灰土擠密樁法處理濕陷性黃土地基初探

連少軍

濕陷性黃土屬于不良地質,先期穩定后,受水浸濕,土結構迅速破壞,并產生顯著附加下沉[1],故在濕陷性黃土場地上進行施工時,應根據場地的重要性、地基受水浸濕可能性的大小和在使用期間對不均勻沉降限制的嚴格程度,采取消除濕陷性的措施,防止地基上部結構主體產生危害,從而更好的進行基礎設施建設[2,3]。灰土擠密樁法在處理濕陷性黃土地基、消除濕陷性等方面有比較明顯的作用,本文將著重介紹灰土擠密樁擠密作用機理與影響處理效果的施工參數,并通過工程實例對處理效果進行驗證。

1 黃土濕陷性分類標準

我國一直按假定濕陷量進行濕陷程度的評定,假定濕陷量,是按室內試驗測定的固定壓力下的濕陷系數計算得來的[3]。根據GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范規定,黃土的濕陷性應按室內壓縮試驗,在一定壓力下測定的濕陷系數值δs判定,并應符合下列規定[4]：

1)當濕陷系數δs＜0.015時,應定為非濕陷性黃土;2)當濕陷系數δs≥0.015時,應定為濕陷性黃土。

濕陷系數δs值應按下式計算：

其中,hp為保持天然的濕度和結構的試樣,加壓至一定壓力時,下沉穩定后的高度,mm;hp′為上述加壓穩定后的土樣,在浸水(飽和)作用下,下沉穩定后的高度,mm;h0為試樣的原始高度,mm。

濕陷性黃土的濕陷程度,可根據濕陷系數δs值的大小分為以下三種[4]：

1)當 0.015≤δs≤0.03時,濕陷性輕微;2)當0.03＜δs≤0.07時,濕陷性中等;3)當δs＞0.07時,濕陷性強烈。

2 灰土擠密樁法的特點及適用范圍

灰土擠密樁在使用中有以下特點：主固化料為消石灰,樁體材料可多樣、可就地取材,可用多種工藝施工,如：沉管、沖擊、爆擴、人工挖孔和人工夯實等多種方法;設備簡單,便于推廣,施工速度快,造價低廉,可大量使用工業廢料;樁體強度可達到0.5 MPa～4 MPa,復合地基承載力可達到250 kPa,樁間土經擠密后可大幅度提高承載力。

灰土擠密樁適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基,施工時,先按設計方案在基礎平面位置布置樁孔并成孔,然后將備好的素土(粉質黏土或粉土)或灰土在最優含水量下分層填入樁孔內,并分層夯(搗)實至設計標高止。通過成孔或樁體夯實過程中的橫向擠壓作用,使樁間土得以擠密,從而形成復合地基。值得注意的是,不得用粗顆粒的砂、石或其他透水性材料填入樁孔內。但除人工挖孔、人工夯實的施工工藝外,大多數工藝都存在一定的振動和噪聲,因而使用上受到某些限制。

3 灰土擠密樁法作用機理

灰土擠密樁人工復合地基適合于處理地下水位以上、深度在5 m～15 m(＜5 m則不經濟)、含水量在14%～23%的濕陷性黃土地基[1]。此種方法利用錘擊打入或振動沉管的方法在土中形成樁孔,然后在樁孔中分層填入素土或灰土等填充料,在成孔和夯實填料的過程中,原來處于樁孔部位的土全部被擠入周圍土體,通過這一擠密過程,從而徹底改變土層的濕陷性質并提高其承載力。其主要作用機理分三部分：

1)打樁擠壓成孔時,土被橫向壓縮,使樁周土孔隙比減小,土中氣在三項比例中的比例減少,增加了土的密實度,降低了土的壓縮性,從而改善了土的物理力學性能,提高承載力。擠密影響半徑通常為1.5倍～2倍樁徑,離樁愈近擠密效果愈好,而且擠密效果可以相互疊加,樁距愈小,擠密效果愈顯著。2)樁與其周圍被擠密后的土體共同形成了復合地基,一起承受上部荷載。在擠密樁長度范圍內土體的濕陷性完全被消除。一般來說,擠密樁可以按等邊三角形布置,這樣可以達到均勻的擠密效果。3)土體中的水與灰土擠密樁中的石灰發生水化反應生成Ca(OH)2,可以使土體中的自由水減少;降低含水量,同時在形成Ca(OH)2的過程中放出大量的熱,使未被吸收的水部分汽化,因此土體中孔隙水壓力降低,土體加密,有效土壓力增大,地基固結,承載力提高。

4 影響灰土擠密樁法效果的參數

根據復合地基理論,處理后的樁間土的承載力特征值按下式估算：

其中,fspk為復合地基的承載力特征值;fpk為樁體的承載力特征值;fsk為樁間土的承載力特征值;m為樁土面積置換率,m=d2/de2。

灰土樁的布置按正三角形布置時,de=1.05s。樁體直徑d因設備不同而異,但在同一工程中一般相同。因此,處治后的復合地基的承載力特征值fspk就只與樁體的承載力特征值fpk和樁間距s有關,樁體的承載力特征值fpk和樁間距s是控制施工質量的關鍵性指標。

5 工程實例

北方某黃土濕陷性場地,設計樁間距為1 m,投料厚度為0.9 m,采用振動式沉管樁機和樁孔夯實機,夯實機錘重160 kg,單點夯擊次數為10擊。

對該場地試驗前、后取樣,對物理指標進行統計,得到主要物理指標對比曲線如圖1～圖4所示。

綜合分析以上數據,得到以下結論：

1)采用樁間距1 m的灰土擠密樁,用160 kg夯錘單點夯擊次數10擊的方法強夯進行灰土擠密樁施工,可以有效的對地基土擠密壓實,消除黃土的濕陷性,增加土的承載力,增大壓縮模量,降低孔隙比,地基處理效果較好。2)濕陷性黃土連續動力觸探10 cm的擊數一般為4擊～7擊,通過樁間距1 m的灰土擠密樁處理后的濕陷性黃土連續動力觸探10 cm的擊數一般可增加2擊～4擊,因此,可以用試驗前后的動力觸探對比判定場地土的處理效果。

6 結語

介紹了灰土擠密樁法的特點和適用范圍,闡述了灰土擠密樁法的作用機理與影響處理效果的參數,并通過北方某場地的實際工程對灰土擠密樁法的處理效果進行了對比,可以看出在樁間距1.0 m情況下,可以有效消除黃土濕陷性,達到該場地對地基處理的要求。

[1]牛志榮.地基處理技術及工程應用[M].北京：中國建材工業出版社,2004.

[2]馮連昌,鄭晏武.中國濕陷性黃土[M].北京：中國鐵道出版社,1982.

[3]高國瑞.我國黃土濕陷性質的形成研究[J].南京建筑工程學院學報,1994(2)：20-24.

[4]GB 50025-2004,濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[5]常曉波.灰土擠密樁處理濕陷性黃土設計要點小結[J].山西建筑,2009,35(33)：130-131.