，Ch ina )
Abstract：The mechanism of deep mixing cement pile in foundation pit supporting is introduced．By the practical
cases，the application of deep mixing cement pile in foundation pit supporting is discussed in order to supply a e．
conomic，reasonable，safe reliable plan for foundation pit execution．
Keywords：deep mixing cement pile；mechanism ；foundation supporting；checking calculation for stability
U 嗣 舌
深层水泥搅拌法不仅在我国各软土地区工业与民用建筑地基加固中得到广泛应用，近几年来，随着高层建筑的不断增加，深基坑支护也越来越多。深层水泥搅拌桩支护结构以其造价低、整体刚度和止水效果好、无振动、无噪音、无污染、设备简单、工期短等优点故在支护工程中得到广泛的应用。
1 深层水泥搅拌桩作用机理
[1]水泥搅拌桩是通过特制的搅拌轴的轮叶，从地
面开始破坏搅拌至需要深度，打开阀门将水泥浆或
水泥粉由搅拌头注入土体，用搅拌头强制搅拌均匀，
使水泥等固化剂与原土充分混合发生物理化学反应
后形成强度大、压缩性小的桩体，它既提高了自身的
强度，又提高了周围土体的强度，桩柱体和桩周土共
同承担外部荷载形成复合地基。
通过机械搅拌，把水泥和软土混合形成水泥土
是一种物理和化学的反应过程，水泥土硬化是水泥
在具有活性的粘土介质中进行，作用缓慢而复杂。
水泥遇水后发生水化和水解作用，生成氧化钙等多
种化合物，其中钙离子与粘土矿物表面吸附的K和
Na 离子进行当量交换，使粘土颗粒形成较大的土
团粒，同时水泥水化后生成的胶体粒子，把土团粒连
接起来形成蜂窝状结构。随着水泥水化的深入，溶
液析出大量的Ca2 离子与粘土矿物中的Sio2和
o3进行化学反应，_形成稳定性好的结晶矿物和
碳酸钙，这种化合物在水和空气中逐渐硬化成为水
泥土。处理后的水泥土与软土比较，其力学特性显
著改善，无侧限抗压强度约为0．3～0．4 MPa，比天
然土大几十倍。水泥土的抗压强度除了与被加固土
体的性质有关外，还与水泥的标号、掺合量、龄期及
外加剂等有密切的关系。水泥标号愈大强度增加愈
大，水泥标号增加100号，强度可提高30％。因此
实用上尽量采用高标号的水泥。水泥的掺入比愈
大，水泥土的强度逐渐增加，当掺入比(质量分数)小
于5％时，对水泥土的强度影响不大，因此掺入比必
须大于5％，一般的掺入比采用10％～15％。水泥
土的强度随着养护龄期的增大而增大，超过3个月
后，强度的增长才开始稳定，一般采用3个月的龄期
收稿日期：2006．03．15 修稿日期：2006．04．29
作者筒介：陈水龙(198l一)，男(汉族)，湖南郴州人，助理工程师，学士学位，主要从事地质工程和岩土工程方面的工作。

第3期 陈水龙，等：深层水泥搅拌桩在基坑支护中的应用 75
作为标准。J"l-JJ,剂如木钙、三乙醇胺和石膏等，对加
固土起早强、缓凝、减水和节省水泥的作用，但必须
避免污染环境。
2 深层水泥土搅拌桩在基坑支护中的
设计与计算[1-2]
水泥搅拌桩支护结构是将搅拌桩搭接而成，平
面布置可采用壁状体。若壁状体的挡墙宽度不够
时，可加大宽度，做成格栅状支护结构，即在支护结
构宽度内，不需整个土体都进行搅拌加固，可按一定
间距将土体加固成相互平行的纵向壁，再沿纵向按
一定间距加固肋体，用肋体将纵向壁连接起来。
水泥土搅拌桩作为基坑的支护结构，其形式类
似于混凝土灌注桩，但水泥土桩身的强度和刚度是
远远低于钢筋混凝土桩，其受力性能在很大程度上
类似于重力式挡土结构。因而，水泥土桩作为支护
结构时，其设计与计算就不能按照混凝土桩墙来进
行，而应按照重力式挡土结构来考虑。其设计步骤
归纳为三点：① 确定水泥土的物理力学指标(如：水
泥土的综合重度，无侧限抗压强度；内聚力；内摩擦
角等)，得出挡墙的高、厚及入土深度等等；②计算挡
土墙上的主动和被动土压力等；③ 进行挡土墙抗倾
覆、抗滑动等稳定性的验算。
3 实例分析
某公司单层排架钢筋混凝土工业厂房，其下设
有井式炉地坑1座，设计坑深4．73 m。该场地较宽
阔，有放坡条件，采用按1：2．5的比例放坡卸土1
m。场地地下水主要为浅层孔隙潜水，除表面填土
含水性较差，渗透性弱，主要接受大气降水及地表河
流补给。距车间15 m左右有河流地下水随气候季
节环境影响变化明显，地下水位埋深在0．3～0．8 m
左右，对混凝土无腐蚀性。该基坑支护应同时满足
挡土和止水双重功能，所以决定采用深层水泥搅拌
桩重力式挡土墙支护方案。
设计采用格栅状双头深层水泥搅拌桩，设计桩
径0700 mm，相邻桩体搭接200 rD_ITI，采用425#普
通硅酸盐水泥，水泥掺合量为湿土容重的15％，木
质磺酸钙、石膏粉的掺合量分别为水泥量的0．2％、
2％，浆液水灰比0．5：1，水泥土试块30 d龄期无侧
限抗压强度大于1．0 MPa，抗拉强度150 kPa～250
kPa。取墙体宽度b=4．2 m，插入坑底深度d=
6．27 m，墙体总高度为10 m。地面均布荷载q，取
10 kPa。墙体平面如图1所示。
围1 水泥土搅拌桩支护结构平面
3．1 土压力计算I3-4]
‘
根据勘察单位提供的资料，通过不固结不排水
试验(即快剪试验)得出与基坑开挖有关的地基土物
理力学指标见表1。按照《建筑基坑支护技术规程>
(JGJ120—99)，土压力由下式求得：
主动土： eaj =a,O 一2c ~／K (1)
被动土： et,jk= +2Cik~／K (2)
式中，K K 为第i层土主动土、被动土压力系数；
c、 为土的内聚力(kPa)和内摩擦角(。)。
根据上述公式求得不同深度处土压力强度，分
别见表2和表3。
表1 土层分布及土物理力学指标
序号层号土层名称 h／胀
m T／ in ，) Ird"tk · 。J c， a ， ，
1 1 粘土 1．40 17．50 20．70 9．60
2 2a 淤泥质粘土 3．1O 16．8O 14．00 7．3O
3 2(b c)淤泥质粘土 16．3O 17．8O 14．00 8．9O
表2 不同深度处土压力强度

76 水利与建筑工程学报 第4卷
表3 不同深度处土压力
本文设计中土压力采用分层计算法。如表2所
示，根据各层土的天然重度y(kN／m3)、凝聚力c
(kPa)和内摩擦角9(。)分别求出主动土、被动土压
力系数K。 和K ，然后计算各土层分界处、基坑底
部和桩底的主动土压力强度 (kPa)和被动土压力
强度e6(kPa)。
根据表2所得数据，求出各层土的主动土压力
E。(kN／m)和桩前被动土压力E口(kN／m)，然后再
分别求出总主动土压力ΣE。和总被动土压力
ΣE。，如表3所示。zd和zP(m)分别为各层主动、
被动土压力合力距墙前趾的距离，单位为m。Ma=
E。x zo，Mp=Ep x Zp，单位均为kN。
3．2 计算 毋(~ll 2 J g
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图2 水泥土搅拌桩支护计鼻简图
求挡墙自重 W = (3)
式中：yc为墙体平均重度(kN／m3)，取19 kN／m3；b
为挡墙宽度(m)，取4．2 m；H为挡墙高度(m)，取
10．0 m。
代人数据求得W=19．0x 4．2x 10．0=798．0
kN／m。
3．3 稳定性验算【 · 】
3．3．1 抗倾覆稳定验算 ．
重力式围护结构，在土压力作用下墙体可能绕
前趾转动而发生破坏，为了保证重力式围护结构的
稳定，应考虑一个安全系数 ，则有
■骞 ·．一t +w· (4)
式中：E 分别为墙前墙背各土层的土压力，
kN／m；W 为重力式围护结构墙体自重，kN／m；b
为重力式围护结构墙体宽度，m；h h 分别为各
层主动被动土压力合力距墙前趾的距离，m。
代人数据求得：
1961．97+ 798 x
K =——— 1·67> 1·5(满足)
3．3．2 抗滑稳定验算
重力式结构在侧向土压力作用下除了沿墙底前
趾角产生转动外，同时具有向坡体外侧或基坑内侧
滑动的可能。为了保证其滑动稳定，应具有一定的安
全系数K^，则有
： —
W／ ~+Ep
Kh = ．’ (5)
口
式中： 为墙体基底与土的摩擦系数，根据该工程
的勘察报告取0．35。
代人数据求得：K = ×_ 瑟
= 1．45> 1．3 (满足)
3．3．3 墙身应力验算
某一截面处法向应力： = < [ ] (6)
剪应力： ：墨 <[ ] (7)
式中：w0为验算截面上部的墙重，经计算求得
297．65 kN／m；[ ]为许用法向应力，[ ]= t／u；
[r]为许用剪应力，[r]=(c+ ·tan q~)／K； 为
挡墙之间的摩擦系数，取0．45；q 为水泥土的无侧
限抗压强度；K为水泥土的安全系数，一般取1．5～
2；c、9为水泥土的粘聚力和内摩擦角。
经测试，该工程中水泥土试块30 d龄期无侧限
抗压强度q 大于1．0 MPa，计算中取1．0 IVIPa；内摩
擦角9=25。。取c=0．2q K =2，代人数据得[ ]
= 250 kPa，[r]=277．50 kPa。根据上述已知量，取
坑底处做验算：
= 297．65／4．2=70．87< [ ] (满足)
r = 79．08— 297．65×0．45／4．2
=一13．06< [r] (满足)
通过上面的验算可知，该方案满足施工要求。
该工程严格按照设计要求施工，施工过程中质量监
测措施到位。通过实际的监测，整个施工阶段基坑
变形较小，墙体的最大水平位移量为20 ITIITI，未超
过规范要求的50 mm，坑内的防水隔渗效果也很
好。 (下转第79页)

第3期 陈林，等：基于Linux机群的大型结构并行有限元系统研究 79
4 计算实例
讨论龙马面板堆石坝简化模型的线性并行有限
元计算。龙马坝顶长315 m，坝顶宽10 m，坝顶高程
643．0 1TI。趾板开挖最低高程为508．0 1TI，最大坝高
为135．0 m。图2为堆石坝三维有限元网格。其中
单元数目为103 846，结点数目为20 480。在进行并
行计算时，须将模型进行区域划分，划分的子区域数
为2—16，子区域数与并行计算的处理器数相等。
从图3可以看出，METIS程序可以自动的对网格密
的地方进行细划分。然后在Linux机群上使用AD—
VPFEM 程序进行并行有限元计算，得到相应的计
算时间，如图4所示。
图2 面板堆石坝
三维有限元网格
400
30O
盎200
100
一
图3 面板堆石坝三维有限元
网格区域划分结果(16块l
2 4 6 8 10 I2 l4 l6
处理嚣个敦
图4 面板堆石坝三维有限元并行计算时间
分析上述结果，可以发现，随着计算节点的增’
加，计算时间明显减少。使用16个处理器计算的时
间仅为5．95 S，本文的程序具有很好的并行效率。
由于各计算节点采用同种结构和并行处理技术，使
得并行计算取得了很好的效果。
5 结论
基于Linux系统的PC机群广泛地应用于高性
能计算。采用基于区域分解的共轭梯度法和MPI
并行编程方法的并行有限元系统能够有效地解决大
型和复杂的工程问题，缩短计算时间。
参考文献：
[1] 李海江．基于MPI的并行有限元计算集群的构建[J]．
数值计算与计算机应用，2004，9(3)：6-11．
[2] 黎康保．用PC机群组构并行超级计算机[J]．计算机工
程，2000，26(9)：1-3．
[3] Message Passing Interface Forum．MPI：A messagepassing
interface standard【J]．International Jourml of
Supercomputer Applications，1994，8(3)：159．416．
[4] 余天堂，姜弘道．基于PVM 网络并行子结构共轭梯度
法[J]．工程力学，2001，8(5)：29．35．
[5] 吕涛，石济民．区域分解算法一偏微分方程数值解新
技术[M]．北京：科学出版社，1991：199．299．
[6] 周树荃，梁维泰．有限元结构分析并行计算[M]．北京：
科学出版社，1999：175．182．
[7] Karypis G．Multilevel k-way partitioning scheme for ir．
regular graphs【R]．Minneapolis：University of Mineso．
ta，1995．
(上接第76页)
4 结语
应用深层水泥搅拌桩组成重力式挡土墙作为基
坑开挖的土体支护和止水手段，是深层水泥搅拌技
术的扩展应用，与目前常用的钢板桩、混凝土桩相比
较，其施工时振动小、挤土现象轻微、抗渗性能好、整
体稳定性好、可方便下一步的基坑施工、工程造价
低，是我国目前深基开挖施工中一种比较经济实用
的挡土技术。
该工程中采用深层水泥搅拌桩重力式挡土墙支
护方案在安全和经济方面均取得了良好的效益，但
仍需在以后的设计和施工中不断探索。
参考文献：
[1] 袁海庆，等．水泥土搅拌桩在基坑工程中的应用[J]．武
汉理工大学学报，2002，4(9)：52．53．
[2] 陈钟汉，等．深基坑工程[M]．北京：机械工业出版社，
2002：44．46．
[3] 建设部．建筑基坑支护技术规程(JGJ120—99)国家标
准【S]．
[4] 龚晓南．深基坑工程设计施工手册[M]．北京：中国建
筑工业出版社．1998：243．245．
[5] 俞跃平．深层搅拌桩法在深基坑围护中的应用[J]．岩
土工程界，2000，3(12)：31．32．

推荐访问:基坑 支护 搅拌 水泥