惠振昊 李 艳 高仁川
(山东省交通工程监理咨询公司青岛分公司，山东青岛 266071)
1 概述
夯实水泥土桩是利用专门的成孔机械成孔，用夯实机械(夹板锤)将水泥土填料分层夯实，桩及桩间土共同作用组成复合地基，故称之为夯实水泥土桩复合地基。成孔方法应根据地基土的性质，孔深、孔径、施工机械等确定，分为机械成孔和人工成孔。人工成孔采用洛阳铲结合成孔器完成，机械成孔采用卷扬机带动的提升式重铲。另外，按设计要求分为挤密桩和非挤密桩两种。桩孔的夯填一般采用提升式夹板锤完成，填料虚铺厚度150 mm～200 mm，夯击3次～5次，或每填一锨料(桩内虚厚度约50 mm)夯击1次～3次。水泥土桩复合地基，具有开挖土方少，施工速度快，节约投资等优点，且为干作业，受气候影响小，在提高地基承载力，减少地基变形量方面有明显的效果。本工程打桩4 361根，投资40万元，加固地基总面积16 000 m2。夯实水泥土桩复合地基适用于填土、粘土、亚粘土等软弱地基处理，一般要求所在地域的地下水位应低于桩底标高。
2 工程实例
1)石家庄华润购物广场，建筑面积2.7万m2，框架结构2层，设计使用荷载大，基础为混凝土独立基础，设计要求地基承载力大于200 kPa。水泥土桩施工图设计为独立基础下群桩加固，总桩数6 136根。
2)根据地质勘察报告，该地区地质分布情况是:0 m～1 m深为回填土及耕植土，1 m～5 m深为粘土和亚粘土，承载力为90 kPa～110 kPa，土质稍湿～湿，呈可塑～软塑状;5 m～15 m深为粉质粘土，为中压缩性土，土质稍湿～湿，呈可塑～软塑状，分布均匀，承载力为110 kPa～140 kPa。该地区地下水位在－25 m，从地质报告的土工实验数据看，若利用粉质粘土作为持力层，地耐力满足不了设计要求，必须进行加固处理。
3)根据地质报告及现场实际情况，设计采用在独立基础下的非挤密型夯实水泥土桩复合地基，桩径350 mm，桩深6.5 m，桩间距600 mm～900 mm，加固处理的深度均在地下水位以上，土的含水率在16%～20%，超过者予以晾晒，不足者洒水湿润。夯实水泥土桩配合比水泥∶土的体积比为1∶5，采用32.5级普通硅酸盐水泥。桩体完成后，清理桩头200 mm～300 mm的桩顶不实的部分;按照规范取总桩数的1%的桩进行检测，其持力层地基承载力全部大于20 kPa，极大地改善了土的压缩变形性能，完全满足设计要求，经检测合格后，铺设碎石褥垫层，厚200mm，然后正式做基础。
3 水泥土的加固机理与特征
1)水泥土加固机理:水泥土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主要是水泥在粗细填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快;在水泥加固土时，由于水泥的掺量少，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行，所以硬化速度缓慢且作用复杂，因此，水泥加固土的强度增长过程比混凝土缓慢。水泥加固基本原理是水泥与土经拌和后发生一系列的物理化学反应而逐步硬化。
2)水泥土的特性:a.水泥土一般采用32.5级普硅水泥，水泥土的无侧限强度比天然软土大几十倍至数百倍，其变形特征随强度的不同而介入脆性与塑性之间，水泥掺入比为7%～15%时，表现为弹塑性，水泥掺入比为15%～20%时，表现为脆性。b.水泥掺入比是指水泥重量与被加固的软土重量之比，一般情况不宜小于12%，本工程掺入比为20%。c.水泥土的强度随龄期的增长而增加，一般在龄期超过28 d后，强度仍有明显增加，该工程根据当地的检测经验，采用28 d的强度作为水泥土的标准强度是安全可靠的。
4 设计计算
1)设计依据包括施工图、工程地质报告、建筑场地条件，现场试桩的检测数据、施工机械及施工经验等。
2)桩的布置及材料要求，桩的布置一般采用矩形排列，桩径一般为300 mm～400 mm，桩长不小于3 m，桩尖进入持力层的深度不小于0.2 m。本工程桩径采用350 mm，桩长采用6.5 m，桩尖进入持力层1.5 m，桩体材料配比一般为1∶5～1∶8，本工程采用1∶5，土的含水量16%～20%，以上数据均通过设计前的现场同条件实验获取。
3)水泥土桩复合地基的承载力应通过成桩的复合地基载荷实验确定，亦可按下式计算确定:
其中，fo为复合地基承载力;fp为单桩承载力标准值;fs为桩间土承载力标准值;β为桩土置换率;K1为桩的承载力发挥系数，一般取1.0;K2为桩间土的承载力发挥系数，由实验确定，一般为0.8 ～1.0。
5 施工过程质量控制
5.1 材料质量控制
工程所用水泥必须具备合格证、检验报告，经现场取样复检合格后方可使用。夯实水泥土桩所用土料有机质含量应不大于5%;土料粒径应不大于20 mm。含水量与最优含水量比误差为2%，最佳含水率以“手握成团、落地开花”为好。
5.2 夯实水泥土桩的质量控制
1)为保证桩的位置正确，应该从定位放线开始进行严格的控制，在桩位测量放线复验检查时，对桩位应认真检查，发现问题及时纠正，桩的轴线位移控制在0.25D(D为桩径)。
2)对桩径控制是通过对孔径检查来完成，孔的局部缩径偏差必须不大于20 mm，用钢尺或专用检查工具检查，并作好记录。
3)对桩长的控制是通过测量孔深来实现，要求孔深自褥垫层下(－2.30 m标高)不能小于设计规定的6.5 m，成孔后用钢尺检查，并作好记录。
4)对桩体干密度质量控制:夯实水泥土桩桩体质量的抽查数量不少于桩体总数的2%，且不少于6根桩。
5)桩孔垂直度要求不大于1.5%，成孔过程中用吊线锤随时检查。
6)褥垫层夯实度允许偏差不大于0.9，用钢尺测量。
5.3 机械设备选用
本工程设计为非挤土成孔，因此可选用机动洛阳铲。
5.4 质量控制措施
1)成孔施工中应控制好桩孔位置、垂直度、桩径、桩孔深度，使其符合下列要求:桩孔中心偏差不超过桩径设计值，桩孔垂直度偏差不大于1.5%，桩孔直径不小于设计桩径，桩孔深度不应小于设计深度，对以上各项检查后作好记录。
2)成孔后应注意检查孔底土质的情况是否符合设计要求，如果出现软弱土层，应会同有关各方共同协商解决方案，采取有效的处理措施。
3)向孔内填料前，孔底必须夯实，桩顶夯填高度应大于设计桩顶标高200 mm～300 mm，垫层施工时应将多余桩体凿除，桩顶面应水平。
4)夯填时应按照如下施工流程:夯实孔底(最小3夯)→填料→夯实→填料→封顶→夯实。填料与落锤应相互协调，有序进行。回填过程中随机检查水泥土的配合比(水泥∶土体积比为1∶5)，抽查桩的夯实质量，回填完成后，抽查桩数2%的桩(本工程共124根桩)，采用轻型圆锥动力触探试验检测。
5)认真作好夯实水泥土桩施工记录，并每天由专人复核签字。
5.5 需要重点控制的工序及关键部位
1)审批夯实水泥土桩施工方案。审批水泥材料报验单，按照现场见证取样的规定，每200 t为一个检验批，取样复试。
2)在施工过程中采用平行检验的方法，对成孔及打桩质量进行检查，对不符合规范要求的部位整改、返工，直到满足要求。成孔后，如不能马上夯填，要求加强对孔的保护。对成孔的质量控制，施工、监理进行检查验收，合格后方可进行夯填。
3)水泥土桩孔底必须夯实，夯实击数不应小于3击。夯实填料时，每击填料量不应过多，否则影响桩体的密实性及均匀性。一般每击填料控制松料厚度为5 cm，严禁超厚和突击填料。夯填桩孔时，夯锤选用锤底为盘形，锤体直径与桩孔直径之比宜取0.7～0.8，锤体质量应大于120 kg，夯锤每次提升高度均不应低于70 cm。水泥土拌和料应在拌和后2 h内用完。
5.6 质量通病的预防措施以及冬期施工的质量保证措施
1)桩孔局部缩径。产生原因是:土质不均匀，洛阳铲局部滑移。处理方法是:用直径比设计桩孔径小20 mm的修正铲进行刷孔，修正局部缩径。
2)冬期施工控制措施:工程开工时，已进入冬期施工，必须采取相应的冬期施工措施。作好原材料的保护措施:水泥应防潮、防雪，同时合理安排工期，应避免在温度较低的夜晚施工，防止拌合土在施工过程中受冻。
3)保证机械架设稳定，防止机械倾倒造成事故，同时有利于保证桩孔的垂直度。成孔后，如不能马上夯填，应加强对孔的覆盖。
6 桩基检测
1)夯实水泥土桩复合地基承载力检验应采用单桩复合地基载荷试验，试验宜在成桩28 d后进行。静载荷试验点为总桩数的1%(本工程为62根桩)，委托有资质的检测单位，采用下地锚的方式代替堆载，提高检测效率，降低费用。
2)正确选择承压板的面积，保证试验准确，承压板的面积必须与单桩所承担的面积相等。载荷试验场地应采取措施，防止刮风、受冻、基坑浸水而影响试验结果。
3)加荷分级为8级～12级，最大加荷压力不小于设计要求压力值的 2倍。每加一级荷载(p)，按 10 min，10 min，10 min，15 min，15 min读记承压板沉降量(s)，以后每隔半小时测读一次沉降量。当每小时的沉降量小于0.1 mm时则认为已趋稳定，即可加下一级荷载。
4)卸载可为加载级数的一半，等量进行，每卸一级，间隔半小时，读记回弹量，待卸完全部荷载后，间隔3 h读记总回弹量。
5)复合地基承载力特征值(fspk)的确定:a.当p—s曲线上极限荷载能确定，而其值不小于对应的比例极限的2倍时，可取比例极限;当其值小于对应比例极限荷载值的2倍时，可取极限荷载的一半。b.当p—s曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定，取相对变形值所对应的荷载。
7 验收
1)及时联系质监站对现场检验合格(施工技术资料、检验报告齐全)的夯实水泥土桩进行验收。验收后可以铺设褥垫层。
2)夯实水泥土桩施工结束后，应根据施工单位提供的全部竣工资料和现场检查情况，由甲方组织有关单位对工程进行验收，验收合格后，应签署工程验收报告，作为施工转序的证明。
3)竣工资料应包括下列内容:水泥出厂合格证及材料检验报告;定位放线记录;经监理工程师签认的施工记录或原始技术资料;桩体质量检验报告;设计变更通知书，事故处理记录(未发生时，可无);地基处理竣工报告;符合地基承载力检验报告。
8 分析及设想
1)水泥土桩处理杂填土、素填土及粘土软弱地基，使桩和被挤密的桩间土组成复合地基，承担上部荷载，并按压缩一致的原则，由压缩性小的桩体承受大部分的荷载，桩间土承受一部分荷载，这样既减轻了桩间土荷载，提高了地基的承载力，又减轻了建筑物的变形。对重要建筑，当采用水泥土桩复合地基时，应先通过成桩实验，确定设计与施工方案，并应进行建筑物的沉降计算与沉降观测。
2)通过工程实践和检测，水泥土桩复合地基承载力比处理前提高1倍，且减少沉降和不均匀沉降。特别对欠固结的松软土层，更显出特有的优越性。该项技术具有施工简便、振动小、噪声低、无污染、技术可靠、经济合理的优点。
3)水泥土桩的适用范围仅限于处理地下水位以上的软弱土层，若遇到地下水位高，则需改用其他处理方法，这在某种程度上限制了该桩的发展。建议当遇地下水时，可采取地下水位以下用碎石桩或深层搅拌桩，地下水位以上用水泥土桩，二者结合使用，各自发挥其优势，采用碎石桩时，机械稍加改进即可，施工速度快，又比较经济，具有广泛的应用前景。
［1］JGJ 106-2002，建筑基桩检测技术规范［S］.
［2］JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范［S］.
［3］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.
