吉建華

(化工部鄭州地質(zhì)工程勘察院,河南鄭州 450002)

夯實水泥土樁法在濕陷性黃土地區(qū)的應用

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,結合工程實例,說明夯實水泥土樁法處理濕陷性黃土地基的原理、施工工藝及應用效果,提出了施工中注意的問題,為在本地區(qū)推廣應用提供參考。

夯實水泥土樁法;濕陷性黃土;復合地基

1 濕陷性黃土的基本工程特性

濕陷性黃土在我國分布廣泛,基礎建設中的濕陷性黃土地基,因其特有的工程特性,對建筑物危害極大。

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,結構松散,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、松散多孔結構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構是其發(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構破壞才能發(fā)生濕陷。其基本工程特性有:

(1)結構的欠壓密狀態(tài)。黃土在天然沉降過程中,有可溶鹽的結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)存在濕陷起始壓力。當水浸濕黃土后,由于可溶鹽的膠結強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構力,當外力超過該強度時,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,濕陷變形轉化為壓縮變形。

(4)受水后強度急劇降低。黃土受荷,當荷載超過濕陷初始壓力后,除土體垂直壓縮變形外,還同時發(fā)生大量側向擠出。

2 工程概況

某工程位于鄭州市西部,樓高 18層,地下 1層,基礎埋深 315 m,平面尺寸 54 m×13 m,基底壓力300 kPa。擬建場地地貌單元為黃河二級階地,地形較平坦,地面絕對標高 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,場地地基濕陷等級輕微 (Ⅰ級)。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025-2004)需對地基土采取適當?shù)奶幚泶胧?/p>

表 1 主要土層物理力學性質(zhì)表

3 地基處理方案設計

基于濕陷性黃土的工程地質(zhì)特性,根據(jù)有關規(guī)范要求,在濕陷性黃土地基上進行結構物的建造,為確保結構物的安全和正常使用,應根據(jù)建筑物的結構特征、受力情況、基礎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)本場地擬建建筑物荷載特征和巖土條件,經(jīng)多方案技術經(jīng)濟對比分析,確定采用夯實水泥土樁法處理濕陷性黃土。

3.1 夯實水泥土樁法地基處理原理

夯實水泥土樁法是采取機械或人工方法成孔,選用相對單一的土質(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,制成均勻的水泥土樁。水泥土樁增強體與樁間土層通過褥墊層一起組成復合地基共同承擔上部荷載,達到提高地基強度,改善地基土變形特性的目的。

夯實水泥土樁通過兩方面作用使地基強度提高:一是成樁夯實過程中對樁間土的擠密作用,使樁周土強度有一定程度提高;二是水泥土本身夯實成樁,且水泥與土混合后可產(chǎn)生離子交換等一系列物理化學反應,使樁體本身有較高強度,具水硬性,而且隨著時間的推移強度會持續(xù)提高。擠密作用由 2個方面完成:一是采用沉管、沖擊等方法在成孔過程中實現(xiàn)對周圍土層的擠密作用;二是在成樁過程中通過對填料的豎向夯擊產(chǎn)生側向擠壓變形達到擠密周圍土體的作用。正是夯實水泥土樁成樁過程中對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,實現(xiàn)了消除濕陷性的目的。

3.2 夯實水泥土樁法地基處理設計參數(shù)

根據(jù)建筑物結構荷載特征,結合環(huán)境條件,確定采用夯實水泥土樁法 (擠土法)進行處理,依據(jù)規(guī)范《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79-2002),設計處理深度 1010 m,樁孔孔心距 110 m,梅花形布樁,孔徑 400 mm,施工采用機械柱錘夯擴成孔,填料采用水泥土,水泥摻入比 20%,拌和均勻,分層機械夯實,嚴格控制夯填度。施工前對拌合水泥土進行了配比試驗,制作標準試塊進行抗壓強度試驗,要求樁身立方體抗壓強度平均值 fcu≥410 MPa,實際無側限抗壓強度實驗平均值 412 MPa。設計要求復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,該法在施工中應注意以下幾點:

(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、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)工程樁施工時防止塌孔:施工時,必須跳打,夯實水泥土時,禁止在臨近成孔,以防止因夯擊振動引起塌孔。

4 處理效果

地基處理施工完成 15日后對夯實水泥土樁處理效果進行了單樁和復合地基靜載荷試驗及低應變樁身完整性檢測。

(1)單樁豎向承載力靜載荷試驗檢測 5個點,典型 Q-s曲線如圖 2所示。靜載荷試驗結果單樁豎向承載力 Ra≥165 kN,滿足設計要求。

圖 2 單樁靜載荷試驗 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 Q=335 kN時,水泥土樁也沒有達到極限承載力狀態(tài),還有很大“儲備”。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)單樁復合地基承載力靜載荷試驗檢測 5個點。靜載荷試驗最大加載量不小于設計壓力的 2倍(600 kPa),結果見表 2。典型載荷試驗 P-s曲線見圖 3。

表 2 靜載荷試驗成果表

靜載荷試驗單樁復合地基承載力 fspk≥300 kPa,滿足設計要求。

圖 3 單樁復合地基靜載荷試驗 P-s曲線

根據(jù)各試點實測資料繪制的P-s曲線可以看出:本次靜載試驗各試點復合地基在荷載作用下均未達極限工作狀態(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%進行低應變樁身質(zhì)量檢測,結果均為Ⅰ類樁 (樁身完整)。

(4)通過對樁間土探井取樣,進行濕陷性試驗,結果顯示濕陷系數(shù)均小于 01015,有效消除了土的濕陷性。

從基礎完工到建筑物竣工 2年,進行了連續(xù)觀測,從沉降觀測結果看,沉降量 4212～6113 mm,沉降差最大 010015,滿足規(guī)范要求。

5 結語

(1)采取擠土成孔的夯實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,處理后的復合地基強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,其施工簡單,質(zhì)量易于控制,造價低,經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益明顯,適用性強,有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1] 閆明禮.地基處理技術[M].北京:中國環(huán)境出版社,1996.

[2] 鄭晏武.中國黃土的濕陷性[M].北京:地質(zhì)出版社,1982.

[3] 胡廣韜,楊文遠.工程地質(zhì)學[M].北京:地質(zhì)出版社,2002.

[4] 徐建紅.自重濕陷性黃土地區(qū)樁基設計探討[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2006,33(9):7-8.

[5] 范志勇,程新濤.孔內(nèi)深層強夯技術在濕陷性黃土地區(qū)應用及檢測[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2004,31(11):23-25.

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、高級工程師,國家注冊巖土工程師,從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等技術工作,河南省鄭州市文化路 76號,jjh0371@163.com。