吉建華

(化工部鄭州地質(zhì)工程勘察院,河南鄭州 450002)

夯實(shí)水泥土樁法在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用

吉建華

(化工部鄭州地質(zhì)工程勘察院,河南鄭州 450002)

介紹了濕陷性黃土的基本特性,結(jié)合工程實(shí)例,說(shuō)明夯實(shí)水泥土樁法處理濕陷性黃土地基的原理、施工工藝及應(yīng)用效果,提出了施工中注意的問題,為在本地區(qū)推廣應(yīng)用提供參考。

夯實(shí)水泥土樁法;濕陷性黃土;復(fù)合地基

1 濕陷性黃土的基本工程特性

濕陷性黃土在我國(guó)分布廣泛,基礎(chǔ)建設(shè)中的濕陷性黃土地基,因其特有的工程特性,對(duì)建筑物危害極大。

濕陷性黃土除具備黃土的一般特性外,粒度成分以粉土顆粒為主,占 50%以上,孔隙比較大,結(jié)構(gòu)松散,具有肉眼可見的豎向針狀圓孔;天然剖面上垂直節(jié)理發(fā)育,富含碳酸鈣鹽類,垂直大孔隙、松散多孔結(jié)構(gòu)和遇水即降低或消失的土顆粒間的粘聚力是它發(fā)生濕陷的兩個(gè)內(nèi)部因素,而壓力及水是外部條件。而濕陷性黃土具有的多孔結(jié)構(gòu)是其發(fā)生濕陷的先決條件和首要因素,正是由于某些原因致使這種多孔性結(jié)構(gòu)破壞才能發(fā)生濕陷。其基本工程特性有:

(1)結(jié)構(gòu)的欠壓密狀態(tài)。黃土在天然沉降過程中,有可溶鹽的結(jié)晶和薄膜水的吸附作用,使黃土在干旱氣候條件下的沉積過程中處于欠壓密狀態(tài)。因此,在有水浸入時(shí)表現(xiàn)為濕陷性,這是黃土地區(qū)建筑物易受破壞的主要外因。

(2)存在濕陷起始?jí)毫?。?dāng)水浸濕黃土后,由于可溶鹽的膠結(jié)強(qiáng)度消失及水膜的嵌入作用,粘聚力急劇降低,但仍保存部分初始結(jié)構(gòu)力,當(dāng)外力超過該強(qiáng)度時(shí),濕陷才能產(chǎn)生。

(3)濕陷變形速率大。受水變形速率大,但一旦停止供水后,穩(wěn)定亦很快。浸水后濕陷立即開始,停水后很快穩(wěn)定,濕陷變形轉(zhuǎn)化為壓縮變形。

(4)受水后強(qiáng)度急劇降低。黃土受荷,當(dāng)荷載超過濕陷初始?jí)毫?除土體垂直壓縮變形外,還同時(shí)發(fā)生大量側(cè)向擠出。

2 工程概況

某工程位于鄭州市西部,樓高 18層,地下 1層,基礎(chǔ)埋深 315 m,平面尺寸 54 m×13 m,基底壓力300 kPa。擬建場(chǎng)地地貌單元為黃河二級(jí)階地,地形較平坦,地面絕對(duì)標(biāo)高 16515 m左右,最大高差0160 m。地下水埋深 >30 m,地震基本烈度 7度(0115g)。主要土層有 5層:表層為厚 110 m的雜填土,第①層為 Q3黃土狀粉土,稍濕,稍密,含白色鈣質(zhì)條紋,有大孔隙和蟲孔,含少量鈣質(zhì)結(jié)核,粒徑1～2 cm;第②層為 Q3黃土狀粉土,稍濕,稍密,含較多白色鈣質(zhì)條紋,可見大孔隙;第③層粉土,稍濕,中密,含白色鈣質(zhì)條紋。第④、⑤層為粉質(zhì)粘土。

由表1可知,第①層黃土狀粉土屬非自重濕陷性土,場(chǎng)地地基濕陷等級(jí)輕微 (Ⅰ級(jí))。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025-2004)需對(duì)地基土采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

表 1 主要土層物理力學(xué)性質(zhì)表

3 地基處理方案設(shè)計(jì)

基于濕陷性黃土的工程地質(zhì)特性,根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求,在濕陷性黃土地基上進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的建造,為確保結(jié)構(gòu)物的安全和正常使用,應(yīng)根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特征、受力情況、基礎(chǔ)類型和埋深及濕陷性黃土地層分布狀況、濕陷厚度和周圍環(huán)境等情況,科學(xué)合理地選擇地基處理方法,全面或部分消除地基土的濕陷性,改善地基土的壓縮性、滲透性,有效控制地基土濕陷性的發(fā)生。

根據(jù)本場(chǎng)地?cái)M建建筑物荷載特征和巖土條件,經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析,確定采用夯實(shí)水泥土樁法處理濕陷性黃土。

3.1 夯實(shí)水泥土樁法地基處理原理

夯實(shí)水泥土樁法是采取機(jī)械或人工方法成孔,選用相對(duì)單一的土質(zhì)材料,與水泥按一定配比在孔外充分拌和均勻制成水泥土,分層向孔內(nèi)回填夯實(shí),制成均勻的水泥土樁。水泥土樁增強(qiáng)體與樁間土層通過褥墊層一起組成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載,達(dá)到提高地基強(qiáng)度,改善地基土變形特性的目的。

夯實(shí)水泥土樁通過兩方面作用使地基強(qiáng)度提高:一是成樁夯實(shí)過程中對(duì)樁間土的擠密作用,使樁周土強(qiáng)度有一定程度提高;二是水泥土本身夯實(shí)成樁,且水泥與土混合后可產(chǎn)生離子交換等一系列物理化學(xué)反應(yīng),使樁體本身有較高強(qiáng)度,具水硬性,而且隨著時(shí)間的推移強(qiáng)度會(huì)持續(xù)提高。擠密作用由 2個(gè)方面完成:一是采用沉管、沖擊等方法在成孔過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍土層的擠密作用;二是在成樁過程中通過對(duì)填料的豎向夯擊產(chǎn)生側(cè)向擠壓變形達(dá)到擠密周圍土體的作用。正是夯實(shí)水泥土樁成樁過程中對(duì)周圍土層的擠密作用有效地消除了黃土濕陷的內(nèi)在因素,即多孔性和欠壓密性,實(shí)現(xiàn)了消除濕陷性的目的。

3.2 夯實(shí)水泥土樁法地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)荷載特征,結(jié)合環(huán)境條件,確定采用夯實(shí)水泥土樁法 (擠土法)進(jìn)行處理,依據(jù)規(guī)范《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2002),設(shè)計(jì)處理深度 1010 m,樁孔孔心距 110 m,梅花形布樁,孔徑 400 mm,施工采用機(jī)械柱錘夯擴(kuò)成孔,填料采用水泥土,水泥摻入比 20%,拌和均勻,分層機(jī)械夯實(shí),嚴(yán)格控制夯填度。施工前對(duì)拌合水泥土進(jìn)行了配比試驗(yàn),制作標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),要求樁身立方體抗壓強(qiáng)度平均值 fcu≥410 MPa,實(shí)際無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)平均值 412 MPa。設(shè)計(jì)要求復(fù)合地基的承載力特征值 fak≥300 kPa,單樁豎向承載力特征值 Ra≥165 kN。

3.3 施工方法

該方法施工流程如圖 1所示。

圖 1 夯實(shí)水泥土樁法施工流程圖

為確保成樁質(zhì)量,該法在施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)成孔:本工程采用擠土成孔法,成孔直徑400 mm,確?？妆诖怪?

(2)拌料:將所用土過篩后,按要求將水泥與土攪拌均勻;

(3)填料、夯實(shí)、成樁:孔內(nèi)每填料約 50 m夯擊一陣,一陣不少于 3次,錘落距≮2 m,至聽到聲清脆為止;

(4)成孔過程應(yīng)遵循先外后里的原則,隔行隔排,間隔兩孔跳打,打后立即回填;

(5)工程樁施工時(shí)防止塌孔:施工時(shí),必須跳打,夯實(shí)水泥土?xí)r,禁止在臨近成孔,以防止因夯擊振動(dòng)引起塌孔。

4 處理效果

地基處理施工完成 15日后對(duì)夯實(shí)水泥土樁處理效果進(jìn)行了單樁和復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)及低應(yīng)變樁身完整性檢測(cè)。

(1)單樁豎向承載力靜載荷試驗(yàn)檢測(cè) 5個(gè)點(diǎn),典型 Q-s曲線如圖 2所示。靜載荷試驗(yàn)結(jié)果單樁豎向承載力 Ra≥165 kN,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖 2 單樁靜載荷試驗(yàn) Q-s曲線

從曲線可以看出,5根樁的總沉降最大12128 mm,且沉降隨時(shí)間、荷載的變化都是均勻的,基本上是彈性的。由此可以看出,當(dāng) Q=335 kN時(shí),水泥土樁也沒有達(dá)到極限承載力狀態(tài),還有很大“儲(chǔ)備”。由卸載曲線可以看出,樁的彈性回彈量很小,最多只有 3151 mm,說(shuō)明樁體剛度較大,沉降量主要是由于樁整體下沉造成的。

(2)單樁復(fù)合地基承載力靜載荷試驗(yàn)檢測(cè) 5個(gè)點(diǎn)。靜載荷試驗(yàn)最大加載量不小于設(shè)計(jì)壓力的 2倍(600 kPa),結(jié)果見表 2。典型載荷試驗(yàn) P-s曲線見圖 3。

表 2 靜載荷試驗(yàn)成果表

靜載荷試驗(yàn)單樁復(fù)合地基承載力 fspk≥300 kPa,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖 3 單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn) P-s曲線

根據(jù)各試點(diǎn)實(shí)測(cè)資料繪制的P-s曲線可以看出:本次靜載試驗(yàn)各試點(diǎn)復(fù)合地基在荷載作用下均未達(dá)極限工作狀態(tài),均處在彈塑性或以彈性為主的工作狀態(tài)。

(3)抽檢總樁數(shù) 20%進(jìn)行低應(yīng)變樁身質(zhì)量檢測(cè),結(jié)果均為Ⅰ類樁 (樁身完整)。

(4)通過對(duì)樁間土探井取樣,進(jìn)行濕陷性試驗(yàn),結(jié)果顯示濕陷系數(shù)均小于 01015,有效消除了土的濕陷性。

從基礎(chǔ)完工到建筑物竣工 2年,進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè),從沉降觀測(cè)結(jié)果看,沉降量 4212～6113 mm,沉降差最大 010015,滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)采取擠土成孔的夯實(shí)水泥土樁地基處理方法可以有效消除或減小黃土的濕陷性,處理后的復(fù)合地基強(qiáng)度和抗變形能力得到明顯提高,處理效果良好,很好地解決了地基強(qiáng)度和黃土濕陷問題,從本工程看,地基承載力提高了 2倍,消除了土的濕陷性。

(2)夯實(shí)水泥土樁地基處理方法適宜于處理地下水位以上的粉土、粘性土、素填土等地基,其施工簡(jiǎn)單,質(zhì)量易于控制,造價(jià)低,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益明顯,適用性強(qiáng),有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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Application of Rammed Soil-cement Pile in Collapsible Loess Areas

JI Jian-hua(MCI Zhengzhou Geological Engi-neering Investigation Institute,Zhengzhou Henan 450002,China)

This article describes the basic characteristics of loess;and with engineering cases illustrates the mechanis m,construction technology and effect on application of rammed soil-cement pile in collapsible loess foundation treatment;and provides reference for the the application in local area with the attentions in construction.

rammed soil-cement pile;collapsibile loess;composite foundation

TU472.3

A

1672-7428(2010)02-0059-03

2009-10- 10;

2009-12-31

吉建華 (1965-),男 (漢族),山東曹縣人,化工部鄭州地質(zhì)工程勘察院副總工程師、高級(jí)工程師,國(guó)家注冊(cè)巖土工程師,從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等技術(shù)工作,河南省鄭州市文化路 76號(hào),jjh0371@163.com。