灰土擠密樁在濕陷性黃土地區(qū)客運專線梁場地基處理中的應(yīng)用

康艷飛

（中鐵十七局集團有限公司，山西太原030006）

1 概述

鄭西客運專線灞河特大橋在DK444+350左側(cè)設(shè)臨潼制梁場。場地內(nèi)的黃土狀土具有濕陷性，濕陷性黃土的分布深度為2.50～8.50 m，濕陷系數(shù)最小0.000，最大 0.112,平均值0.022，自重濕陷系數(shù)最小值 0.004，最大 0.024，平均值 0.006，屬Ⅰ（輕微）～Ⅱ（中等）非自重濕陷性黃土場地，承載力特征值160 kPa。

場地內(nèi)地下水屬于潛水類型，地下水位埋藏深度在9.30～12.2 m之間。地下水主要為上覆黃土類土，粉質(zhì)粘土和砂類土中的孔隙水。其主要補給方式為大氣降水和地下徑流補給。并通過自然蒸發(fā)、人工開采和徑流排泄。

場地地基土的組成自上而下為：人工填土、第四紀全新世沖洪積黃土狀土、沖擊砂類土及粉質(zhì)粘土、第四紀晚更新世沖擊粉質(zhì)粘土等。

2 工藝原理

（1）黃土的強結(jié)構(gòu)性及孔隙是產(chǎn)生工后沉降的主要原因，灰土擠密樁技術(shù)由于在施工過程中因沖擊振動而對樁周土體充分擾動，使大孔隙黃土的原有結(jié)構(gòu)受到破壞，且變得結(jié)構(gòu)緊密，從而大大提高了抵抗?jié)裣莺驼裣莸哪芰Γ瑴p少了沉降。

（2）在成樁過程中，樁間土也受到很大側(cè)向擠壓力，同樣也被擠密加固，形成了強制擠密區(qū)、擠密區(qū)及擠密影響區(qū)，提高了樁周土體模量，減小地基整體壓縮變形。

（3）采用較重夯錘，孔內(nèi)加固原材料單位面積受到高動能、強夯擊，使地基土受到很高的預(yù)壓應(yīng)力，樁體強度高、模量大。實踐表明，處理后的地基浸水或加載都不會產(chǎn)生明顯的壓縮變形。

（4）由于樁體及樁間土均得到了有效加固，復(fù)合黃土地基的整體剛度較均勻。

3 灰土擠密樁的設(shè)計

客運專線梁場重要結(jié)構(gòu)物較多，主要有制梁臺座、存梁臺座、門吊（40 t～60 t）軌道基礎(chǔ)、輪軌式提梁機（900 t）軌道基礎(chǔ)等。該部分重要結(jié)構(gòu)物直接關(guān)系制梁、存梁、提梁、運梁的質(zhì)量和安全，對地基要求相當嚴格。一般其對地基的承載力特征值要求均在250 kPa以上，對地基的沉降特別是不均勻沉降極為敏感，其沉降要求以mm級，如制梁臺座承擔900 t客專箱梁、150 t模板及附屬設(shè)施、300 t自重等的荷載，工況復(fù)雜，初張拉制梁臺座兩端受力相當集中，其對地基的不均勻沉降要求控制在2 mm之內(nèi)。以上的梁場結(jié)構(gòu)物因為對地基變形有著特殊的要求，其地基和基礎(chǔ)設(shè)計均按甲級進行設(shè)計。

3.1 樁徑、樁孔間距、排距的確定

3.1.1 樁徑的確定

樁孔直徑宜為300～450 mm，設(shè)計樁徑時，根據(jù)當?shù)爻Ｓ迷O(shè)備規(guī)格、型號或成孔方法選用，參考西安當?shù)睾袜嵨骺蛯裣菪渣S土路基處理普遍選用樁徑為400 mm。

夯填后孔徑：根據(jù)重錘夯填擴孔經(jīng)驗公式，夯填后擴孔直徑：

D＝（1.1～1.2）d+30＝1.15×400+30≈500（mm）

3.1.2 樁孔間的中心距的確定

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025-2004）的規(guī)定，按三角形布置的灰土擠密樁的孔中心距：

式中：S——孔心距，m，待求；

D——擠密填料直徑，m，取0.5 m；

d——預(yù)鉆孔直徑，m，取0.4 m；

ρdmax——擊實試驗確定的最大干密度，g/cm3，據(jù)西安經(jīng)驗值為1.6 g/cm3；

ρd0——地基擠密前壓縮層范圍內(nèi)各層土的平均干密度，g/cm3,取地勘報告1.3 g/cm3；

ηc——填控后，三個孔之間土的擠密系數(shù)，取0.93。

得：S＝0.887 m，取 S＝0.9 m。

即為樁孔中心距取為0.9 m。

3.1.3 排距的確定

為使樁間土得到均勻擠密，樁孔布置成等邊三角形排列排距：

s＝0.866S＝0.866×0.9=0.799（m）

3.2 地基承載力的確定

據(jù)西安建筑設(shè)計院公式有：

式中：fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa，待求；

fpk——灰土樁承載力特征值，kPa，取為500 kPa；

fsk——天然地基承載力特征值，kPa，按地勘報告取為160 kPa；

A——有效加固面積m2，A＝Ap＋As；

Ap——灰土樁截面積，m2；

As——樁間土受壓面積，m2；

k1——系數(shù)，取為0.96；

k2——系數(shù)，取為1。

式中：m——置換率。

式中：d——樁身平均直徑；

de——一根樁分擔的地基面積的等效圓直徑，對等邊三角形布樁de＝1.05s（s為樁間距）。

得：m＝0.28

得：fskp＝250 kPa<（2×160 kPa＝320 kPa）

3.3 變形模量的確定和計算

根據(jù)公式：

式中：Ep——樁體的壓縮模量，對于灰土樁可取其變形模量值，根據(jù)西安一帶灰土擠密樁變形模量經(jīng)驗值一般為29～36 MPa，取平均值32 MPa；

Es——樁間土的壓縮模量，此處保守取為地勘資料6.48 MPa。

得：Esp＝mEp＋（1－m）Es＝13.62（MPa）

即為其壓縮模量。

3.4 確定灰土擠密樁參數(shù)

（1）樁徑沉管擠孔樁徑400 mm，重錘夯填料擴孔至500 mm；

（2）樁距900 mm，樁孔排距779 mm；

（3）置換率 0.28；

（4）樁長：根據(jù)現(xiàn)場黃土地基深度進行確定，以全部消除濕陷性黃土濕陷性為準，因其處理深度為中砂層頂面，有濕陷性黃土，其最大處理深度為8.5 m，保護樁長不小于0.5 m～0.7 m（做褥墊層前人工清除保護樁長）；

（5）樁身材料：樁身材料采用3:7灰土,摻加填料重量4%水泥,樁身填料夯后壓實系數(shù)不小于0.97，樁體無側(cè)限抗壓強度不小于1 MPa；

（6）處理后樁間土：處理后樁間土最小擠密系數(shù)不小于0.84，平均擠密系數(shù)不小于0.93；

（7）處理后復(fù)合地基承載力：處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于250 kPa；

（8）褥墊層：厚度500 mm，三七灰土，其壓實系數(shù)不小于0.95。

3.5 樁的布置

平面布置型式正三角形網(wǎng)格布置；其布置范圍應(yīng)按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）規(guī)定，超出建筑物外墻基礎(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，具體布置詳見圖1所示。

4 施工技術(shù)要點

4.1 工藝試驗

在應(yīng)用灰土擠密樁進行正式地基處理施工前，通過試驗確定天然地基土和制樁材料的最大干密度、最佳含水量及其擊實試驗曲線，并在現(xiàn)場選擇有代表性的地段進行試驗或試驗性施工，試驗內(nèi)容包含成孔、孔內(nèi)夯實質(zhì)量、樁間土擠密情況、單樁樁體強度和承載力特征值、樁間土承載力特征值、復(fù)合地基承載力特征值。試驗結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計要求，并取得必要的參數(shù)后再進行大面積地基處理施工。

4.2 成孔工藝

成孔采用錘擊或振動沉管。

（1）定樁位、樁機就位。根據(jù)樁基軸線標出樁位線并復(fù)測后，移動樁機至樁孔位置，機身應(yīng)平穩(wěn)，管樁應(yīng)對樁孔對正，并確保施工中不發(fā)生傾斜，位移。

圖1 鄭州至西安鐵路客運專線臨潼梁場灰土擠密樁平面布置圖

（2）成孔。成孔施工順序先外排后內(nèi)排，同排樁間隔1～2孔進行。

（3）檢查樁孔的深度、樁徑、和垂直度。樁孔中心偏差不宜超過樁距設(shè)計值的5%，樁孔垂直度偏差不宜大于1.5%。

4.3 灰土拌制

灰土按要求的灰土配合比，采用機械拌制至顏色均勻一致，邊拌邊加水達到試驗室確定的最佳含水量。灰土填料通過擊實試驗取得取大干密度和最佳含水量。

4.4 樁孔回填夯實

（1）夯實機就位后應(yīng)保持平整穩(wěn)固，夯錘與樁孔中心距要相互對中，使夯錘能自由下落孔底。

（2）夯填前應(yīng)檢查孔徑、孔深、孔的傾斜度、孔的中心位置，合格后還應(yīng)檢查樁孔內(nèi)有無雜物、積水和落土，若有，須清理干凈，填料前應(yīng)先夯實孔底（夯次不得小于8～10次），夯到有效深度以下30 cm～50 cm，直至空地發(fā)出清脆響聲為止，然后保證填料含水量接近最佳含水量的狀態(tài)下，定量分層夯填。

（3）人工填料應(yīng)指定專人按規(guī)定數(shù)量均勻填料，不得盲目亂填，更不允許用運料車直接倒料入孔。

（4）填料、夯擊交替進行，均勻夯擊至設(shè)計標高以上20 cm～30 cm時為止，樁頂至地面空檔可采用素土輕擊處理，待做樁上灰土墊層時，將超出設(shè)計樁頂?shù)臉额^和松動土層挖除。

（5）為保證夯填質(zhì)量，規(guī)定填入孔內(nèi)的填料量、填入次數(shù)、填料的拌和質(zhì)量、含水量、夯擊次數(shù)、夯擊時間等均應(yīng)有專人操作、記錄和管理，并對上述項目按不應(yīng)少于總樁數(shù)1.5%進行抽樣隨機檢查。對于施工完畢的樁號、排號、樁數(shù)應(yīng)逐個與施工圖對照檢查，如發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即返工或補填、補打。

4.5 質(zhì)量檢驗標準（見表1）

表1 質(zhì)量檢驗標準一覽表

4.6 施工注意事項

（1）在進行灰土擠密樁作業(yè)前應(yīng)在所在地充分進行勘察和調(diào)查，結(jié)合所在地區(qū)使用灰土擠密樁經(jīng)驗和工程實例分析，并選擇有成熟施工經(jīng)驗和機械的隊伍。在確定各種施工工藝前應(yīng)進行成樁工藝、樁身材料配合比、地基加固效果有關(guān)試驗工作，以證實灰土擠密樁方案的可行性并取得合理的設(shè)計和施工參數(shù)。

（2）松動層的預(yù)留：應(yīng)在基頂標高以上預(yù)留0.5 m～0.7 m松動土層，在做褥墊層前由人工清除，禁止使用挖機清除保護樁長，基底標高以上0.5 m宜采用人工開挖，防止樁端頭斷裂。

（3）原材：土料，盡量利用就地挖出純凈黃土，土料中有機質(zhì)含量不得超過5%，不得使用挖出的砂土，土料中不得含有磚塊、瓦礫、生活垃圾、雜土、和粒徑超過50 mm的碎石，土粒不得大于15 mm，含水量應(yīng)接近最優(yōu)含水量；石灰應(yīng)使用消解后石灰，粒徑不得大于5 mm，石灰質(zhì)量應(yīng)符合Ⅲ級以上標準，活性CaO＋MgO含量不低于50%；灰土配合比（體積比）為3∶7，當含水量超過最優(yōu)含水量的±3%時，應(yīng)予晾曬或灑水浸濕，在配置灰土過程中，需均勻加水浸濕、攪拌均勻、顏色一致，并應(yīng)隨拌隨填孔，不得隔日使用。

（4）在實際灰土擠密樁沉樁施工中，應(yīng)通過下沉難宜程度掌握土層變化規(guī)律，并采取相應(yīng)的措施，以確定樁底。

5 結(jié)語

在鄭西客專濕陷性黃土地區(qū)梁場地基處理中運用灰土擠密樁進行加固，取得了很好的效果。處理后的地基承載力均達到300 kPa以上，壓縮模量達到13.62 MPa，濕陷系數(shù)滿足了小于0.015的要求，在有效地消除黃土地基濕陷性的同時提高了梁場地基的承載能力。灰土擠密樁處理后的梁場地基滿足了設(shè)計對地基承載力的要求，能有效地控制地基的工后沉降，滿足梁場正常生產(chǎn)要求。