劉秋燕, 吳道祥,2, 藍(lán)天鵬, 王國(guó)強(qiáng)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

灰土樁復(fù)合地基用于處理新近堆積黃土、濕陷性黃土、人工填土及非飽和軟土地基,既可提高地基承載力,減少建筑物沉降,又可以消除黃土濕陷性,具有施工工藝簡(jiǎn)單、速度快、造價(jià)低等特點(diǎn)。近年來(lái),中國(guó)許多學(xué)者在灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基方面做了大量的研究,美國(guó)、俄羅斯等在這方面的研究也比較活躍,有些試驗(yàn)規(guī)模也較大。我國(guó)濕陷性黃土的分布面積占黃土分布總面積的1/2以上,大部分分布在黃河中游地區(qū),是我國(guó)一種重要的、分布較廣的區(qū)域性土?；彝翗队?0世紀(jì)50年代中期開(kāi)始在西北試用,60年代中期灰土樁擠密法試驗(yàn)取得成功。自1972年開(kāi)始,我國(guó)黃土地區(qū)采用灰土樁已成功地建設(shè)了數(shù)百棟工業(yè)與民用建筑。同時(shí),各地區(qū)結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件,在樁孔填料、施工工藝和應(yīng)用范圍等方面均有所發(fā)展和突破[1]。但是有關(guān)小直徑灰土樁處理厚層淤泥質(zhì)新填土地基的報(bào)道較少,本文根據(jù)合肥中日美術(shù)館厚層淤泥質(zhì)新填土地基加固處理實(shí)例,闡明了小直徑灰土樁處理淤泥質(zhì)新填土地基的加固效果,地基強(qiáng)度與變形特征;對(duì)灰土樁復(fù)合地基的工作性狀作了進(jìn)一步的探討。通過(guò)各種原位試驗(yàn),對(duì)復(fù)合地基的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明用小直徑灰土樁處理后的復(fù)合地基的承載力大幅度提高,符合工程建設(shè)要求。本文討論的工程實(shí)例,對(duì)此類地基的加固處理具有參考價(jià)值。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件概況

中日美術(shù)館建設(shè)場(chǎng)地位于合肥市東門大橋的西北側(cè),西面為環(huán)城馬路和逍遙津公園。地貌上屬于南淝河河漫灘的臨河洼地,整治河道時(shí)已將地表堆平,地面標(biāo)高 16.6 m,靜止水位埋深5.5 m。場(chǎng)地地基土在勘探深度內(nèi)分為4層。

(1)雜填土A,灰黑色,厚度3.9 m,為河道清淤堆積的淤泥質(zhì)黏性土,稍濕,含有機(jī)質(zhì),混較多的建筑垃圾,其中1.6 m左右的表層填土較密實(shí),下部呈稍密或軟塑狀態(tài)。

(2)素填土B,厚約2.3 m,以河道清淤的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土為主,并夾有粉煤灰,呈軟塑或稍密狀態(tài),土體工程性質(zhì)差且不均勻。

(3)粉質(zhì)黏土,灰黃色,濕,可塑狀態(tài),無(wú)搖振反應(yīng),切面較光滑,光澤反應(yīng)中等,干強(qiáng)度和韌性中等。

(4)粉土,灰、灰黃色,飽和,中密-密實(shí)狀態(tài),搖振反應(yīng)快,切面粗糙感,光澤反應(yīng)無(wú),干強(qiáng)度和韌性低,黏粒含量13.6%,地震烈度7度時(shí)不發(fā)生液化[2,3]。土的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

由上述可知,場(chǎng)地內(nèi)表層淤泥質(zhì)填土厚度大,工程性質(zhì)差,不能作為該工程的天然地基持力層。由于建設(shè)場(chǎng)地狹窄,臨近南淝河且位于鬧市區(qū),基礎(chǔ)施工開(kāi)挖條件和地基處理方法受到限制[4]。綜合分析場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件和工程建設(shè)的要求,對(duì)地基處理方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)的比選,采用“小直徑灰土樁”加固淤泥質(zhì)填土地基方案,要求處理后的復(fù)合地基承載力 fak＞120 kPa,Es＞5.0 MPa。

2 地基土處理效果分析

2.1 灰土樁設(shè)計(jì)與成樁工藝

設(shè)計(jì)樁徑為200 mm,樁長(zhǎng)6 m,擬穿過(guò)填土層,由于樁體下部0.5 m位于地下水位以下,考慮到灰土遇水軟化和長(zhǎng)期穩(wěn)定問(wèn)題,采用碎石夯填處理。設(shè)計(jì)置換率為14.5%,樁距為0.5 m,呈正三角形布置,施工采用SH-30型工程鉆機(jī)造孔,120 kg重錘夯實(shí)“三七灰土”配料,然后分層填夯灰土。按照有關(guān)公式對(duì)處理后的復(fù)合地基承載力和壓縮模量進(jìn)行估算,計(jì)算結(jié)果表明上述地基處理設(shè)計(jì)方案滿足建設(shè)要求。

成樁施工工藝：①采用螺旋鉆成孔,成孔后直接投料的方法;②鉆孔后,向孔內(nèi)投放約0.4 m高的碎石,用重錘擊實(shí),樁底碎石夯實(shí)至靜止地下水位以上;③分段投放灰土擊實(shí),擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為每次向孔內(nèi)填灰土1.0 m高,重錘夯實(shí)至0.45～0.60 m高,視貫入擊數(shù)和土層強(qiáng)度而定,主要以貫入度控制,當(dāng)落距為 2.0 m時(shí),擊實(shí)0.5 m平均控制5擊;④灰土樁施工完畢后,養(yǎng)護(hù)28 d,待樁身硬結(jié)后再進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)

灰土樁施工養(yǎng)護(hù)28 d后,運(yùn)用靜力觸探和輕便動(dòng)力觸探對(duì)樁身和樁周土進(jìn)行了檢測(cè),并對(duì)天然地基和復(fù)合地基進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)?；彝翗堕_(kāi)挖后觀測(cè)樁體均勻完整,由于夯實(shí)擴(kuò)徑作用,樁徑≥200 mm,相對(duì)軟弱土層部位樁體擴(kuò)大呈竹節(jié)狀。經(jīng)樁體取樣進(jìn)行單軸極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試件強(qiáng)度qu為414～556 kPa,平均500 kPa。

(1)灰土樁樁身檢測(cè)。樁體單橋靜力觸探所得Ps≥200 kPa,表層1.6 m范圍內(nèi)值均Ps≥6 MPa。天然地基與灰土樁樁身靜力觸探Ps值對(duì)比,如圖1所示。

(2)復(fù)合地基樁周土檢測(cè)。對(duì)樁周土采用靜力觸探和輕便動(dòng)力觸探(N10),分別進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果如圖2、圖3所示。從上述原位試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出,填土經(jīng)過(guò)處理后,其工程性質(zhì)得到明顯改善,地基承載力≥130 kPa。

圖1 天然地基與灰土樁樁身Ps值對(duì)比

圖2 天然地基與樁周土N10擊數(shù)對(duì)比

圖3 天然地基與樁周土Ps值對(duì)比

(3)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。為檢驗(yàn)復(fù)合地基承載力,分別進(jìn)行了天然地基、灰土樁和復(fù)合地基載荷試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 地基載荷試驗(yàn)P-S曲線

由圖4可知,天然地基按照相對(duì)沉降控制法確定地基承載力為80 kPa,達(dá)到極限荷載后沉降急速增加,曲線出現(xiàn)陡降,承壓板周圍土體隆起,承壓板沉入土中呈刺入型破壞;灰土樁載荷試驗(yàn)曲線為拋物線型,樁體沉降量小,曲線無(wú)明顯拐點(diǎn),說(shuō)明樁底碎石夯填和樁體施工質(zhì)量好,樁體強(qiáng)度較高;而2組復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線平滑,試驗(yàn)的初始段由于墊層和樁周土受荷載后壓密,沉降量較大,隨著荷載增加,荷載由樁土共同承擔(dān),沉降速度放緩,隨著試驗(yàn)荷載的進(jìn)一步增加,地基沉降增速,曲線變陡,達(dá)到試驗(yàn)極限荷載。

天然地基的變形模量為3.5 MPa,復(fù)合地基的承載力和變形模量見(jiàn)表2所列。

按照極限荷載法確定復(fù)合地基承載力 fak=217 kPa,用相對(duì)沉降控制法確定的復(fù)合地基承載力fak=250kPa?，F(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)深度0.8 m,勘察揭示地表至1.6 m深度左右的表層填土較密實(shí),考慮到建筑物基礎(chǔ)埋深及荷載主要作用在雜填土的下層,需綜合考慮硬殼層下稍密狀態(tài)雜填土和素填土的處理效果,才能對(duì)復(fù)合地基承載力作出正確評(píng)價(jià)。根據(jù)圖2和圖3結(jié)果綜合分析,經(jīng)過(guò)處理后的填土工程性質(zhì)得到明顯改善,復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 地基加固效果分析

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地的土層性質(zhì),設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為6 m,穿過(guò)填土層。為測(cè)試灰土樁處理地基的效果,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)復(fù)合地基的強(qiáng)度與變形特性,分別對(duì)天然地基、樁間土和樁體進(jìn)行載荷試驗(yàn)、靜力觸探和動(dòng)力觸探。試驗(yàn)結(jié)果表明處理后的樁周土強(qiáng)度提高了50%以上,復(fù)合地基比天然地基強(qiáng)度提高1倍以上。實(shí)踐表明,這種樁具有制作簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、效果顯著等特點(diǎn)。

天然地基、復(fù)合地基和樁間土的靜探比貫入阻力Ps值,以及天然地基與樁間土的輕便動(dòng)探貫入擊數(shù)N10,見(jiàn)表3所列。

表2 復(fù)合地基承載力和變形模量對(duì)比

表3 復(fù)合地基與天然地基輕便動(dòng)探和靜探測(cè)量值

樁身強(qiáng)度是隨樁周土強(qiáng)度變化的,樁周土強(qiáng)度高對(duì)樁身的約束力也高,則樁身強(qiáng)度也高,根據(jù)本次實(shí)驗(yàn),樁身強(qiáng)度約是樁周土強(qiáng)度的1.5～2.5倍。

3 加固機(jī)理

灰土樁是利用沉管、沖擊或爆擴(kuò)等方法在地基中擠土成孔,然后向孔內(nèi)夯填灰土成樁?；彝敛牧显诨瘜W(xué)性能上具有氣硬性和水硬性,石灰中正電荷的鈣離子與帶負(fù)電荷黏土顆粒互相吸附,形成膠凝作用等物理化學(xué)反應(yīng),使樁身及部分樁周土硬結(jié)固化成強(qiáng)度較高的柱體,并使周圍較大范圍內(nèi)的土體得到加固[5]。

灰土樁的加固機(jī)理如下：

(1)置換作用。復(fù)合地基是樁體和樁間土共同起作用,由于樁體的剛度比周圍土體大,樁體周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中而樁間土應(yīng)力降低,因此可以提高地基的承載力和地基的整體穩(wěn)定性[6]。

(2)擠密作用。灰土樁在施工過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)樁間土起到密實(shí)作用,同時(shí),生石灰具有吸水、發(fā)熱和膨脹等作用,從而對(duì)樁間土產(chǎn)生較大的擠壓力,使樁間土密實(shí)度提高;同時(shí)使地基中含水量下降,孔隙比減小,樁間土抗剪強(qiáng)度提高[7]?；彝翗兜淖冃文Ａ扛哂跇堕g土數(shù)倍至數(shù)十倍,因此在剛性基礎(chǔ)底面下灰土樁頂?shù)膽?yīng)力分擔(dān)比相應(yīng)增大,灰土樁具有分擔(dān)荷載和減小樁間土應(yīng)力的作用;灰土樁具有一定的抗彎和抗剪剛度,對(duì)樁間土具有較強(qiáng)的側(cè)向約束作用,阻止土的側(cè)向變形并提高其強(qiáng)度,提高地基的承載力和變形模量[8]。試驗(yàn)證明,灰土樁擠密地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值比天然地基提高 1倍左右;其變形模量高達(dá)21～36 MPa,約為天然地基的3～5倍,因而大幅度減少了建筑物的沉降量。因此,灰土樁在力學(xué)性能上起到擠密地基的作用。

(3)吸水膨脹作用。灰土樁吸水量包括2部分：CaO水化所需的吸水量和石灰水化產(chǎn)物Ca(OH)2的孔隙吸水量。CaO水化反應(yīng)如下：CaO+H2O=Ca(OH)2+Q,其中,Q是水化放熱量?？偽吭酱?樁間土性質(zhì)改善也越好。在CaO水化反應(yīng)中,水化產(chǎn)物Ca(OH)2體積增加,使膨脹的樁身對(duì)樁體周圍的土產(chǎn)生側(cè)向壓力,擠密周圍的土體,從而使地基承載力得到提高。同時(shí),化學(xué)反應(yīng)釋放熱量引起水分蒸發(fā),也使地基中水分減少,使軟土地基得到改善[8]。

(4)膠凝作用。生石灰吸水生成的Ca(OH)2中有一部分與土中的CO2產(chǎn)生碳酸化反應(yīng),使樁周土硬結(jié);另一部分Ca(OH)2溶液由土中孔隙向土壤內(nèi)滲透,與土中的SiO2、Al2O3等產(chǎn)生火山灰反應(yīng),形成水化硅酸鈣和鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)。反應(yīng)式如下：

生成的膠凝物質(zhì)增大了土粒之間的聯(lián)結(jié)作用,從而提高土的抗剪強(qiáng)度;生石灰的水化熱可以促進(jìn)凝膠作用,但凝膠作用也只發(fā)生在樁界面附近。

(5)離子交換作用。生石灰水化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的二價(jià)鈣離子與擴(kuò)散雙電層中的一價(jià)鈉、鉀離子發(fā)生交換作用,交換的結(jié)果使擴(kuò)散雙電層變薄,黏土顆粒間的結(jié)合力增強(qiáng),形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),從而使土的塑性減小,抗剪強(qiáng)度提高[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

灰土樁處理地下水以上的新填土具有良好的效果。試驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)處理后的樁周土強(qiáng)度可以提高50倍以上,復(fù)合地基強(qiáng)度可以提高1倍以上,滿足工程建設(shè)的要求。實(shí)踐表明,這種柱具有制作簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、效果顯著等特點(diǎn)。該工程已經(jīng)投入使用16年,工程質(zhì)量良好。本文討論的工程實(shí)例,對(duì)此類軟弱土地基的加固處理具有參考價(jià)值。

灰土樁的施工和檢測(cè)等是由合肥市勘察院完成的,感謝劉勇、鐘政文高級(jí)工程師提供部分試驗(yàn)資料。

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