劉 瑋 阮兵峰

(武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430000)

1 灰土擠密樁的加固機(jī)理

黃土在我國(guó)具有非常廣泛的分布，約占我國(guó)國(guó)土面積的6%以上，因其具有獨(dú)特的水理特性及結(jié)構(gòu)特性，黃土的工程特性也體現(xiàn)出自身的特點(diǎn)，如透水性、崩解性等，最典型的為濕陷性。濕陷性是指黃土在上部壓力作用下受水浸濕而發(fā)生沉陷的性能，黃土的濕陷性對(duì)工程建設(shè)具有極大的危害，濕陷性黃土作為一種特殊性土與一般的粘性土不同，它具有在自重壓力下或一定壓力下遇水濕陷變形的特性[1]，濕陷性黃土可分為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土，根據(jù)濕陷程度，可分為輕微、中等、強(qiáng)烈濕陷性三個(gè)等級(jí)。在該地區(qū)的工程建設(shè)中，濕陷性黃土不可直接作基礎(chǔ)的持力層，需要進(jìn)行地基處理，以部分或全部消除其濕陷性。在我國(guó)，濕陷性黃土地區(qū)的處理方法主要有換填墊層法、深層密實(shí)法、排水固結(jié)法及化學(xué)加固法等。其中，灰土擠密樁法為深層處理方法的一種，是深層密實(shí)法處理地基方式之一[2，3]。

灰土擠密樁適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基，處理深度為5 m～15 m，以消除地基土的濕陷性，提高地基土的承載力，增強(qiáng)其水穩(wěn)性。當(dāng)?shù)鼗恋暮坎淮笥?4%、飽和度不大于65%時(shí)，宜選用灰土擠密樁法。

濕陷性黃土地區(qū)灰土擠密樁加固原理:濕陷性黃土屬于非飽和的欠壓密土，其主要特征是孔隙比較大而干密度較小，這同時(shí)也是產(chǎn)生浸水濕陷性的根本原因。試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，當(dāng)使黃土的干密度及其壓實(shí)系數(shù)擠密系數(shù)達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可部分或完全消除其濕陷性?；彝翗稊D密法就是利用這一原理，通過原位深層擠壓成孔，使樁間土得到加密，并與分層夯實(shí)灰土的樁體構(gòu)成承載力較高的人工復(fù)合地基[4，5]。灰土樁在擠密地基中的作用主要有:1)分擔(dān)荷載;2)對(duì)土產(chǎn)生側(cè)向約束作用;3)提高地基的承載力和變形模量;4)增強(qiáng)消除濕陷性的效果。

灰土擠密樁是利用打樁機(jī)或振動(dòng)器將鋼套管打入地基土層并隨之拔出，在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入灰土夯實(shí)而成灰土樁。與夯實(shí)、碾壓等豎向加密方法不同，灰土擠密樁是對(duì)土進(jìn)行橫向加密。施工中當(dāng)套管打入地層時(shí)，管周地基土受到了較大的水平向擠壓作用，使管周一定范圍內(nèi)的土物理性質(zhì)得到改善，其密實(shí)度增加，壓縮性降低，濕陷性全部或部分消除。

灰土擠密樁的加固作用主要表現(xiàn)為樁間土擠密作用和灰土擠密樁樁體作用。

1)樁間土擠密作用:相鄰樁孔間擠密效果試驗(yàn)表明，在相鄰樁孔擠密區(qū)交界處擠密效果相互疊加，樁間土中心部位的密實(shí)度增大，且樁間土的密度變得均勻，樁距愈近，疊加效果愈顯著。樁間土具有擠密作用，通過擠密達(dá)到消除地基土的濕陷性和提高強(qiáng)度的目的。

2)灰土擠密樁樁體作用:灰土擠密樁是用石灰和土按一定體積比例拌合，并在樁孔內(nèi)夯實(shí)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)電荷的粘土顆粒相互吸附，形成膠體凝聚，并隨灰土齡期增長(zhǎng)，土體固化作用提高，使灰土逐漸增加強(qiáng)度。在力學(xué)性能上，它可達(dá)到擠密地基土的效果，提高地基承載力，消除濕陷性，并使沉降均勻，沉降差減小。

經(jīng)灰土擠密樁加固處理后，原土層受到擠壓，土質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，土粒重新組合，各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)變化較為明顯，樁間土擠密效果受樁孔夯填質(zhì)量影響較為明顯，樁孔夯填質(zhì)量較好的部位，即樁體密實(shí)度較高的部位，樁間土擠密效果也較好，復(fù)合地基的承載力也較高。在施工過程中一定要確保樁孔填夯質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)該注意樁孔夯填效果的均勻性。

當(dāng)灰土擠密樁與擠密土共同作用時(shí)，其置換率為:

其中，Ap為灰土樁的橫截面面積為每根灰土樁所承擔(dān)的處理地基面積

相應(yīng)的，復(fù)合地基承載力值經(jīng)驗(yàn)值為:

其中，fsp.k為復(fù)合地基承載力特征值;fpk為灰土樁的承載力特征值;fsk為土體擠密后強(qiáng)度。

2 工程概況

根據(jù)洛陽某勘察設(shè)計(jì)有限公司2011年9月1日提供的《三門峽市污水處理廠一期工程場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告》，三門峽場(chǎng)地各土層均屬第四系全新統(tǒng)～晚更新統(tǒng)沖、洪積作用形成的黃土狀粉土、細(xì)砂及卵石層，自上而下分為7層:①黃土狀粉土層:黃褐色，稍濕～濕，稍密，具大量針狀孔隙及蟲孔，濕陷性輕微～中等，層厚2.8 m～6.5 m;②黃土狀粉土層:淺黃色，稍濕～濕，稍密，具針狀孔隙及蟲孔，濕陷性輕微～中等，層厚1.5 m～5.6 m;③層:淺黃色，稍濕，稍密，具針狀孔隙，濕陷性輕微～中等，層厚3.0 m～5.9 m;④黃土狀粉土層:淺黃～棕黃色，稍濕，稍密，具針狀孔隙，濕陷性輕微～中等，層厚3.1 m～5.5 m;⑤黃土狀粉土層:淺黃色，稍濕～濕，稍密，具少量針狀孔隙，濕陷性輕微～中等，層厚2.0 m ～7.0 m，層底深度15.2 m ～22.3 m;⑥細(xì)砂層:灰黃色，稍濕，稍密～中密，顆粒較均勻，級(jí)配一般，顆粒形狀不規(guī)則，層厚0.5 m～2.8 m;⑦卵石層:灰褐、青灰等雜色，稍密，自然級(jí)配較好，未揭穿?？辈炱陂g，在勘探深度范圍內(nèi)未見地下水。

GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[6]及JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[7]的規(guī)定，灰土擠密樁設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用局部處理時(shí)，對(duì)非自重濕陷性黃土，每邊不應(yīng)小于基底寬度的0.25倍，并不應(yīng)小于0.50 m;對(duì)于自重濕陷性黃士地基，超出基礎(chǔ)底面的寬度每邊不應(yīng)小于基底寬度的0.75倍，并不應(yīng)小于1.00 m。當(dāng)采用整片處理時(shí)，超出基礎(chǔ)底面外緣的寬度，每邊不宜小于處理土層厚度的1/2，并不應(yīng)小于2 m?；彝翑D密樁處理地基的深度，應(yīng)根據(jù)建筑場(chǎng)地的土質(zhì)情況、工程要求和程控及夯實(shí)設(shè)備等綜合因素確定。

3 灰土擠密樁設(shè)計(jì)

三門峽擬建場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)，濕陷土層深度最大為22.2，各層土的天然含水量平均值為14.0% ～18.9%之間，飽和度平均值為38.0%～49.3%之間，根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件及建筑物使用要求，建議采用灰土擠密樁進(jìn)行整片地基處理。

根據(jù)場(chǎng)地地基土性質(zhì)要求，對(duì)于本建(構(gòu))筑物場(chǎng)地建議處理至第③層或第④層。在工程中采用孔徑370 mm，樁徑450 mm，樁距900 mm灰土擠密樁，呈等邊三角形布置，樁體回填材料采用3∶7灰土分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.97，灰土樁樁頂鋪設(shè)0.5 m的灰土墊層，分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)大于0.95。灰土擠密樁復(fù)合地基承載力特征值，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)單樁或多樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定。復(fù)合地基承載力經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

表1 復(fù)合地基承載力經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算數(shù)據(jù)表

根據(jù)公式得出置換率為22%，置換效果較明顯。初步設(shè)計(jì)時(shí)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)值公式計(jì)算得到復(fù)合地基承載力由土體承載力95 kPa提高為195 kPa?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)施工等因素影響，提出按承載力180 kPa設(shè)計(jì)布置灰土擠密樁。

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及擠密效果分析

試驗(yàn)采用壓重平臺(tái)反力裝置，整個(gè)測(cè)試過程由RS-JYB靜力載荷測(cè)試儀自動(dòng)完成。

加載分級(jí)見表2。

表2 加載分級(jí)表

根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[7]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表3。

取S1，S3，S6三點(diǎn)分別作P—S曲線，見圖1。

經(jīng)檢測(cè)，復(fù)合地基承載力為181 kPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，由圖1及表3分析，隨荷載分級(jí)增加，土體沉降量呈拋物線性型，土體較均勻。

5 結(jié)語

表3 復(fù)合地基荷載試驗(yàn)表

圖1 P—S曲線圖

根據(jù)檢測(cè)復(fù)合地基承載力發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，承載力由土體的95 kPa提高到181 kPa;從圖1中可以看出，灰土擠密樁在消除土的濕陷性，提高承載力上作用明顯。經(jīng)灰土擠密樁加固處理后，原土層受到擠壓，土質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，土粒重新組合，機(jī)理上也證明了采用灰土擠密樁法處理濕陷性黃土效果較好。從處理的總體效果分析，在保證施工質(zhì)量的前提下，如果承載力要求不高，樁孔之間的中心距離還可適當(dāng)加大。

選用灰土擠密樁時(shí)，應(yīng)從地質(zhì)情況，土體含水量等多方面考慮，保證施工工藝。試驗(yàn)驗(yàn)證灰土擠密樁與土體共同作用，作用明顯，擠密效果良好，灰土擠密樁對(duì)于消除土的濕陷性和減小滲透性，提高承載力等方面效果較為明顯，是濕陷性黃土地區(qū)地基處理的重要方式之一，因其具有就地取材、以土治土、原位處理、深層加密和費(fèi)用較低等特點(diǎn)，在我國(guó)西北及華北等黃土地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 呂清天，郭彥林.灰土擠密樁在濕陷性黃土地基中的應(yīng)用與研究[A].第六屆全國(guó)土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇[C].北京:清華大學(xué)，2008.

[2] 龔曉南.地基處理手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[3] 錢鴻晉.濕陷性黃土地基[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985.

[4] 王 臻.灰土擠密樁樁間土擠密效果的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2004:15-16.

[5] 孫霽月.灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基的研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007:6-8.

[6] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[7] JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].