地基基础课程设计指导书2007628.doc

地基处理课程设计指导书
基本知识：
一、水泥搅拌桩复合地基的工程勘察
对于准备采用水泥搅拌桩工程的场地，除了常规的工程地质勘察外，尚应查明：1. 填土层的结构，特别要查明大块障碍物(石块、树根等)的尺寸和含量；2．水泥搅拌桩加固深度范围内土的天然含水量；3. 有机质土层及有机质性质和含量；4. 地下水的侵蚀性。因为许多种普通水泥不适应硫酸盐的结晶性侵蚀，甚至会丧失强度。
二、设计参数的选择
(一) 水泥
1. 水泥强度等级。水泥土强度随水泥强度等级的提高而提高，一般选用42.5号普通矿渣水泥。
2. 水泥掺合量。表示水泥掺合量的掺合比在10％~20％之间，一般用αW=15%。
（二）水泥搅拌桩置换率（m）
置换率的大小直接影响复合地基承载力的大小，也影响建筑物沉降量的大小。从最佳的
技术经济指标衡量，一般选用m＝20％较为恰当。
三、复合地基承载力
水泥搅拌桩复合地基承载力原则上应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按下式计算：
（1-1）
式中 —— 复合地基承载力特征值(Kpa)
m —— 面积置换率；
Ap —— 水泥搅拌桩单桩截面积(m2)
—— 桩间土承载力标准值(Kpa)
β—— 桩间土承载力折减系数，当桩端土软土时；β=0.1~0.4；当不考虑桩间软土作用时；β=0；
—— 单桩竖向承载力特征值，原则上应通过单桩载荷试验确定，也可用下列两式计算，取其中较小者
（1-2）
（1-3）
式中 —— 与水泥搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内水泥土试块(70.7mm ×70.7mm×70.7mm立方体或50mm×50mm×50mm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)；
——桩身强度折减系数，干法＝0.20～0.30，湿法＝0.25～0.33；
—— 桩周第i层土侧摩阻力特征值，对于淤泥=4~7Kpa；淤泥质土=6～12kPa；软塑粘性土＝10～15kPa；可塑粘性土＝12～18kPa；
—— 水泥搅拌桩周长(m)；
i —— 桩长范围内第i层土的厚度 (m)；
—— 桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa），可按规范取值；
—— 桩端天然地基土的承载力折减系数，=0.4-0.6。

四、下卧层强度验算
水泥搅拌桩复合地基往往以承台下群桩的形式出现，群桩中的桩与单个桩的工作状态不尽相同。当桩距不大时，亦即搅拌桩的置换率较大 (譬如m=20％)且非单行排列，而桩端以下仍然存在较软弱的土层时；应验算下卧层的地基强度。
设想搅拌桩与桩间土为一假想实体基础，则下卧层强度可按下式验算

式中 —— 水泥搅拌桩复合地基承载力特征值(kPa)；
F —— 基础(承台)总面积(m2)，详见图1；
G —— 假想实体基础自重(kN)；
—— 假想实体基础侧壁上的平均摩阻力特征值(kPa)；

|

U —— 假想实体基础侧面积（m2）
—— 假想实体基础边缘软土的承载力特征值（kPa）；
F1 —— 假想实体基础的底面积(m2)，
fs—— 假想实体基础底面修正后的地基承载力特征值(kPa)；

设 计 实 例
一、工程概况
某5层办公楼，砖混结构体系。楼、地、屋面均采用预应力多孔板。240mm厚砖墙采用烧结普通砖实砌。钢筋混凝土条形基础；ф500mm水泥搅拌桩复合地基。基础剖面构造如图1-2所示。上部结构线荷载(算至室外地坪)如图1-3所示。

图1-2 基础剖面

本工程地处软弱场地．地基自然地坪(同室外地坪)下50cm范围为耕植土，其下粉质粘
土层厚1m，再往下则为“深不见底”的流塑状淤泥质粘士层。各土层的主要物理力学性质指标详见表1-1。常年平均地下水位在地表下1m深处。地下水无侵蚀性。

各土层物理力学性质指标 表1-1
土层名称

厚度（m）
含水量
ω
（%）
重度
r
（kN/m3）
比重
ds
（g/cm3）
塑性
指数
Ip
压缩模量
Es
（MPa）
地基承载力特征值
qp（kPa）
桩侧摩擦力特征值
qs（kPa）
耕植土
0.5

18.0

粉质粘土
1
35.3
18.5
2.73
15.9
3.37
80
12.0
淤质粘土
28.5
51.1
18.0
2.74
19.7
1.68
55
7.0

图1-3 上部结构线荷载平面
二、确定基础平面尺寸及复合地基承载力
1． 复合地基承载力估算，
假定桩长L=10m置换率m＝15％，则单桩承载力特征值(不考虑桩端土承载力)为：
以下两者中取小者：

复合地基承载力标准值(桩间土地基承载力折减系数=0.8)为：

2．按计算条基宽度B
由图2，基础自重按20kPa计算。根据图3上部结构线荷载平面图，条基宽度计算如下；
(1) 轴条基宽度
轴的最大线荷载为82kN／m，若取B＝1 m，则基底压力为82+20＝ 102kPa<。由于搅拌桩的直径为Φ500mm，根据构造要求，条基的最小宽度应为l m。所以，轴的条基宽度取为l m。

(2) ②～⑦轴条基宽度
取一个开间宽度作为计算单元，如图1-4所示。
条基总面积：（m2）
上部总荷载：KN
基础自重：（KN）
根据力的平衡条件，得：

解方程得：B＝1.03m 取B＝1.1m
(3) ①、⑧轴条基宽度
单个单元：条基总面积：（m2）
单个单元：上部总荷载：kN
单个单元：基础自重：（kN）
根据力的平衡条件，得：

解方程得： B＝0.86m
根据构造要求，取B=l

3. 根据上述计算结果分析，
复合地基承载力取值偏高。
若改取Kpa，重复上述计算，得：
～轴条基宽度为1.0m
②～⑦轴条基宽度为1.29m，取1.3m
①、⑧轴条基宽度为0.99m，取1.0m 图1-4横墙宽度计算单元
基础平面如图1-5所示。
要求复合地基承载力。
基础总面积为：
m2

图1-5 基础平面
三、计算不同置换率对应的总工程量(桩长总延米数)
基础总面积：A＝184.8m2
复合地基承戴力标准值：
桩径Φ500mm、桩周长U＝3.14×0.5＝1.57m
桩截面面积：m2
桩间土承载力标准值：
桩间土承裁力折减系数：β=0.8
桩水泥土强度折减系数：=0. 333
桩端土承载力折减系数：α=0
桩顶施工凿桩高度：ΔL＝0.5m
对应于不同置换率(m＝10％、12.5％、15％、17.5％、20％)情况下的单桩竖向承载力、桩数n、桩身水泥土强度qu、桩长L及桩长总延米数M分别计算如下。计算结果列于表1-2。

=
=
=（kN）
*m根
桩身水泥土强度：（kPa）
土的承承力：（kN）
（m）
（m）

不同置换率情况下工程量计算 表1-2
m（%）
（kN）
n（根）
（kPa）
L（m）
M（m）
10
144.8
94
2172
12.3
1203.2
12.5
118.4
116
1776
9.9
1206.4
15
100.8
140
1512
8.3
1232.0
17.5
88.2
162
1323
7.2
1247.4
20
78.8
186
1182
6.3
1264.8
注：考虑到工程的对称性，桩数均取为偶数。
四、桩位布置
桩位的平面布置应按适当的面积置换率m和较小的总延长米数M为原则。面积置换率m不能太小，否则，单桩承载力要求过高，水泥土强度或施工机械不能满足设计要求；面积置换率m也不能太大，否则桩数太多、桩距太密、影响单桩承载力的发挥，不经济。
本例选择两种面积置换率(m＝12.5%，15%)进行试排桩，如图1-6所示。当m＝12.5%时，实际总桩数，n＝132，总延长米数M＝132×(9.9+0.5)=1372.8m，当m＝15%时，实际总桩数n=148，总延长米数M＝148×(8.3+0．5)=1302.4m。两者相比，m＝15%时的工程量较省，因而本工程实际采用面积置换率m=15%排桩。

图1-6 桩位平面布置

图1-7 假想实体基础平面

五、下卧层强度验算
将加固后的桩群视为一个格子状的假想实体基础(平均重度取18.5kN/m3)，如图1-7所示。轴由于桩距较近，视为假想实体基础的一部分。则：
假想实体基础的底面积：
m2
假想实体基础的侧表面积：
m2
轴间无基础之空地面积：S=0.8×24.2=19.36m2
实际基础底面积：A=184.8m2
上部线荷载总重：P1=(66+82)×25.2×2+122×11.8×2+165×5×6×2=20238.4kN，
实际基础自重：P2=20×184.8=3696kN： ’
轴间空地自重：P3 =(18×7.8+18.5×0.5) ×19.36=353.3kN
假想实体基础自重：G＝(18.5—10) ×120.81×8.3=8523.1kN
假想实体基础侧摩阻力：kN
桩间土反力总和＝80×(184.8+19.36—120.81)＝6668kN
桩端下卧层平均应力：

kPa
桩端下卧层承载力标准值：

＝55kPa， D＝8.3+1.0＝9.3m，nd＝1.0
kN/m3
= 55 + 1.0×9.13×（9.3 - 0.5）=126.2kPa
满足要求
六、地基变形验算
地基沉降由桩群体压缩变形和下卧天然软土层变形两部分组成。计算从略。
七、水泥掺合比确定
由表2可知，本工程采用的水泥搅拌桩要求水泥土强度qu≥1512kPa。应根据现场土质，通过室内试验，确定恰当伪水泥掺合比，以满足水泥土强度的设计要求。当有经验时，也可不做试验，根据经验确定恰当的水泥掺合比。

施工要点
水泥搅拌桩复合地基的性质很大程度上取决于水泥搅拌桩的桩身质量、即桩身水泥土
的强度和搅拌的均匀程度
一、施工机具
国内目前所用的水泥搅拌桩机具主要有中心管喷浆的双头搅拌机和叶片喷浆的单头搅
拌机，单头搅拌还有一种粉体喷搅机，前者用水泥浆作工作液体，而后者则用水泥粉体以雾状喷入加固土体，凭借钻头的叶片旋转使水泥粉体与土体充分搅拌混合。一般说来，用水泥浆作工作液的所谓“湿法搅拌”与水泥粉以雾状喷入的“干法搅拌”棍比，前者应用比较广泛，因此该处介绍的施工要点主要是湿法搅拌。
水泥搅拌桩的施工机具由主机和配套设备组成。主机包括动力、搅拌和输浆三部分。主机的关键部分是搅拌轴和搅拌头。对于双头搅拌机，搅拌头为带硬质合金钢的两个叶片，直径0.7一0.8m。单头搅拌机在搅拌头上分别安装搅拌叶片和喷浆叶片，搅拌叶片和喷浆叶片一上一下，两者相距约0.5m。叶片直径约0.5~0.7m，其中以直径等于0.5m者较为常用。
配套设备包括灰浆拌和机、集料斗、灰浆泵以及电气控制柜等几部分。
二、水泥浆制备
(一)根据水泥掺合比确定水泥掺合量()，当水泥掺合比（）确定后，水泥掺合量可按下式计算

式中： — 水泥掺合比，通常取=15%；
r — 天然土体的湿重度（kN/m3）；
w— 平均加固（搅拌）1m3土所需要的水泥掺合量，通常＝2.5kN／m3；
（二）水泥浆水灰比
水泥浆水灰比根据施工条件而异，即根据加固土的含水量及输浆情况决定合适的水灰比。水灰比取值范围一般为0.8~1.0（水：灰）
（三）外掺剂
石膏和木质素磺酸钙(简称木钙)是两种最常用的水泥搅拌桩外掺剂。石膏与水泥水化物反应生成的钙钒石结晶能大量吸附软粘土中的自由水分，因此有增强作用，是一种良好的
早强荆。此外，在水泥硬化过程中还具有一定的缓凝作用，有利于搅拌施工。石膏掺合量约
为水泥用量的2倍。
木钙主要起减水作用，以增加水泥浆的稠度，便于泵送，但对水泥土的强度影响不大。木钙的掺合量为水泥用量的0.2%。
三、成桩工艺
（一）水泥搅拌桩机就位；
（二）叶片喷浆搅拌并下沉，下沉速度不大于lm／min，下沉时旋转速度不大于60转／min。
（三）喷浆搅拌并上提。叶片下沉到底后，原地喷浆一定时间；以同样速度上提至孔口，于是水泥搅拌桩成桩完毕。必要时在孔口以下1／3桩长段进行复搅拌。
（四）关闭水泥搅拌机，移机至下一个桩位。
四、水泥搅拌桩复合地基基础开挖。
水泥搅拌桩成桩施工完毕后，基础开挖时应将上部500cm左右成型较差的桩段挖去，然后再浇筑混凝土基础。
五、质量检验
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）规定，水泥搅拌桩应在成桩后7d内用轻便触探器钻取桩身加固土样，观察搅拌均匀程度，同时根据轻便触探击数用对比法判断桩身强度。被检验的桩的数量应不少于完成桩数的2％。
在下列情况下尚应进行取样、单桩载荷试验或开挖检验：1. 经触探检验，对桩身强度有怀疑的桩应钻取桩身芯样，制成试块并测定桩身强度，2. 场地复杂或施工有问题的桩应进行单桩载荷试验，检验其承载力；3. 对相邻桩搭接要求严格的工程，应在桩养护到一定龄期时选取数根桩体进行开挖检验。
基槽开后，应检验桩位、桩数与桩顶质量，如不符合规定要求，则应采取有效补救措施。
据现有轻便触探击数（N10）与水泥强度（qu）对比资料，似有如下关系：

轻便触探击数（N10）与水泥土强度（qu）关系 表1-3
N10（击数）
15
20~25
30~35
>40
qu（kPa）
200
300
400
>500

六、水泥搅拌桩复合地基载荷试验要点：
(一)复合地基载荷试验的压板可用方形或矩形。单桩复合地基载荷试验压板的面积为
一根桩承担的处理面积；多桩复合地基载荷试验压板的尺寸按实际桩数所承担的处理面积
确定。
(二)压板底高程应与基础底面设计高程相同，压板下宜设中粗砂找平层。
(三)加荷等级可分为8~12级，总加载量不宜少于设计要求值的两倍。
(四)每级加载后，按间隔10、10、10、15、15min，以后每隔半小时读一次沉降。当加载量尚未超过设计要求值时，一小时内沉降量小于0.1mm才可加下一级荷裁；当加载量大于设计要求值后，一小时内沉降量小于0.2mm即可加下一级荷载。
(五)当出现下列现象之一时，可终止试验：
1. 沉降s急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显的裂缝；
2. 总加载量已为设计要求值的两倍以上；
3. 累计的沉降量已太于压板宽度的l0％。
满足第1种情况时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。
以上载荷试验要点引自《软土地基深层搅拌加固法技术规程》。
参 考 文 献
1. 地基处理手册编写委员会. 地基处理手册。北京：中国建筑工业出版社，1988
2. 黄自彬，陈嘉寿，尹雄云.深层搅拌单桩多点位移测试资料分析．城市改造中的岩土工程问题学术讨论论文集，1990
3. 中华人民共和国行业标准．建筑地基处理技术规范(JGJ79—2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002
4. 天津港湾工程研究所(译). 水泥系深层拌和法(CDM)工法设计和施工手册摘录. 深层搅拌祛设计与施工经验交流会论文集．北京：中国铁道出版社；1993
5. 顾尧章，周焕桥．水泥搅拌桩承载力与临界桩长．市三届全国地基处理学术讨论会论文集．杭州；浙江大学出版社，1992
6. 顾尧章，缪凌峰，周焕桥．上部复搅的水泥搅拌桩承载力．深层搅拌法设计、施工经验交流会论文集. 北京：中国铁道出版杜，1993
7. 顾尧章，徐萍．复合地基的变形模量及其非线性表达式. 浙江省市五届土力学及基础工程学术讨论会论文集．杭州；浙江大学出版社，1992
8. 邱良佐．水泥加固复合地基中王腐殖质的影响. 浙江省岩土力学学术会议论文集．北京：中国铁道出版社；1993
9. 中华人民共和国行业标准．软土地基深层搅拌加固法技术规程(YBJ225—91). 北京：中
国建筑工业出版社，199l

地基处理课程设计任务书
一、计算书
1 .复合地基承载力计算
2 .计算条基宽度B
3 .计算不同置换率对应的总工作量
4 .桩位的布置
5 .下卧层强度验算
6 .地基变形验算
二、施工要求
1 .施工机具的选择
2 .水泥浆制备
3 .成桩工艺
4 .质量检验
三、图纸
1 .基础剖面图
2 .基础平面图
3 .桩位平面布置图
基础平面图
比例：1：
桩位平面布置图
比例：1：

设计说明
基础剖面图
比例：1：

图签

设计说明：图上不好或不能表达而施工单位必须执行意图或意见。如：水泥强度等级、垫层要求、桩端位置、单桩承载力的说明等。
设计资料：
一、 工程地质条件：
某公寓场地主要为高压缩淤泥质粉质粘土，厚度超过32m，地下水位约为地表之下1.00 m。各土层物理力学性质指标见表2-1。
土层物理力学性质指标表 表2-1
土层名称
原厚
（m）
含水量
W
（%）
重度
r
（kn/m3）
孔隙比
e
塑性
指数
Ip
液性指数
IL
内摩擦角ψ
(o)
粘聚力
C
kpa
压缩模 量
Es
(kpa)
承载力设计值（kpa）
填土
0～0.5

18.2

淤泥质粉质粘土
0.5～32
47
17.4
1.31
1.4
1.78
17.5
4
2090
60

二、工程概况
某公寓6层砖混结构体系，楼、地、屋面均采用预应力多孔板，240㎜厚砖墙采用烧结普通砖实砌，钢筋混凝土条形基础、φ500㎜水泥搅拌桩复合地基，其截面积Ap=0.196m2.上部结构线荷分布（算至室外地坪）。如下图2-1。

图2-1上部结构线荷载平面
根据室内实验水泥土中不同αω时的fcu.k如表2-2：
水泥土αω与fcu.k关系 表2-2
αω（%）
10
12
14
15
18
20
fcu.k(kpa)
900
1100
1300
1500
1800
2100
同时：E50=126fcu