自重濕陷性黃土地基處理方法及其參數的研究與應用

武 勝，趙亞平，王廣超

（1.徐州長城基礎工程有限公司，江蘇 徐州 221006；2.江蘇省礦業工程集團有限公司，江蘇 徐州 221006）

1 項目概況

徐州礦務集團有限公司150萬t/a甲醇項目建于寶雞市鳳翔縣長青煤化工工業園區內，首期工程為60萬t/a甲醇生產裝置及配套的輔助和公用工程設施，總投資約38.5億元。

2 場地工程地質條件

2.1 場地位置、地形地貌

擬建場地位于陜西省寶雞市鳳翔縣長青工業園內，南距寶雞市約35km，東距鳳翔縣城約15km。地形相對平坦，地面標高介于677.89～689.87m之間。擬建場地長1066.7m，寬500m，約53.3hm2，建筑物占地面積約16.4hm2。

2.2 水文地質條件

擬建場地地處內陸，夏季炎熱多雨，冬季干燥少雨，年內降雨分布不均，主要集中在7～9月份，夏季降水量最高為235.1mm，年平均降水量610mm，且地基土垂直節理發育，多根孔、蟲孔，滲透系數達5～6m/d，因而一般無地表水積存。

擬建場區勘探深度范圍內未見地下水，含水層主要為50m以下的砂礫石層，水力坡度0.022左右，滲透系數12m/d，影響半徑300m，排泄暢通，徑流條件好，抽水降深好，單井涌水量為30m3/h左右。

2.3 擬建場地地基土的構成及黃土濕陷性評價

2.3.1 擬建場地黃土濕陷性評價

擬建場地位于中國濕陷性黃土分布圖中的關中地區。據場地巖土勘察報告表述，場地土主要由耕土、黃土、古土壤及卵石組成，場地內黃土層均具有濕陷性，如黃土②（Q32eol）、黃土③（Q32eol）、黃土⑤（Q31eol）等，而古土壤則沒有濕陷性或局部有輕微濕陷性，濕陷性由淺到深逐步減弱。場地內地基濕陷性黃土平均埋深20.43m，最大深度為27.0m。濕陷系數δs在0.015～0.105之間，自重濕陷系數δzs在0.017～0.056之間，地基濕陷等級為I～IV級，屬典型的濕陷性黃土。根據各探孔濕陷性分布情況計算判定擬建場地濕陷等級為Ⅱ級（中等），但場地濕陷分布不均勻，濕陷等級區劃無序可循，地基處理設計時應按濕陷等級Ⅲ級（嚴重）設計。

2.3.2 黃土濕陷性的危害

濕陷性黃土是一種特殊性質的土，在一定的壓力下，受水浸濕，土結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉。自重濕陷性黃土是在上覆的自重壓力下受水浸濕，發生顯著附加下沉的濕陷性黃土。濕陷性黃土地基的濕陷變形往往是不均勻的，屬于失穩型的地基變形，一般在1～2d內就可能產生20～30cm變形量。這種數量大、速度快、且又不均勻的地基變形是建筑物所難以適應的，往往會造成水塔、煙囪等高聳構筑物嚴重傾斜，房屋墻身破壞，梁、柱等承重結構開裂以及機器基礎傾斜等惡果。故在濕陷性黃土場地上進行項目建設，應根據建筑物的重要性、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，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷性對建筑物、構筑物產生危害。

3 地基處理方法的確定

根據《濕陷性黃土地區建筑地基基礎設計規范》（GB50025-2004）規定，在濕陷性黃土上進行工程建設時，首先必須對濕陷性土層進行地基處理。目前國內常用的地基處理方法有墊層法、重錘夯實法、擠密樁法、預浸水法等。

由于本項目擬建場地濕陷性土層厚，處理深度深，墊層法和重錘夯實法處理深度較淺，預浸水法適用于空曠的獨立裝置，不適用于裝置密集區，而擠密樁法適用條件與擬建場地基本吻合，所以本工程擬采用擠密樁法進行地基處理，即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；或者采用長螺旋取土成孔，然后在樁孔中分層填入素土利用重錘夯擴。在成孔及填料夯擴的過程中，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。灰土擠密樁和素土樁地基一般適用于地下水位以上含水量14%～22%的濕陷性或自重濕陷性黃土，此種地基處理方法適用范圍較廣。

4 擠密樁法施工工藝的分析與確定

4.1 擠密樁法施工工藝分析

擠密樁法通常有三種施工工藝：沉管擠密樁、孔內深層強夯擠密法（DDC工法）、柱錘沖擴樁法。

4.1.1 沉管擠密樁

利用打樁機或振動器將鋼套管打入地基土層中并隨之拔出，或是利用炸藥爆擴等方法，在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入素黃土或灰土并夯實而形成（灰）土樁。

4.1.2 孔內深層強夯擠密法（DDC工法）

孔內深層強夯擠密法（也稱DDC工法），是通過機具成孔，再向孔內填充材料，用高動能夯錘，分段進行沖、砸、擠壓、夯擊，使地基土側向擠壓變形，從而達到地基土加固的目的。

4.1.3 柱錘沖擴樁法

實施柱錘沖擴樁復合地基 主要采用直徑300～500mm、長2～6m、質量1～8t的柱狀細長錘，提升5～10m高，自由下落對地基土層沖擊成孔，反復幾次達到設計深度；然后邊添料邊用柱錘夯實形成擴大樁體，并與樁間土共同工作，形成柱錘沖擴樁復合地基。

4.2 擠密樁施工工藝的確定

根據上述常用的三種擠密樁施工工藝自身的優缺點，結合建設場地濕陷類型、濕陷強度及本工程建筑物的類別，本工程擬選用沉管擠密樁法處理丙類建筑物地基黃土濕陷性；選用DDC工法處理甲類和乙類建筑、構筑物地基黃土濕陷性；由于本工程各類建筑物要求的復合地基承載力均大于180kPa，而柱鍾沖擴樁法處理地基后的復合地基承載力特征值較小，一般不超過160kPa，所以不采用柱鍾沖擴樁法。

5 擠密樁施工參數的研究

根據《濕陷性黃土地區建筑地基基礎設計規范》（GB 50025-2004）規定，各類建筑的地基處理應符合下列要求：（1）甲類建筑應消除地基的全部濕陷量或采用樁基礎穿透全部濕陷性土層，或將基礎置在非濕陷性土層上；（2）乙、丙類建筑應消除地基的部分濕陷量。

根據上述規定，擬建場地內甲類建筑、構筑物應處理基礎底面以下的全部濕陷性黃土層；乙類建筑物地基處理厚度不應小于濕陷性土層深度的2/3，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應大于150mm；丙類建筑物當地基濕陷等級為Ⅲ級或Ⅳ級時，對多層建筑宜采用整片處理，地基處理厚度分別不應小于3m或4m，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量，單層及多層建筑均不應大于200mm。因此，計算后的沉管擠密樁樁長均將超過18m，而目前國內普遍使用的成樁機樁管長度不超過14m，所以沉管擠密樁樁長一般應小于14m，如超過14m，不僅下管、拔管困難，且機械穩定性差，施工安全得不到保障。因此，如果完全按照規范要求根據剩余濕陷量來控制樁長，沉管擠密樁法將不能用于本項目地基處理。DDC法雖然處理深度可滿足要求，但DDC法成孔采用的是向外取土，再使用重鍾進行夯填的施工工藝，其擠密效果不如沉管擠密樁。如何調整擠密樁的參數（樁長、樁徑、樁間距），使地基處理后的擠密效果既符合規范要求，同時又施工簡便、安全、經濟、實用，是本文論述的重點。

5.1 擠密樁樁長的確定

擠密樁的樁長直接決定了地基處理的深度，通過對周邊長武甲醇項目、咸陽甲醇項目、興平化工項目等進行走訪，收集整理這些項目的地質資料和地基處理方法，與本項目擬建場地的地質資料進行比對，并邀請了多位國內在濕陷性黃土地基處理方面的權威專家及設計、勘察、施工、檢測等單位相關人員進行了專題研討，對本項目的擠密樁樁長及外放范圍作了如下設計建議：（1）甲類建筑和載荷較大的乙類建筑，應采用DDC素土擠密樁處理地基。素土擠密樁樁長應達到⑤黃土層底部，樁端應穿透濕陷性土層置于非濕陷性土層；（2）對于載荷不大的乙類建筑物，可采用灰土DDC樁法處理地基，樁身填料采用2:8灰土，樁長應達到⑤黃土層底部，處理范圍外放5～6m；（3）丙類建筑采用灰土擠密樁處理地基，樁長應達到③黃土層底部，處理范圍外放3～5m。

5.2 擠密樁樁徑、樁間距的確定

樁長確定后，地基處理范圍內樁間土的擠密效果將取決于擠密樁的樁徑和樁間距，為獲得最佳的樁徑及樁間距，確定采用試樁確定擠密樁樁徑、樁間距。

根據擬建場地內建筑物等級，試樁方案選擇其中的18個裝置區進行試樁，為了保證工程質量，得出可靠的試樁參數，18個試樁區域全部選在濕陷等級Ⅲ、Ⅳ級（即濕陷性為嚴重）的地段進行。其中：DDC工法分別按照樁徑0.6m、樁間距1.5m；樁徑0.4m，樁間距0.9m；樁徑0.4m，樁間距0.8m，樁長分別為16～24m，共6個裝置區進行試樁；沉管擠密樁按照樁徑0.4m，樁間距0.9m，樁長從6～14m，共13個裝置區設計試樁。

通過對試樁結果進行分析，并結合《規范》要求，確定將載荷不大的乙類、丙類建筑的地基處理方法設計為沉管擠密樁法，沉管擠密樁樁徑0.4m，樁間距0.9m，樁長6～14m；甲類建筑及載荷較大的乙類建筑地基處理方法采用樁徑0.4m夯擴至0.55m，樁間距0.8m，樁長17～24m的DDC擠密樁。

6 處理效果評價

根據上述設計，對本項目69個裝置區或單位工程的濕陷性黃土地基進行了擠密樁施工，施工沉管擠密樁及DDC樁共計33.73萬根，有效樁長總計443.46萬m。樁基工程完成后，嚴格按照現行國家標準的規定，對所有裝置區復合地基的承載力及擠密效果進行了全面檢測，檢測結果為：復合地基承載力全部滿足設計要求，樁間土擠密效果良好，黃土濕陷性已消除或基本消除，達到了地基預處理的目的。

7 結語

本次自重濕陷性黃土地基處理方法、施工工藝及參數的研究，不失為一個成功的范例。在遵守規范原則的前提下，尋找了一條既保證建筑物的安全使用，又有利于施工、減少投資的成功道路，為今后同類地質條件下的地基處理積累了成功經驗，不僅為本工程節省了大量投資，縮短了建設工期，而且具有廣泛的推廣應用價值。