劉 麗(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院，遼寧 沈陽110166)

1 前 言

近年來，各種對地基進(jìn)行處理的方法在工程中被使用，而灰土樁復(fù)合地基以其在經(jīng)濟節(jié)約方面有著明顯優(yōu)勢，灰土擠密樁在處理軟弱地基方面，因其施工速度快，造價低廉，施工設(shè)備簡單，技術(shù)可靠，社會效益好和承載能力提高較快等特點，已日益成為經(jīng)濟有效的地基處理方法之一，被廣泛的使用。而對于濕陷性黃土來說，除了消除其濕陷性外，灰土樁還與擠密土一起構(gòu)成復(fù)合地基，提高地基強度，減小地基變形，改善黃土地基的工程特性[1]。本文通過試驗研究，探討擠密樁在濕陷性黃土地基處理中的合理樁距，為同類工程提供參考。

2 灰土擠密樁的特點

2.1 定義

灰土擠密樁法是用沉管、沖擊、爆擴等方法在地基中成孔，然后向孔中夯填灰土或素土成樁，通過成樁過程中的擠壓作用，使樁周一定范圍的樁間土得到擠密，形成樁體與樁周擠密土共同組成人工復(fù)合地基的處理方法。

2.2 加固機理

灰土樁是用石灰和土按一定比例拌和，并在樁孔內(nèi)夯實加密后形成的樁，這種材料在化學(xué)性能上具有氣硬性和水硬性，由于石灰內(nèi)帶正電荷鈣離子與帶負(fù)電荷粘土顆粒相互吸附,形成膠體凝聚，并隨灰土齡期增長，土體固化作用提高，使土體強度逐漸增強。在力學(xué)性能上，它可達(dá)到擠密地基效果，提高地基承載力，消除濕陷性，提高地基抗變形能力。灰土樁承擔(dān)的荷載是通過樁周摩擦力向周圍土體傳遞的[2]。

灰土擠密樁擠密成孔時，樁孔位置原有土體被強制側(cè)向擠壓，使樁周一定范圍內(nèi)的土層密實度提高。單樁外側(cè)土擠密試驗表明，孔壁附近土的干密度接近或超過其最大干密度，徑向外延干密度逐漸減小到土的天然密度，擠密影響半徑通常為1.5~2.0 倍的樁孔直徑。并且擠密效果在相鄰樁孔擠密區(qū)交界處相互疊加，樁間土中心部位的密實度增大，樁間土的密度變得均勻，樁距越小疊加效果愈顯著。

3 灰土擠密樁的設(shè)計

3.1 樁孔直徑

樁孔直徑主要取決于施工機械的能力和地基土層的原始密實度"樁徑過小，樁數(shù)增多，增加了打樁和回填工作量；樁徑過大，樁間土擠密效果差，均勻性也差，不能完全消除黃土地基的濕陷性，同時要求成孔機械的能量也太大，振動過程對周圍建筑物的影響也大?？傊x擇樁徑應(yīng)對以上因素進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)前一般選用300~600 的樁徑。

3.2 樁距估算

樁距設(shè)計的目的是為了使樁間土擠密后達(dá)到一定的密實度,從而消除黃土濕陷性滿足承載力要求。如果樁距設(shè)計偏小，易造成縮頸，成孔困難等施工問題，使樁間土發(fā)生拱起，應(yīng)力釋放，還會提高工程造價。若樁距設(shè)計偏大，則對樁間土的擠密效果不明顯，達(dá)不到規(guī)范的要求，使工程中存在隱患，甚至使整個工程失敗。目前國內(nèi)灰土擠密樁的樁距一般為1.75~3.00d(d為樁徑)，現(xiàn)行規(guī)范[3]為

式中：s 為孔心距（m）；D 為擠密填料孔直徑；d 為預(yù)鉆樁孔直徑（m）； doρ 為地基擠密前壓縮層范圍內(nèi)各層土的平均干密度（g/cm3）； ρdmax為擊實試驗確定的最大干密度（g/cm3）；ηc為擠密填孔（達(dá)到D）后，3 個孔之間土的平均擠密系數(shù)不宜小于0.93。

3.3 樁孔深度

樁孔深度（即擠密處理的厚度）應(yīng)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)物對地基的要求、地基的濕陷類型、濕陷等級、濕陷性黃土層厚度及打樁機械的條件綜合考慮決定。對非自重濕陷性黃土地基，其處治厚度應(yīng)為基礎(chǔ)下土的濕陷起始壓力小于附加壓力和上覆土的飽和自重壓力之和的所有黃土層，或為附加壓力等于土自重壓力25%的深度處，樁長從基礎(chǔ)算起一般不宜小于3m。當(dāng)處治深度過小時，采用土樁擠密是不經(jīng)濟的，樁孔深度目前施工可達(dá)12~15m。

4 灰土擠密樁的特性與適應(yīng)范圍

4.1 基本特性

灰土擠密樁法的發(fā)展，具有我國自己的特點,其施工工藝比較簡單。由于灰土具有一定的膠凝強度，樁體可分擔(dān)較多基礎(chǔ)荷載，同時又能較快地傳布于一定深度的地基土層中，因此，灰土擠密樁地基的基礎(chǔ)效果較好，而且灰土樁的材料主要是白灰和土，可以就地取材，經(jīng)濟效果更好。

4.2 適應(yīng)范圍

加密土體，降低黃土的空隙率是消除濕陷性的一種主要手段。常見的碾壓或夯實方法，對土體沿豎向壓實加密，一般適用于1m~3m 淺層地基的處理。灰土擠密樁法則是對土體橫向擠密，并向樁孔內(nèi)填2:8 或3:7 灰土，壓實和擠密的加固原理與技術(shù)效果基本相同，但灰土擠密樁地基一般無需開挖大量土方，屬于原位深層加密處理地基的一種方法，適用于處理厚度較大的自重或非自重濕陷性黃土地基。民用建筑一般在6 層以上宜采用灰土擠密樁法處理地基。對于施工場地狹窄、土方堆放困難的情況，灰土擠密樁法處理地基優(yōu)越性更大。

5 工程實踐實例

5.1 概述

某醫(yī)院一工程建筑面積12000m2，分為11層住院樓（高層）與3 層手術(shù)樓(低層)兩部分，結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高層部分基礎(chǔ)采用片筏基礎(chǔ)，低層部分采用柱下獨立基礎(chǔ)，其埋深分別為自然地坪下-3.5m 和-2.5m。在住院樓南邊8m 處為現(xiàn)有3 層住院樓，東西北相鄰院內(nèi)馬路。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)(以下簡稱《黃土規(guī)范》)該建筑為乙類建筑。

整個場地地質(zhì)均為沖積堆積物，從上至下分別為：

1)濕陷性黃土，由表土層以下至層底深度5m，具有高壓縮性，強濕陷性，結(jié)構(gòu)疏松，強度低fk=90KPa；

2)濕陷性黃土，至層底深度12m，可塑狀態(tài)，具有中等壓縮性，為Ⅱ級自重濕陷性黃土，fk=165KPa；

3)含有大量姜石Ⅱ級濕陷性黃土，至層底深度16-17m，可塑狀態(tài)。具有中等壓縮性，土的結(jié)構(gòu)強度好，fk=185KPa；

4)粘土層，至終孔深度25-30m，強度偏低，fk=145KPa。

各土層的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1。整個場地為Ⅱ級自重濕陷性黃土場地，場地土類型為中軟場地土，場地類別為Ⅲ類，濕陷性土層厚度為16m，自然地坪下18.6m 為地下水穩(wěn)定水位。

5.2 地基處理方案分析

根據(jù)建筑物類別、濕陷性黃土的特性、施工條件和當(dāng)?shù)夭牧?，并?jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，決定采取2：8 灰土擠密樁處理地基。

灰土擠密樁處理地基，樁與樁間土形成的復(fù)合地基相當(dāng)于較密實的灰土墊層，上部荷載通過這樣厚的墊層向下傳遞，應(yīng)力比天然地基擴散的快，在加固深度以下，附加壓力將大大減小。因此，它不象剛性樁那樣需要樁端有很高的承載力，所以，灰土擠密樁處理地基實際上需要進(jìn)行兩部分內(nèi)容的設(shè)計，首先要進(jìn)行樁的設(shè)計(包括樁長、樁距、處理范圍等)，其次要驗算樁端處下臥層強度。

5.3 灰土擠密樁設(shè)計

5.3.1 樁長、樁距的確定

該工程地基的處理不僅要消除濕陷性，而且要提高地基的承載力，提高整個場地的密實度與剛度，改善場地的動力特性，因此，綜合考慮其灰土樁的長度、樁距。根據(jù)黃土規(guī)范的規(guī)定，在自重濕陷性黃土場地，乙類建筑消除地基部分濕陷量的最小處理厚度不應(yīng)小于濕陷性土層厚度的2/3，并且應(yīng)控制未處理土層的濕陷量不大于20cm。該工程基底下濕陷性土層厚度為12m，所以，其灰土樁長度要達(dá)到8m，剩余濕陷性黃土層厚度為4m，其剩余濕陷量用下式計算：

式中：Δsi為剩余濕陷量；β為考慮地基土的側(cè)向擠出和浸水機率等因素的修正系數(shù)，取0.5；siδ為第i 層土的濕陷系數(shù)；ih為第i 層土的厚度。將各值代入式（2）計算出剩余濕陷量為：

樁長是根據(jù)《黃土規(guī)范》的要求確定的，并且滿足下臥層強度的要求。樁距根據(jù)濕陷性黃土的性質(zhì)以及濕陷性的消除情況與復(fù)合地基的承載力要求確定。

灰土樁在極限荷載作用下，其樁頂面上應(yīng)力通常為灰土試件無側(cè)限抗壓強度的50%～ 100%（即250-800KPa），即灰土樁已處于過渡階段或已達(dá)到破壞階段?；沂繕兜钠茐闹饕l(fā)生在樁身上部1.0 ～1.5d 長度內(nèi)。在允許荷載作用下不少灰土樁的樁頂已被壓裂（長度1.0 ～1.5d）而下段樁身仍保持完好，即使這樣，由于灰土樁與樁間土夯擊較密實，壓裂破壞后的灰土樁仍然具有由裂塊間的咬合力和摩擦力構(gòu)成的剩余強度，仍可與樁間土共同作用保持整個地基的穩(wěn)定性。由此可知：灰土樁的承載力主要取決于樁身強度，但是，被壓裂的灰土塊如果沒有樁間土對它的約束，其穩(wěn)定性是不存在的。另外，灰土樁承擔(dān)的荷載是通過樁周摩擦力向周圍土體傳遞的，其傳遞過程一般在4d 之內(nèi)完成；灰土樁本身傳遞荷載的深度是有限的，一般不超過6 ～10d，而且主要荷載集中在樁頂至3d 之間；這些都與樁距密切相關(guān)。

表1 土的物理力學(xué)指標(biāo)

以上分析說明要使樁與樁間土能夠保持其整體穩(wěn)定性并且承受較大的附加壓力，除樁的強度滿足外，必須使樁間土具有一定的密實度，即具有合理的樁距。

按照圓孔擴張原理，灰土擠密樁在沉孔時沿樁孔周圍土體應(yīng)力的變化與圓柱形孔擴張時所產(chǎn)生的應(yīng)力變化相似，在孔壁附近土的干密度（ ρd）接近或超過其最大干密度（ ρdmax），壓實系數(shù) λc〉1，依次向外土的干密度逐漸減小，直至接近原始干密度（ dρ ），這樣形成的柱面即為樁間土由塑性區(qū)變?yōu)閺椥詤^(qū)的分界面，在彈性區(qū)其土基本維持原狀，無側(cè)向擠壓，仍然存在濕陷性。對于既要消除黃土的濕陷性又要提高承載能力的地基，則必須要求壓實系數(shù) cλ >0. 93。即樁間土不能存在彈性區(qū)，在樁間土的擠密區(qū)交界處擠密效果必須產(chǎn)生疊加效應(yīng)。樁距愈小，疊加效應(yīng)愈顯著，但樁距過小，成孔困難，施工速度慢。因此，必須根據(jù)土的性質(zhì)計算出合理的樁距。

灰土擠密樁按正三角形布置，孔徑d 取30cm，要求樁間土的平均壓實系數(shù)λc 不小于0.93，根據(jù)原土的性質(zhì)，地基擠密前各土層的平均干密度（ρd）為1.45g/cm3，最大干密度用下式確定：

式中： dρ 為原狀土的最大干密度；η 為經(jīng)驗系數(shù)，黃土狀粉土取0. 97； wρ 為水的密度取lg/cm3； dg為土粒相對密度取2.7； wop—最優(yōu)含水量，經(jīng)測定為1.90。

將各值代入（3）式經(jīng)計算可得出 ρdmax，最后得到正三角形布置樁孔間距S=84.4cm。

這樣，如果樁間土的壓實系數(shù)達(dá)到0.93，其樁距應(yīng)該小于等于34.4cm，以計算的樁距作參考，分別取2d，2.5d，3d 三種樁距進(jìn)行試樁，每一種樁距共打樁19 根構(gòu)成正五邊形圖案(如圖1)，分別在里邊三樁構(gòu)成的正三角形形心位置上以及形心與樁邊線三等分點的位置上取土測定其干密度、濕陷系數(shù)、壓縮系數(shù)以及其它物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行比較分析。分析以上三種樁距樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)，以2d 為樁距其擠密效果最佳，2.5d為樁距同樣也滿足要求，3d 為樁距達(dá)不到設(shè)計要求，雖然2d 為樁距，其擠密效果最佳，但成孔難度較大，并且樁間土有隆起現(xiàn)象，8m 長的樁成孔時間平均20min，2.5d 樁距從成孔速度以及擠密效果均滿足設(shè)計要求，所以設(shè)計樁距取2.5d，即以75cm 為樁距，30cm 為樁徑的正三角形布置。

圖1 樁位

5.3.2 處理范圍的確定

灰土擠密樁處理的范圍要符合黃土規(guī)范，整片處理每邊擴出建筑物外墻基礎(chǔ)外邊的寬度大于處理厚度的一半，這主要在于增強地基的穩(wěn)定性、并且保證附加應(yīng)力擴散到樁下臥層頂面。附加壓力在樁土形成的相當(dāng)密實的墊層內(nèi)應(yīng)力擴散的很快，地基應(yīng)力擴散線與垂直線的夾角一般大于30o，如果其處理范圍達(dá)不到一定的寬度，基底下被處理的土層在附加應(yīng)力作用下受水浸濕時產(chǎn)生側(cè)向變形，并且使處理與未處理交界面的天然土體產(chǎn)生失穩(wěn)，所以，只有處理范圍達(dá)到要求，才能保證處理與未處理交界面的天然土體保持穩(wěn)定，水從處理與未處理土層的交界滲入地基，提高整片處理地基的效果。

5.3.3 下臥層強度的驗算

下臥層頂面的承載力設(shè)計值應(yīng)滿足下式要求：

式中： Pz為下臥層頂面的附加壓力，kPa；Pcz為下臥層頂面土與樁自重壓力，kPa； fz為下臥層頂面處經(jīng)深度修正后地基承載力設(shè)計值。

而fz經(jīng)深度修正后高達(dá)396kPa，Pcz為160kPa， Pz不考慮擴散傳到下臥層頂面時的壓力295kPa，顯然是小于 fz的，而且相差較大。實際上附加壓力的擴散是較快的，這樣傳到下臥層頂面的壓力就更小。通過以上計算結(jié)果說明在濕陷性黃土地區(qū)如果黃土較厚其承載力相差不大時，只要其處理厚度滿足黃土規(guī)范的要求，其下臥層頂面的強度一般是可以滿足的。

經(jīng)過對灰土樁以及樁間土和處理后的場地的綜合測試，整個場地較處理前明顯堅硬，灰土樁完整密實，樁間土密度增加17%，孔隙比減小20%，土體干密度和壓縮性有很大的改善，處理層樁間土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)185kPa，樁體承載力達(dá)330kPa，其復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值滿足設(shè)計要求，在處理范圍內(nèi)選三點進(jìn)行載荷試驗，當(dāng)s/ b = 0.008 時其荷載達(dá)220kPa，證明所計算的復(fù)合地基承載力是正確的，總之，通過對處理后地基的各種檢驗說明設(shè)計是正確合理的。

6 結(jié) 論

1)濕陷性黃土地區(qū)，采用灰土擠密樁進(jìn)行地基處理可有效消除樁間土的濕陷性，提高地基承載力，達(dá)到了地基處理的目的。

2)樁距不同，灰土擠密樁的擠密效果也不同。設(shè)計時應(yīng)充分考慮環(huán)境與施工等因素，估計樁距，并對其進(jìn)行試驗，以取得最佳樁距，得到最好的擠密效果。

3)試驗結(jié)果表明，灰土擠密樁復(fù)合地基承載力比原地基有了顯著提高，是處理濕陷性黃土地基的一種良好措施。

[1]王隨新,等.鄭西客運專線石灰改性黃土強度特性試驗研究 [J] 路基工程，2007(4)1

[2]張曉霞. 強夯法與灰土擠密樁法的設(shè)計與適用性比較 [J] 山西建筑，2010，36（31）

[3]GB50025-2004,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范 [S].