6.2 设计

6.2.1 固化剂掺入比应根据设计要求的固化土强度经室内配比试验确定，目前国内大部分均采用水泥作为固化剂材料。采用水泥为固化剂时，水泥掺入比可取10％～20％。喷浆搅拌法的水泥浆水灰比应根据施工时的可喷性和不同的施工机械合理选用，宜取0.45～0.60。外掺剂可根据设计要求和土质条件选用具有早强、缓凝、减水以及节省水泥等作用的材料，且应避免污染环境。
    当其他条件相同时，在同一土层中水泥掺入比不同，水泥土强度将不同。当水泥掺入比大于10％时，水泥土强度可达0.3MPa～2.0MPa。水泥土的抗压强度随其相应的水泥掺入比的增加而增大，且具有较好的相关性，经回归分析，可得到两者呈幂函数关系，其关系可按下式确定：

式中：f_cu1——水泥掺入比为a_w1的水泥土抗压强度（kPa）；
     f_cu2——水泥掺入比为a_w2的水泥土抗压强度（kPa）。
    上式成立的条件是a_w＝10％～20％。
    水泥强度等级直接影响水泥土的强度，水泥强度等级提高10级，水泥土抗压强度约增大20％～30％。如达到相同强度，水泥强度等级提高10级可降低水泥掺入比2％～3％。
    常用的早强（速凝）剂有：三乙醇胺、氯化钠、碳酸钠、水玻璃。掺入量宜分别取水泥重量的0.05％、2.00％、0.50％、2.00％。缓凝剂有：石膏、磷石膏。石膏兼有缓凝和早强作用，其掺入量宜取水泥重量的2.00％。磷石膏掺入量宜取水泥重量的5.00％。减水剂有：木质素磺酸钙，其掺入量宜取水泥重量的0.20％，其对水泥土强度的增长影响不大。可节省水泥的掺料有：粉煤灰、高炉矿渣。当掺入与水泥等量的粉煤灰后，水泥土强度可提高10％左右，故在加固软土时掺粉煤灰不仅可消耗工业废料，还可对水泥土强度有所提高。
6.2.2 从承载力角度看提高置换率比增加桩长的效果更好，但增加桩长有利于减少沉降。为了充分发挥桩间土的承载力和复合地基的潜力，应使由土的抗力确定的单桩竖向抗压承载力与由桩体强度所确定的单桩竖向抗压承载力接近，并使后者略大于前者较为安全和经济。当桩端穿越软弱土层到达承载力相对较高的土层时，有利于控制沉降。搅拌桩长度宜超过危险滑弧，在软弱土层中可利用搅拌桩桩体的力学性能提高抗滑稳定性。
6.2.3 β_p和β_s是反映桩土共同作用的参数。刚性基础下铺设垫层会降低桩体竖向抗压承载力的发挥度。桩体强度对β_s也有影响，即使桩端是硬土，当桩体强度很低，桩体压缩变形依然很大，此时桩间土就承受较大荷重，β_s值可能大于0.5。
    确定β_s值还应根据工程对沉降要求而有所不同。当工程对沉降要求控制较严时，即使桩端是软土，β_s值也应取小值，这样较为安全；当工程对沉降要求控制较低时，即使桩端为硬土，β_s值也可取大值，这样较为经济。
6.2.4 本规范公式（5.2.2-1）中第i层土的桩侧摩阻力特征值（q_si）是对现场竖向抗压载荷试验结果和已有工程经验的总结，对淤泥可取4kPa～7kPa，对淤泥质土可取6kPa～12kPa，对软塑状态的黏性土可取10kPa～15kPa，对可塑状态的黏性土可取12kPa～18kPa，对稍密砂土可取15kPa～20kPa，对中密砂土可取20kPa～25kPa；桩端土地基承载力特征值（q_p）可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的有关规定确定；桩端上地基承载力折减系数（α）可取0.4～0.6，承载力高时取低值。本规范公式（5.2.2-2）中f_cu为与搅拌桩桩体水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7mm的立方体，也可采用边长为50mm的立方体）在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值；桩体强度折减系数（η）是一个与工程经验以及拟建工程性质密切相关的参数，工程经验包括对施工队伍素质、施工质量、室内强度试验、实际加固强度，以及对实际工程加固效果等情况的掌握。拟建工程性质包括地质条件、上部结构对地基的要求，以及工程的重要性等，目前在设计中喷粉搅拌法可取0.20～0.30，喷浆搅拌法可取0.25～0.33。
    对本规范公式（5.2.2-1）和公式（5.2.2-2）进行分析可以看出，当桩体强度足够时，相同桩长桩的竖向抗压承载力相近，而不同桩长桩的竖向抗压承载力明显不同。此时桩的竖向抗压承载力由地基土支持力[公式（5.2.2-1）]控制，增加桩长可提高桩的竖向抗压承载力。当桩体强度有限时，承载力受桩体强度[公式（5.2.2-2）]控制。对某一地区的搅拌桩，其桩体强度是有一定限制的，也就是说，搅拌桩从承载力角度，存在一有效桩长，单桩竖向抗压承载力在一定程度上并不随桩长的增加而增大。但当软弱土层较厚，从减少地基的沉降量方面考虑，应设计较长桩长，原则上，桩长应穿透软弱土层到达下卧强度较高的土层或以地基变形控制。
6.2.5 在混凝土基础和水泥土搅拌桩之间设置垫层，能调整桩和桩间土的荷载分担作用，有利于桩间土地基承载力的发挥。在桩头的抗压强度大于基底的压应力而不至于被压坏时，桩顶面积范围内可不铺设垫层，使混凝土基础直接与搅拌桩接触，有利于桩侧摩阻力的发挥。
6.2.6 根据室内模型试验和搅拌桩的加固机理分析，其桩体轴向应力自上而下逐渐减小，其最大轴力位于桩顶3倍桩径范围内。因此，在搅拌桩单桩设计中，为节省固化剂材料和提高施工效率，设计时可采用沿桩长变掺量的施工工艺。现有工程实践证明，这种变掺量的设计方法能获得良好的技术经济效果。在变掺量设计中，在全桩水泥总掺量不变的前提下，桩体上部1/3桩长范围内可增加水泥掺量及搅拌次数，桩体下部1/3桩长范围内可减少水泥掺量。通过改变搅拌直径也可达到同样目的。
6.2.7 水泥土桩的布置形式对加固效果有很大影响，宜根据工程地质特点和上部结构要求采用柱状、壁状、格栅状和块状以及长-短桩相结合等不同加固形式。
    1 柱状：每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱状加固形式，适用于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩体强度与桩侧摩阻力。柱状处理可采用正方形或等边三角形布桩形式，其总桩数可按下式计算：

n＝mA/A_p       （6）

式中：n——总桩数；
     A——基础底面积（m²）；
     m——面积置换率；
     A_p——单桩截面积（m²）。
    2 壁状：将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固形式，适用于建筑物长高比大、刚度小、对不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。
    3 格栅状：它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的加固形式。适用于上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的工程。
    4 长-短桩相结合：当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时，可在长桩间插入短桩或用3m左右的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状，以调整和减小不均匀沉降量。
    搅拌桩形成的桩体在无侧限情况下可保持直立，在轴向力作用下又有一定的压缩性，因此在设计时可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像散体材料桩一样在基础外设置护桩。
    对于一般建筑物，都是在满足强度要求的条件下以沉降控制的，应采用下列沉降控制设计思路：
    1 根据地层结构进行地基沉降计算，由建筑物对变形的要求确定加固深度，即选择施工桩长。
    2 根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验资料和现场工程经验选择桩体强度和固化剂掺入量及有关施工参数。
    3 根据桩体强度的大小及桩的断面尺寸，由本规范公式（5.2.2-1）或公式（5.2.2-2）计算单桩竖向抗压承载力。
    4 根据单桩竖向抗压承载力和上部结构要求达到的复合地基承载力，由本规范公式（5.2.1-2）计算桩土面积置换率。
    5 根据桩土面积置换率和基础形式进行布桩，桩可只在基础平面范围内布置。
6.2.8 搅拌桩加固设计中往往以群桩形式出现，群桩中各桩与单桩的工作状态迥然不同。试验结果表明，双桩竖向抗压承载力小于两根单桩竖向抗压承载力之和；双桩沉降量大于单桩沉降量。可见，当桩距较小时，由于应力重叠产生群桩效应。因此，在设计时当搅拌桩的置换率较大（m＞20％），且非单行排列，桩端下又存在较软弱的土层时，应将桩与桩间土视为一个假想的实体基础，以验算软弱下卧层的地基强度。