砼芯水泥土搅拌桩高等级公路软基处理方法 一、技术领域
本发明涉及公路路基建设工程，具体地说是涉及高等级公路软路基的处理方法。
二、背景技术
高等级公路软土基础工程中一般采用原位的地基处理来改善软土基础的工程特性，以满足设计所需的沉降和承载力要求。高等级公路常用的原位软基处理方法有换填垫层法、预压法、强夯法和强夯置换法、振冲法、水泥搅拌桩、土工合成织物等，这些软基处理技术在已有的高等级公路建设实践中被证明是行之有效的，但是由于这些软基处理技术对软土层加固后强度提高有限，其工后沉降的稳定和变形已不能满足工程建设的需要，因此，在近几年的江浙一带的高等级公路建设中，大量采用了预应力混凝土管桩，很显然，在软土地基中采用桩身材料强度较大的预应力混凝土管桩造价是十分昂贵的。软土地基上地基处理的理想效果是在较小沉降时能提供足够高的承载力，同时又能充分发挥基础材料的强度，即用经济有效地处理方法满足设计对沉降和承载力的要求。
三、发明内容
1.发明目的
本发明目的是提供一种控制变形、减小累计沉降(与采用一般的软基处理方法比)；降低高等级公路造价(与采用预应力管桩比)的高速公路软基处理方法。
2.技术方案
砼芯水泥土搅拌桩是在水泥土搅拌桩中及时(12小时内)插入小直径混凝土预制桩复合而成，其桩身结构示意图见图1。
考虑到工程地质情况的差异和不同等级公路的荷载要求，高等级公路工程中砼芯水泥土搅拌桩处理方法可采用一隔一布桩形式或满堂布桩形式(见图2-1～图2-4)。
具体的处理方法步骤为：
1.首先在软土地基上按正方形或三角形布置好水泥土搅拌桩；
2.其次是在12小时内及时地把混凝土预制桩按一隔一或满堂布桩形式插入到水泥土搅拌桩中，而构成复合式的砼芯水泥土搅拌桩，且使预制桩与搅拌桩在同一轴心上，预制桩头露出搅拌桩外；
3.然后在砼芯水泥土搅拌桩顶用混凝土浇制桩帽，其直径同搅拌桩径，桩帽高度40～60cm；
4.最后在桩帽之间用碎石填层，其厚度50～70cm，并填平压实。
砼芯水泥土搅拌桩高等级公路软基处理方法的设计原则如下：
砼芯水泥土搅拌桩的设计，包括水泥土搅拌桩的设计和砼芯的设计。水泥土搅拌桩的设计，主要是确定搅拌桩的置换率和长度，高等级公路工程中搅拌桩的置换率可为0.03～0.12，桩径600-800mm，桩的长度应根据承载力和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层，但一般加固深度不超过20m，现用10-20m。固化剂宜选用强度等级为32.5级及以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺量可为被加固湿土质量的12％～18％，一般为15％，水泥浆水灰比可选用0.45～0.55，外掺剂可根据工程需要和土质条件选用。砼芯的高强度和低压缩量的特性使我们愿意采用更大的桩径和桩长来传到上述功能，但是预制混凝土的高造价迫使我们对其桩径和桩长的选取做出优化选择。砼芯的直径能显著的影响桩顶沉降，砼芯桩径越大，同一荷载下单桩的沉降就越小，因而从沉降控制的观点来看，砼芯的直径是越大越好，但采用过大的砼芯直径就失去了砼芯水泥土复合桩的经济廉价的优点。我们可以选取一个最优的砼芯直径Dop，在这个Dop下，砼芯的极限抗压强度和地基的对砼芯水泥土搅拌桩的极限承载力同时达到最大值。即π·(Dop/2)2f试块＝π·D搅·L搅·f搅。
式中：f试块为砼芯试块强度；
D搅为搅拌桩的直径；
L搅为搅拌桩桩长；
f搅为土层对搅拌桩的平均摩阻力。
为了减小桩身压缩量从而减小桩顶沉降，以及提高单桩的极限承载力，有必要尽可能的增加砼芯的长度，但为了使砼芯桩端轴力经过水泥土外芯传递到持力层时，能得到足够的扩散，而且不至于使高强度的砼芯刺穿水泥土外芯的底端，可以在砼芯桩端和水泥土外芯端子之间留出1m左右的空隙，即使砼芯比水泥土搅拌桩短1m左右，砼芯直径为200×200mm的方桩。
3、有益效果
钢筋混凝土、砼芯水泥土搅拌桩、水泥土搅拌桩及软土可能的弹性模量为：30000MPa、15000MPa、300Mpa和30Mpa。在同样承载条件下，四种不同材料组成的结构物的变形比将为1∶2∶100∶1000。换句话说，由于砼芯的插入，在同样的载荷条件下砼芯水泥土搅拌桩的沉降将会是一般水泥土搅拌桩的1/50。
如果假定软土地基所能提供的摩阻力为20～30kPa，那么一根造价2000元φ＝400mm，L＝20m长的预应力管桩能提供的摩阻力为500～750kN，而提供同样摩阻力的砼芯水泥土搅拌桩(砼芯200mm×200mm，L＝12m，水泥土搅拌桩φ600mm，L＝13m)造价仅为925元，不仅如此，在软土地基中砼芯水泥土搅拌桩的加固面积大，协调变形能力强，应力相对比较均匀(与预应力管桩比)，所以采用砼芯水泥土搅拌桩的高等级公路路基造价也必然比采用预应力管桩的路基造价大大降低。
四、附图说明
图1 砼芯水泥土搅拌桩结构示意图
图2 高速公路软基处理时砼芯水泥土搅拌桩布桩示意图
图2-1 一隔一正方形布置图
图2-2 一隔一三角形布置图
图2-3 满堂正方形布置图
图2-4 满堂三角形布置图
附图中1----水泥土搅拌桩 2----混凝土预制桩 3----软土 4----砼芯水泥土搅拌桩
五、实施例
某软土地基，其平均极限摩阻力为25kPa，平均弹模为30Mpa，该地区原建有双向四车道高等级公路，原路基采用Φ600mm水泥土搅拌桩处理，水泥土搅拌桩平均桩长10m，水泥掺入比为15％，弹性模量约300Mpa，中心距1.5×1.5m2正方形布置，置换率为0.12。根据建设规划的要求，拟在老路的基础上，向两边各拓宽12m，变成双向8车道高等级公路，为控制新建路基的累计沉降，尽量缩小与老路基的沉降差异，采用常规的软基处理技术显然已不能满足变形的要求。针对这种情况，目前高等级公路工程中常采用预应力管桩，很显然，在软土地基中采用桩身材料强度较大的预应力管桩是不经济的。砼芯水泥土搅拌桩处理方法是用经济有效的处理方法满足设计对沉降和承载力要求的一种途径。
现将砼芯水泥土搅拌桩高速公路软基处理方法的步骤为：
1.首先在软土地基上按1.5×1.5m2的正方形用钻机打水泥土搅拌桩，桩径为600mm，桩长13m；
2.其次是在打搅拌桩后6小时及时地按满堂形式将混凝土预制桩插入水泥土搅拌桩中，预制桩为200×200mm的方桩，桩长为12mm，且使预制桩与搅拌桩在同一轴心上，预制桩头露出搅拌桩外；
3.然后在在砼芯水泥土搅拌桩顶用混凝土浇制桩帽，其直径为600mm，高度为50cm；
4.最后在桩帽之间用碎石填层填平压实，填层厚度60cm。
在上述软土地基情况下，用相同布桩形式(中心距1.5×1.5m2，正方形布置时)，水泥土搅拌桩、预应力管桩和砼芯水泥土搅拌桩的沉降及造价对比见下表： 桩型名称 桩参数 弹性模量 E(Mpa) 沉降比 造价 (元/根) 备注 小计 (万元/公里)水泥土搅拌桩 Φ600，L＝15m 300 100 375沉降和承载力不能满足要求 450预应力管桩 Φ＝400，L＝20m 30000 1 2000能满足要求 2400砼芯水泥土搅拌桩 Φ1＝600，L1＝13m 砼芯：200×200，L2＝12m 15000 2 925满足要求 1110