江來(lái)云

(中鐵五局集團(tuán)機(jī)械化工程有限責(zé)任公司，湖南 衡陽(yáng) 421000)

我國(guó)60%左右的黃土都是由濕陷性黃土構(gòu)成，且絕大部分位于我國(guó)的黃河中游地區(qū)，其面積大約達(dá)到了27萬(wàn)km2。濕陷性黃土的這種分布，使我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)中的很多基礎(chǔ)建設(shè)、鐵路公路建設(shè)時(shí)，都要面臨濕陷性黃土地基處理這一問(wèn)題。隨著我國(guó)對(duì)交通事業(yè)的大力發(fā)展，高速鐵路、客運(yùn)專(zhuān)線鐵路、城際鐵路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，高等級(jí)鐵路對(duì)路基工程工后沉降控制要求十分嚴(yán)格，沉降控制成為路基工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此如何處理濕陷性地基成了急需解決的難題，目前常見(jiàn)的處理方法有強(qiáng)夯法、墊層法、樁基礎(chǔ)、化學(xué)加固法、預(yù)浸水法、柱錘沖擴(kuò)樁處理法等等。如劉智[1]闡述了強(qiáng)夯法的運(yùn)用過(guò)程，有效處理了濕陷性黃土地基沉陷問(wèn)題。劉春[2]則對(duì)黃土濕陷性地基帶來(lái)的影響和其破壞形態(tài)進(jìn)行了分析,深入了解濕陷性黃土,并綜合各種因素探討了渠道濕陷性黃土地基的處理方式。然而柱錘沖擴(kuò)樁適應(yīng)性強(qiáng)、效果好[3]，因此廣泛運(yùn)用于濕陷性黃土地基處理中[4]。本文以銀西高速鐵路甘寧段工程為背景，系統(tǒng)的分析濕陷性黃土易沉降的根本原因，然后提出柱錘沖擴(kuò)樁處理該地基的基本原理，運(yùn)用柱錘沖擴(kuò)樁來(lái)處理地基沉陷過(guò)大的問(wèn)題，使得地基承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為今后解決類(lèi)似問(wèn)題提供工程借鑒意義。

1 工程背景

如圖1所示，本項(xiàng)目位于陜甘寧交界處，地層上部均為自重濕陷性黃土，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)～Ⅳ級(jí)，濕陷土層厚度最大約30 m。

在施工點(diǎn)處地層主要為砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、沖積細(xì)圓礫土，下伏白堊系砂巖夾泥巖。其工程地質(zhì)特征如表1所示。

表1 試驗(yàn)地基土層物理指標(biāo)

2 濕陷性黃土破壞原因

濕陷性黃土地基在局部荷載作用下，不僅產(chǎn)生豎向變形，而且產(chǎn)生水平位移。其主要原因是浸水狀態(tài)下土體自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，抗剪強(qiáng)度也急劇降低，側(cè)向極限能力大大削弱。在多種因素的共同作用下，使得地基出現(xiàn)大量側(cè)向擠壓，導(dǎo)致濕陷性的擴(kuò)展。對(duì)于自重濕陷性黃土來(lái)說(shuō)，由于在重力作用下，濕陷變形區(qū)各水平面被水浸泡后沒(méi)有壓差，因此不存在側(cè)向擠壓現(xiàn)象，但在外荷載作用下，附加應(yīng)力范圍內(nèi)存在側(cè)向擠壓現(xiàn)象。通常，最大壓力發(fā)生在基礎(chǔ)周?chē)拇怪倍紊希⑶壹性诨A(chǔ)寬度的1.0倍～1.5倍的深度范圍內(nèi)。當(dāng)基底壓力或壓力較大時(shí)，側(cè)向擠壓的水平范圍和影響深度也較大。

3 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)步驟

3.1 柱錘沖擴(kuò)樁作用原理

柱錘的沖擴(kuò)樁技術(shù)是借鑒了土樁、強(qiáng)夯置換等施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的[5]。采用柱錘進(jìn)行沖擊擴(kuò)徑樁，采用直徑為300 mm～500 mm，長(zhǎng)度為2 m～6 m,質(zhì)量為1 t～8 t的細(xì)長(zhǎng)柱錘。主要用于提升5 m～10 m的高度，將地基土打入孔內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)深度數(shù)次，填充樁柱夯擴(kuò)樁，并與樁間土相互作用。其中，柱錘沖擊擴(kuò)徑樁的處理方法是在沖擊鉆進(jìn)過(guò)程中，對(duì)樁位原土進(jìn)行強(qiáng)制擠壓，對(duì)側(cè)向土產(chǎn)生擠壓作用[6]。錘底土體受到強(qiáng)烈沖擊，孔底土體被夯實(shí)。在成樁過(guò)程中，將夯實(shí)的填料擠入樁周土中，樁徑不斷擴(kuò)大到1.5d～2.5d(d為孔徑)。樁間土進(jìn)一步夯實(shí)，特別是復(fù)鉆施工中的樁間土的夯實(shí)效果更好。原狀土不斷壓實(shí)，沖擴(kuò)成孔時(shí)孔隙不斷壓縮，在瞬時(shí)荷載作用下，土體中產(chǎn)生較大的沖擊波，破壞土體原有結(jié)構(gòu)，局部液化，產(chǎn)生大量裂縫，增加排水渠道，排水順暢。超孔隙水壓力消散后，土體在樁周(1.5d～2d)內(nèi)發(fā)生塑性變形，達(dá)到強(qiáng)夯效果[7-9]。在柱錘沖擊過(guò)程中，對(duì)孔邊土體進(jìn)行切割和擠壓，并對(duì)孔底土體進(jìn)行夯實(shí)，對(duì)樁間和樁底土體具有壓實(shí)作用。

隨著柱錘深度的增加，上覆土壓力增大，壓實(shí)效果增強(qiáng)。柱錘孔內(nèi)壓實(shí)機(jī)理不同于強(qiáng)夯。強(qiáng)夯是將地表土層夯實(shí)[10]。壓實(shí)效果與深度直接相關(guān)，隨著深度的增加，壓實(shí)效果逐漸減弱。當(dāng)鉆孔達(dá)到一定深度時(shí)，由于上覆土壓力和樁側(cè)土的約束，壓實(shí)效果較好。

3.2 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)采用機(jī)械設(shè)備有CFG23型液壓步履式長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)、卷?yè)P(yáng)提升式夯機(jī)(錘重3 t)、小型裝載機(jī)，如圖2，圖3所示。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試樁位置擬設(shè)于DK385+109.23～DK385+441.73段區(qū)間路基，樁徑0.6 m，樁間距1.4 m，樁長(zhǎng)8 m，樁位按正三角形布置。按長(zhǎng)螺旋成孔工藝進(jìn)行，預(yù)成孔直徑40 cm，成孔后夯擊成孔直徑為60 cm，本次試驗(yàn)42根柱錘沖擴(kuò)樁。

施工時(shí)，樁體應(yīng)呈梅花形布置，間距為一孔。每7根樁分成一組(外圍6根，中間1根)。成孔后回填，在處理過(guò)程中，由外向內(nèi)進(jìn)行施工。

試樁共分六組，每組7根。當(dāng)螺旋成孔后，夯錘對(duì)準(zhǔn)樁孔中心，自由下落至孔底，孔底夯擊不少于4次，當(dāng)聽(tīng)到清脆的錘擊聲后，開(kāi)始進(jìn)行回填夯擊。每次夯擊次數(shù)以聽(tīng)到清脆的錘擊聲為止，并記錄夯擊次數(shù)，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 柱錘沖擴(kuò)樁工藝性試驗(yàn)參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)第一、二、三組試驗(yàn)樁的檢測(cè)，根據(jù)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，該場(chǎng)地水泥土柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基承載力特征值f=213 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。原狀土地基承載力特征值f=132 kPa。其次該場(chǎng)地3口探井土樣濕陷系數(shù)均小于0.015，說(shuō)明濕陷性已全部消除。并且樁間土平均擠密系數(shù)ηc=0.93～0.94，均不小于0.90，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；樁身水泥土壓實(shí)系數(shù)λc=0.97～0.99均不小于0.97，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。且由圖4可知，三組試驗(yàn)段地基靜載試驗(yàn)中最大的沉降值分別為4.03 mm,15.62 mm和7.10 mm，都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的綜合反映，樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)得到明顯改善，完全消除了黃土的濕陷性。樁徑遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求。該施工技術(shù)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，表明該技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)、可行、有效的黃土地基處理方法。

5 數(shù)值模擬

為了能夠讓所建立的模型盡可能的能和原始地質(zhì)條件相吻合，同時(shí)為了方便數(shù)學(xué)計(jì)算，所以需要對(duì)原始的地質(zhì)條件進(jìn)行一定的設(shè)想與簡(jiǎn)化。結(jié)合實(shí)際工程概況，把數(shù)值模型中的巖土設(shè)定為連續(xù)均勻的介質(zhì)，模型的尺寸為半徑×高度=1 m×2 m的圓柱體，模型如圖5所示，因此在模型的上邊界施加一個(gè)由0 kN緩慢加大到466 kN再減少到0 kN(加壓與泄壓)，如圖6所示，并監(jiān)測(cè)試件頂面中點(diǎn)的位移，約束條件為底部全約束，其他面不做約束。試塊力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試塊力學(xué)參數(shù)

模擬檢測(cè)曲線結(jié)果如圖7所示，在荷載逐步增大的過(guò)程中，頂面中點(diǎn)也在不斷的往下位移，起始位移的速率比較小，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)速率不斷地加大，最后達(dá)到最大位移為16 mm，接下來(lái)突然卸載，曲線有所下降，說(shuō)明在卸載之后試件恢復(fù)了一小部分的變形，最后變形量穩(wěn)定在了15.7 mm，與實(shí)際工程結(jié)果相吻合。

6 結(jié)論

1)在柱錘沖擴(kuò)樁作用下，樁孔中的土體在剪切作用下橫向擠壓，形成被動(dòng)破壞區(qū)。樁間表土在被動(dòng)土壓力的作用下被抬升。隨著深度的增加，柱錘在孔內(nèi)形成較強(qiáng)的壓實(shí)作用，孔下土體在壓縮機(jī)制下形成主壓實(shí)區(qū)和次壓實(shí)區(qū)。沖孔深度越大，壓實(shí)范圍越大。

2)柱錘沖擴(kuò)樁處理濕陷性地基時(shí)，隨著夯擊次數(shù)的增加地基的承載能力得到提升，試驗(yàn)可知選用水泥土回填厚度為80 cm，錘重3 t，錘距為2 m，錘擊次數(shù)8錘時(shí)，樁頂以上2 m范圍內(nèi)夯擊10錘，綜合效果最好。

3)在地基靜載試驗(yàn)中，地基沉降值隨荷載的增大而增大，樁土中水泥土的平均壓實(shí)度達(dá)到0.97(輕夯標(biāo)準(zhǔn))。樁間土的平均壓實(shí)度達(dá)到0.93(輕壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn))，s<0.015。試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。