淺談灰土擠密樁法處理濕陷性黃土的機(jī)理

姜蘭芳

1 影響灰土擠密樁擠密效果的施工參數(shù)

灰土擠密樁加固作用的原理主要是與復(fù)合地基原理相關(guān)，這是由灰土擠密樁的性質(zhì)等因素決定的。根據(jù)上述原理及理論，我們可以分析得出:灰土樁的置換率、灰土樁的強(qiáng)度和灰土樁的長度是決定灰土擠密樁擠密效果的三個(gè)重要因素。

總結(jié)前人的研究成果，并結(jié)合相關(guān)的理論研究實(shí)際，我們可以得到處理后的樁間土的承載力特征值按下式估算:

其中，fspk為復(fù)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/d2e。

灰土樁的布置方法一般按正三角形布置。按正三角形布置時(shí)，de=1.05s。

樁體的直徑一般情況下是一個(gè)固定的值，這個(gè)值與設(shè)備的相關(guān)情況發(fā)生聯(lián)系，因此，處理后的復(fù)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(guān)，樁體的承載力特征值 fpk和樁間距s是控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)。

1)樁體的承載力特征值fpk。樁體的相關(guān)材料的組成、比例以及壓實(shí)度對樁體的承載力特征值 fpk產(chǎn)生直接的影響。一般情況下，針對樁體的相關(guān)材料中要包含黃土和消石灰，按照相關(guān)規(guī)定和要求所確定的灰土比一般為2∶8。

消石灰的參數(shù)要求為按JC/T 481-92標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為鈣質(zhì)消石灰粉的合格品，即有效氧化鈣和氧化鎂(CaO+MgO)含量不小于60%，含水率不大于0.2%～4%，0.9mm篩篩余不大于0.5%，0.125mm篩篩余不大于15%。黃土應(yīng)純凈，土料應(yīng)過篩，篩孔孔徑不大于20mm，含水量按擊實(shí)試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水量±2%。

確定樁體材料中的灰土比、消石灰質(zhì)量、黃土質(zhì)量等相關(guān)指標(biāo)和因素以后，對于樁體承載力特征值fpk產(chǎn)生影響最大的因素就變成了樁體的壓實(shí)系數(shù)。

影響樁體的承載力特征值 fpk的主要因素為樁體的壓實(shí)系數(shù)。按 GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范的相關(guān)要求，樁體的壓實(shí)系數(shù)不得小于 0.97。但由于現(xiàn)場施工設(shè)備的施工能力不同，達(dá)到樁體的壓實(shí)系數(shù)需要的回填灰土厚度不同。設(shè)備動力強(qiáng)，可一次回填的厚度大;動力差，則一次回填的灰土厚度小。

因此，最終決定樁體的承載力特征值fpk的具體施工參數(shù)為回填灰土厚度。

2)樁間距 s?；彝翗兜臉堕g距 s大小決定了樁土面積置換率，間距越大，面積置換率越低，復(fù)合地基中由樁體承擔(dān)的承載力越少，因此復(fù)合地基的承載力特征值越小。

為了消除黃土濕陷性，可以通過調(diào)節(jié)灰土樁的樁間距，因?yàn)檫@個(gè)間距最終決定了灰土樁的擠密效果。在進(jìn)行擠壓成孔操作時(shí)，是將樁孔原有的土強(qiáng)制向內(nèi)擠出，擠壓樁附近的土層，排除土中多余空氣，加大土的密實(shí)程度，從而有效的提高土的承載能力。土體擠密范圍，是從樁孔邊向四周減弱，孔壁邊土干密度可接近或超過最大干密度，也就是說壓實(shí)系數(shù)可以接近或超過 1.0，其擠密影響半徑通常為1.5d～2d(d為擠密樁直徑)，漸次向外，干密度逐漸減小，直至土的天然干密度，試驗(yàn)證明沉管對土體擠密效果可以相互疊加，樁距愈小，擠密效果愈顯著。

3)樁長。樁長設(shè)計(jì)的目的就是為了有效及時(shí)的消除地基濕陷性、提高地基承載力和減少沉降，從而有效地提升整個(gè)工程的質(zhì)量?；彝翗兜臉堕L應(yīng)穿透濕陷性黃土。在我國某些地區(qū)，諸如我國西北地區(qū)有大厚度黃土的情況下，這種情況就對樁提出了更高的要求，樁長不能穿透全部厚度的濕陷性黃土，灰土樁的樁長按灰土樁的單樁承載力用計(jì)算摩擦樁的方法計(jì)算。

根據(jù)上述分析結(jié)果，再結(jié)合我們多年來在實(shí)際施工中總結(jié)的部分經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在阜新—朝陽等類似的高速公路選擇樁間距s為1.1m和1.5m，填土厚度分別為0.5 m，0.8 m，1.1m，1.4m，1.7m，2.0m，2.3m和2.6m進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分兩個(gè)場地進(jìn)行，其中K 301+602～K301+622場地采用沉管成孔樁機(jī)成孔，夯錘強(qiáng)夯擠密壓實(shí);K 398+460～K 398+480場地采用沉管成孔樁機(jī)成孔，回填后用沉管成孔樁機(jī)擠密壓實(shí)。

2 灰土擠密樁的施工方案設(shè)計(jì)

2.1 灰土擠密樁的施工方案設(shè)計(jì)

成孔樁的直徑應(yīng)為0.4m左右，其形狀要布置成正三角形;而對于灰土樁的樁間距應(yīng)該控制在1.1m和1.50m各一組。樁體材料為消石灰和土，體積配合比 2∶8。樁體材料壓實(shí)度要不小于 0.97，樁間土壓實(shí)度要不小于 0.93。樁體材料分層回填并進(jìn)行擊實(shí)，夯擊次數(shù)和分層厚度根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

回填樁孔用的夯錘，宜采用倒置拋物線型錐體或尖錐型，錘重不宜小于100 kg。夯錘最大直徑應(yīng)比樁孔直徑小10 cm～16 cm。

2.2 灰土擠密樁的施工設(shè)備

1)成孔設(shè)備:沉管成孔樁機(jī)。

2)拌和設(shè)備:常規(guī)拌和設(shè)備。

3)夯擊設(shè)備:有兩種，K301+602～K 301+622場地采用夯錘強(qiáng)夯擠密壓實(shí)，回填樁孔用的夯錘，宜采用倒置拋物線型錐體或尖錐型，錘重不宜小于 100 kg。夯錘最大直徑應(yīng)比樁孔直徑小10 cm～16 cm;K398+460～K398+480場地采用沉管成孔樁機(jī)成孔擠密壓實(shí)。

2.3 灰土擠密樁的施工工藝流程

1)施工前的準(zhǔn)備工作，對相關(guān)地形進(jìn)行三維定位測量，并對施工場地進(jìn)行平整。2)對樁位進(jìn)行放樣，同時(shí)固定樁機(jī)的相對位置。3)成孔:沉管成孔。4)夯實(shí)孔底。5)回填夯實(shí):將相關(guān)的回填材料事先準(zhǔn)備好，按照次序依次填入孔內(nèi)。同時(shí)要根據(jù)錘的相關(guān)信息合理確定擠密時(shí)間。6)成孔和回填夯實(shí)的施工順序應(yīng)按照由外向里的順序依次進(jìn)行，同時(shí)要注意同排的間隔大概為1孔～2孔為宜。

2.4 灰土擠密樁的試驗(yàn)檢測

2.4.1 試樁前取土及試驗(yàn)

試樁前應(yīng)對試樁區(qū)的黃土性質(zhì)進(jìn)行勘察和試驗(yàn)。1)在試樁區(qū)布設(shè)至少兩個(gè)人工探井，深度大于預(yù)期加固深度 2m～3m，每間隔0.5m取一原狀土樣，進(jìn)行土的常規(guī)試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)，求得土的含水量、干濕密度、孔隙比、塑液限及濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)和起始濕陷壓力。2)在試夯區(qū)布設(shè)至少兩個(gè)位置，進(jìn)行連續(xù)動力觸探(標(biāo)準(zhǔn)貫入)，深度大于預(yù)期加固深度 2m～3m。3)場地土的擊實(shí)試驗(yàn):求得土的最佳含水量，最大干密度。4)樁體材料石灰質(zhì)量檢測:要求Ⅲ級以上的球磨生石灰粉。5)樁體材料的擊實(shí)試驗(yàn):按設(shè)計(jì)配合比制料，求得灰土的最佳含水量，最大干密度。

2.4.2 施工中檢測

1)施工中檢測要持續(xù)檢查石灰土的拌和質(zhì)量;2)施工中檢測要持續(xù)檢查樁孔深度、樁孔直徑;3)施工中檢測要持續(xù)檢查夯錘的相關(guān)情況，主要包括夯錘的夯擊次數(shù)、落距、每次夯擊回填灰土層頂高程、夯沉量等相關(guān)的信息。

2.4.3 施工后檢測

1)試樁施工結(jié)束 4周后，在樁間土布設(shè)至少兩個(gè)人工探井，深度大于加固深度2m～3m，每間隔0.5 m取一原狀土樣，對樁間土進(jìn)行含水量、干濕密度、孔隙比、塑液限等土的常規(guī)試驗(yàn)，對樁間土還要進(jìn)行濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)和起始濕陷壓力等濕陷性試驗(yàn)。

2)在試夯區(qū)布設(shè)至少兩個(gè)位置，進(jìn)行連續(xù)動力觸探(標(biāo)準(zhǔn)貫入)，深度大于加固深度2m～3m。

3)試樁施工結(jié)束 4周后，選擇不小于 3個(gè)樁體，進(jìn)行取樣，對樁間土進(jìn)行含水量、干濕密度、孔隙比、塑液限等土的試驗(yàn)。

4)試樁施工結(jié)束 4周后，選擇不小于 3個(gè)樁體，進(jìn)行樁體強(qiáng)度靜載荷試驗(yàn)。

3 灰土擠密樁法處治黃土濕陷性的基本結(jié)論

1)采用灰土擠密樁可以有效消除黃土濕陷性，但消除的效果與采用的設(shè)備和設(shè)計(jì)的樁間距有關(guān)。

以阜新—朝陽高速公路為例:當(dāng)采用的場地灰土擠密樁現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備為K301+602～K 301+622時(shí)，投料的合理厚度是1.1m左右，可以有效消除樁體內(nèi)黃土濕陷性的灰土擠密樁間距是 1.1m。

當(dāng)采用的場地灰土擠密樁現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備為 K398+460～K 398+480時(shí)，投料的合理厚度是 2.0m左右，可以有效消除樁體內(nèi)黃土濕陷性的灰土擠密樁間距是 2.0m。

按灰土比 2∶8樁間距1.3m條件下施工，樁體材料的壓實(shí)度達(dá)到95.19%～99.45%，樁間土的壓實(shí)度達(dá)到93.58%～95.19%，滿足了規(guī)范要求。根據(jù)施工后樁間土的干密度值為 1.75 g/cm3～1.78g/cm3，樁間土密實(shí)度大于0.87且滿足規(guī)范規(guī)定的密實(shí)度要求的結(jié)果，可以直接判定消除了黃土的濕陷性。

2)從對濕陷性黃土連續(xù)動力觸探的對比試驗(yàn)結(jié)果來分析:在灰土擠密操作時(shí)，連續(xù)動力觸探 10 cm的擊數(shù)一般為5擊～8擊;當(dāng)灰土擠密操作后，連續(xù)動力觸探 10 cm的擊數(shù)一般為 6擊～10擊;若實(shí)際操作過程中，遇到砂層，則這時(shí)連續(xù)動力觸探擊數(shù)會突然變大，一般連續(xù)動力觸探擊數(shù)將達(dá)到 10擊～17擊。

3)灰土樁處治施工后黃土的密實(shí)度值大于 0.87，也可以直接用黃土的密實(shí)度值大于 0.87進(jìn)行檢測判定。考慮規(guī)范對灰土樁施工規(guī)定的樁間土密實(shí)度為大于 0.9，施工中應(yīng)采用樁間土密實(shí)度為大于0.9(90%)實(shí)際控制。

4 灰土擠密樁的現(xiàn)場施工中常見質(zhì)量問題與處理

1)擠密成孔困難，場地大面積出現(xiàn)縮孔、回淤、場地隆起等現(xiàn)象。這種問題嚴(yán)重影響整個(gè)工程的整體質(zhì)量，而這種問題產(chǎn)生主要是由以下幾方面引起的:a.沒有對巖土的狀況有全面的了解和防范，對其中的一些相關(guān)指標(biāo)沒有細(xì)致分析;b.對現(xiàn)場的情況沒有進(jìn)行實(shí)地的勘察和分析，可能存在土的含水量、飽和度等指標(biāo)數(shù)值過高的情況，或者某些地方存在軟弱層。

2)土或灰土擠密樁復(fù)合地基承載力低。造成此種工程質(zhì)量問題的原因主要有:天然地基承載力本身過低，樁心距選取不合理，樁體回填料夯實(shí)質(zhì)量差。地基土含水量過高，擠密效果差，擠密后樁周土形成的超孔隙水壓力消散困難，導(dǎo)致承載力不升反降。

3)未完全消除樁間土的濕陷性或者消除情況較差。這種問題也會對工程的整體質(zhì)量產(chǎn)生影響，其產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)闃缎木嗟某叽绱嬖趩栴}，或者成樁樁徑的尺寸存在問題，沒有滿足設(shè)計(jì)要求，從而容易導(dǎo)致擠密效果差等現(xiàn)象。

4)樁體回填料壓實(shí)質(zhì)量較差。此種工程質(zhì)量問題多為施工單位原因造成，對于樁身回填料質(zhì)量沒有嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)控制，在回填和夯實(shí)過程中，事前沒有進(jìn)行回填量及夯擊次數(shù)試驗(yàn)，或施工過程中責(zé)任心不強(qiáng)隨意改變夯實(shí)擊數(shù)和回填量。

5)樁間土擠密系數(shù)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這種問題產(chǎn)生的原因是因?yàn)闃缎木嗟某叽邕x擇不合理，同時(shí)施工工藝過程中也沒有完全滿足設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致問題產(chǎn)生。

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