灰土擠密樁在濕陷性黃土地區客運專線梁場地基處理中的應用

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左側設臨潼制梁場。場地內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，濕陷系數最小0.000，最大 0.112,平均值0.022，自重濕陷系數最小值 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、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、沖擊砂類土及粉質粘土、第四紀晚更新世沖擊粉質粘土等。

2 工藝原理

（1）黃土的強結構性及孔隙是產生工后沉降的主要原因，灰土擠密樁技術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構受到破壞，且變得結構緊密，從而大大提高了抵抗濕陷和振陷的能力，減少了沉降。

（2）在成樁過程中，樁間土也受到很大側向擠壓力，同樣也被擠密加固，形成了強制擠密區、擠密區及擠密影響區，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壓應力，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，復合黃土地基的整體剛度較均勻。

3 灰土擠密樁的設計

客運專線梁場重要結構物較多，主要有制梁臺座、存梁臺座、門吊（40 t～60 t）軌道基礎、輪軌式提梁機（900 t）軌道基礎等。該部分重要結構物直接關系制梁、存梁、提梁、運梁的質量和安全，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模板及附屬設施、300 t自重等的荷載，工況復雜，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。以上的梁場結構物因為對地基變形有著特殊的要求，其地基和基礎設計均按甲級進行設計。

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，設計樁徑時，根據當地常用設備規格、型號或成孔方法選用，參考西安當地和鄭西客專濕陷性黃土路基處理普遍選用樁徑為400 mm。

夯填后孔徑：根據重錘夯填擴孔經驗公式，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《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025-2004）的規定，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，據西安經驗值為1.6 g/cm3；

ρd0——地基擠密前壓縮層范圍內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，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

據西安建筑設計院公式有：

式中：fspk——復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，取為0.96；

k2——系數，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，根據西安一帶灰土擠密樁變形模量經驗值一般為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

（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：根據現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不小于0.97，樁體無側限抗壓強度不小于1 MPa；

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

（7）處理后復合地基承載力：處理后復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，其壓實系數不小于0.95。

3.5 樁的布置

平面布置型式正三角形網格布置；其布置范圍應按照《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2002）規定，超出建筑物外墻基礎底面外緣的寬度，每邊不宜小于處理土層厚度的1/2，并不應小于2 m，具體布置詳見圖1所示。

4 施工技術要點

4.1 工藝試驗

在應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，并在現場選擇有代表性的地段進行試驗或試驗性施工，試驗內容包含成孔、孔內夯實質量、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、復合地基承載力特征值。試驗結果應滿足設計要求，并取得必要的參數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。根據樁基軸線標出樁位線并復測后，移動樁機至樁孔位置，機身應平穩，管樁應對樁孔對正，并確保施工中不發生傾斜，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?；彝撂盍贤ㄟ^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）夯實機就位后應保持平整穩固，夯錘與樁孔中心距要相互對中，使夯錘能自由下落孔底。

（2）夯填前應檢查孔徑、孔深、孔的傾斜度、孔的中心位置，合格后還應檢查樁孔內有無雜物、積水和落土，若有，須清理干凈，填料前應先夯實孔底（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下，定量分層夯填。

（3）人工填料應指定專人按規定數量均勻填料，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，將超出設計樁頂的樁頭和松動土層挖除。

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

4.5 質量檢驗標準（見表1）

表1 質量檢驗標準一覽表

4.6 施工注意事項

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

（2）松動層的預留：應在基頂標高以上預留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，含水量應接近最優含水量；石灰應使用消解后石灰，粒徑不得大于5 mm，石灰質量應符合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，當含水量超過最優含水量的±3%時，應予晾曬或灑水浸濕，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，應通過下沉難宜程度掌握土層變化規律，并采取相應的措施，以確定樁底。

5 結語

在鄭西客專濕陷性黃土地區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，滿足梁場正常生產要求。