濕陷性黃土地區灰土擠密樁的機理分析及應用

劉 瑋 阮兵峰

(武漢都市環保工程技術股份有限公司，湖北武漢 430000)

1 灰土擠密樁的加固機理

黃土在我國具有非常廣泛的分布，約占我國國土面積的6%以上，因其具有獨特的水理特性及結構特性，黃土的工程特性也體現出自身的特點，如透水性、崩解性等，最典型的為濕陷性。濕陷性是指黃土在上部壓力作用下受水浸濕而發生沉陷的性能，黃土的濕陷性對工程建設具有極大的危害，濕陷性黃土作為一種特殊性土與一般的粘性土不同，它具有在自重壓力下或一定壓力下遇水濕陷變形的特性[1]，濕陷性黃土可分為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土，根據濕陷程度，可分為輕微、中等、強烈濕陷性三個等級。在該地區的工程建設中，濕陷性黃土不可直接作基礎的持力層，需要進行地基處理，以部分或全部消除其濕陷性。在我國，濕陷性黃土地區的處理方法主要有換填墊層法、深層密實法、排水固結法及化學加固法等。其中，灰土擠密樁法為深層處理方法的一種，是深層密實法處理地基方式之一[2，3]。

灰土擠密樁適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基，處理深度為5 m～15 m，以消除地基土的濕陷性，提高地基土的承載力，增強其水穩性。當地基土的含水量不大于24%、飽和度不大于65%時，宜選用灰土擠密樁法。

濕陷性黃土地區灰土擠密樁加固原理:濕陷性黃土屬于非飽和的欠壓密土，其主要特征是孔隙比較大而干密度較小，這同時也是產生浸水濕陷性的根本原因。試驗研究和工程實踐證明，當使黃土的干密度及其壓實系數擠密系數達到某一標準時，即可部分或完全消除其濕陷性?；彝翗稊D密法就是利用這一原理，通過原位深層擠壓成孔，使樁間土得到加密，并與分層夯實灰土的樁體構成承載力較高的人工復合地基[4，5]。灰土樁在擠密地基中的作用主要有:1)分擔荷載;2)對土產生側向約束作用;3)提高地基的承載力和變形模量;4)增強消除濕陷性的效果。

灰土擠密樁是利用打樁機或振動器將鋼套管打入地基土層并隨之拔出，在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入灰土夯實而成灰土樁。與夯實、碾壓等豎向加密方法不同，灰土擠密樁是對土進行橫向加密。施工中當套管打入地層時，管周地基土受到了較大的水平向擠壓作用，使管周一定范圍內的土物理性質得到改善，其密實度增加，壓縮性降低，濕陷性全部或部分消除。

灰土擠密樁的加固作用主要表現為樁間土擠密作用和灰土擠密樁樁體作用。

1)樁間土擠密作用:相鄰樁孔間擠密效果試驗表明，在相鄰樁孔擠密區交界處擠密效果相互疊加，樁間土中心部位的密實度增大，且樁間土的密度變得均勻，樁距愈近，疊加效果愈顯著。樁間土具有擠密作用，通過擠密達到消除地基土的濕陷性和提高強度的目的。

2)灰土擠密樁樁體作用:灰土擠密樁是用石灰和土按一定體積比例拌合，并在樁孔內夯實加密后形成的樁，這種材料在化學性能上具有氣硬性和水硬性，由于石灰內帶正電荷鈣離子與帶負電荷的粘土顆粒相互吸附，形成膠體凝聚，并隨灰土齡期增長，土體固化作用提高，使灰土逐漸增加強度。在力學性能上，它可達到擠密地基土的效果，提高地基承載力，消除濕陷性，并使沉降均勻，沉降差減小。

經灰土擠密樁加固處理后，原土層受到擠壓，土質結構改變，土粒重新組合，各項物理力學性質變化較為明顯，樁間土擠密效果受樁孔夯填質量影響較為明顯，樁孔夯填質量較好的部位，即樁體密實度較高的部位，樁間土擠密效果也較好，復合地基的承載力也較高。在施工過程中一定要確保樁孔填夯質量，同時應該注意樁孔夯填效果的均勻性。

當灰土擠密樁與擠密土共同作用時，其置換率為:

其中，Ap為灰土樁的橫截面面積為每根灰土樁所承擔的處理地基面積

相應的，復合地基承載力值經驗值為:

其中，fsp.k為復合地基承載力特征值;fpk為灰土樁的承載力特征值;fsk為土體擠密后強度。

2 工程概況

根據洛陽某勘察設計有限公司2011年9月1日提供的《三門峽市污水處理廠一期工程場地巖土工程勘察報告》，三門峽場地各土層均屬第四系全新統～晚更新統沖、洪積作用形成的黃土狀粉土、細砂及卵石層，自上而下分為7層:①黃土狀粉土層:黃褐色，稍濕～濕，稍密，具大量針狀孔隙及蟲孔，濕陷性輕微～中等，層厚2.8 m～6.5 m;②黃土狀粉土層:淺黃色，稍濕～濕，稍密，具針狀孔隙及蟲孔，濕陷性輕微～中等，層厚1.5 m～5.6 m;③層:淺黃色，稍濕，稍密，具針狀孔隙，濕陷性輕微～中等，層厚3.0 m～5.9 m;④黃土狀粉土層:淺黃～棕黃色，稍濕，稍密，具針狀孔隙，濕陷性輕微～中等，層厚3.1 m～5.5 m;⑤黃土狀粉土層:淺黃色，稍濕～濕，稍密，具少量針狀孔隙，濕陷性輕微～中等，層厚2.0 m ～7.0 m，層底深度15.2 m ～22.3 m;⑥細砂層:灰黃色，稍濕，稍密～中密，顆粒較均勻，級配一般，顆粒形狀不規則，層厚0.5 m～2.8 m;⑦卵石層:灰褐、青灰等雜色，稍密，自然級配較好，未揭穿?？辈炱陂g，在勘探深度范圍內未見地下水。

GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范[6]及JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范[7]的規定，灰土擠密樁設計中，當采用局部處理時，對非自重濕陷性黃土，每邊不應小于基底寬度的0.25倍，并不應小于0.50 m;對于自重濕陷性黃士地基，超出基礎底面的寬度每邊不應小于基底寬度的0.75倍，并不應小于1.00 m。當采用整片處理時，超出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?；彝翑D密樁處理地基的深度，應根據建筑場地的土質情況、工程要求和程控及夯實設備等綜合因素確定。

3 灰土擠密樁設計

三門峽擬建場地為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅱ級，濕陷土層深度最大為22.2，各層土的天然含水量平均值為14.0% ～18.9%之間，飽和度平均值為38.0%～49.3%之間，根據場地地質條件及建筑物使用要求，建議采用灰土擠密樁進行整片地基處理。

根據場地地基土性質要求，對于本建(構)筑物場地建議處理至第③層或第④層。在工程中采用孔徑370 mm，樁徑450 mm，樁距900 mm灰土擠密樁，呈等邊三角形布置，樁體回填材料采用3∶7灰土分層夯實，壓實系數不小于0.97，灰土樁樁頂鋪設0.5 m的灰土墊層，分層夯實，壓實系數大于0.95?；彝翑D密樁復合地基承載力特征值，應通過現場單樁或多樁復合地基載荷試驗確定。復合地基承載力經驗值計算數據見表1。

表1 復合地基承載力經驗值計算數據表

根據公式得出置換率為22%，置換效果較明顯。初步設計時，據經驗值公式計算得到復合地基承載力由土體承載力95 kPa提高為195 kPa?？紤]到現場施工等因素影響，提出按承載力180 kPa設計布置灰土擠密樁。

4 現場檢測及擠密效果分析

試驗采用壓重平臺反力裝置，整個測試過程由RS-JYB靜力載荷測試儀自動完成。

加載分級見表2。

表2 加載分級表

根據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范[7]的有關規定進行檢測，檢測結果見表3。

取S1，S3，S6三點分別作P—S曲線，見圖1。

經檢測，復合地基承載力為181 kPa，達到設計要求，由圖1及表3分析，隨荷載分級增加，土體沉降量呈拋物線性型，土體較均勻。

5 結語

表3 復合地基荷載試驗表

圖1 P—S曲線圖

根據檢測復合地基承載力發現，檢測結果滿足設計要求，承載力由土體的95 kPa提高到181 kPa;從圖1中可以看出，灰土擠密樁在消除土的濕陷性，提高承載力上作用明顯。經灰土擠密樁加固處理后，原土層受到擠壓，土質結構改變，土粒重新組合，機理上也證明了采用灰土擠密樁法處理濕陷性黃土效果較好。從處理的總體效果分析，在保證施工質量的前提下，如果承載力要求不高，樁孔之間的中心距離還可適當加大。

選用灰土擠密樁時，應從地質情況，土體含水量等多方面考慮，保證施工工藝。試驗驗證灰土擠密樁與土體共同作用，作用明顯，擠密效果良好，灰土擠密樁對于消除土的濕陷性和減小滲透性，提高承載力等方面效果較為明顯，是濕陷性黃土地區地基處理的重要方式之一，因其具有就地取材、以土治土、原位處理、深層加密和費用較低等特點，在我國西北及華北等黃土地區具有廣泛的應用前景。

[1] 呂清天，郭彥林.灰土擠密樁在濕陷性黃土地基中的應用與研究[A].第六屆全國土木工程研究生學術論壇[C].北京:清華大學，2008.

[2] 龔曉南.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2000.

[3] 錢鴻晉.濕陷性黃土地基[M].北京:中國建筑工業出版社，1985.

[4] 王 臻.灰土擠密樁樁間土擠密效果的理論分析與實驗研究[D].西安:西安建筑科技大學，2004:15-16.

[5] 孫霽月.灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基的研究[D].濟南:山東大學碩士學位論文，2007:6-8.

[6] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[7] JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范[S].