孔內深層強夯法在濕陷性黃土中的應用研究

王玲艷

(山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

0 引言

山西是工程地質較為復雜的地區，大多地區處于黃土高原，濕陷性黃土分布廣泛，濕陷性復雜且嚴重。越來越多的工程需要采用人工加固地基，消除濕陷變形，提高承載力，才能滿足建筑物(構筑物)對承載力與變形的要求。

地基處理是施工難度大、潛在影響大、費用大的工作。處理方案選擇不當或施工質量控制不好，一方面會影響造價和工期，另一方面還有可能危及建(構)筑物安全，二次處理往往代價更高。因此，地基處理對工程建設的重要性愈來愈受到人們的重視。以下介紹一種新的地基處理方法——孔內深層強夯法。

1 孔內深層強夯法(DDC技術)

孔內強夯法亦稱孔內強夯技術(Down-hole Dynamic Compaction，DDC)，是近幾年發明的一種地基處理方法，它的作用機理是把石、砂、土及灰土、舊建筑所拆除的碎磚瓦、混凝土塊等用于加固地基，既可消耗建筑垃圾，變廢為寶，減少環境污染，在濕陷性黃土地區，還可消除深層黃土的濕陷性。這種方法可大幅度提高地基承載能力，降低地基壓縮變形量，效果顯著。與水泥土攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁、樁基礎等方法相比較，節約鋼材、水泥等材料，可大大降低工程造價。DDC技術是在集合了強夯、灰土樁及碎石樁等地基處理技術，在成孔的地基深層，利用其高動能、強擠壓的動力效應，充填、夯實與擠密地基，并消耗建筑垃圾，創造了獨特的施工方法——孔內深層強夯法。

孔內深層強夯法是通過施工機具沖孔、鉆孔或掏孔，然后在孔道的深層部位進行填料，并用特制重錘(一般1.8 t～3.5 t)進行沖、砸、擠、壓的高動能、強擠密的夯擊作業，使地基承載性能得到顯著改善。與其他地基處理方法比較，具有對環境振動影響小，但夯擊能量大，處理效果好的特點。

2 孔內深層強夯法的技術特點

1)與強夯法的比較。

強夯法在我國已廣泛應用，其缺點是:a.加固深度受限，就是8 000 kN·m的強夯，其加固深度還不足10 m;b.處理深度不好控制，上下層之間壓密程序差異大，存在有效區和影響區的差別，深層土壓密效果差;c.施工噪聲大，擾民嚴重;d.振動大，對周周建筑影響大，不能在影響物密集的地方施工。由于上述原因，強夯法在工程中的運用受到限制。

孔內深層強夯法是以重錘將高壓強、超動能通過孔道進入地基深層，對樁體進行動力壓密和對樁間土進行強力擠密。施工工藝是邊填料邊強擊的分層強夯。此方法噪聲小，由于其在孔中(一般成孔直徑為0.4 m～0.5 m)。因為樁錘長、直徑小，所以在具有相同夯錘重和落距條件下，它的單位面積夯擊能量比強夯法大很多。所以，該法具有高動能、強擠壓的特征。我們在陽泉500 kV、呂梁500 kV等變電站工程中應用，加固深度最深可達25 m，有資料認為可達30 m之多，這是強夯法不可比擬的。

孔內深層強夯法處理的地基，自下而上都得到加固，使樁和樁間土均呈均勻密實狀態，解決了強夯法上下層不均勻的問題。

孔內深層強夯法處理的地基，樁體形成多個串珠，可大大提高地基承載力，我們在某220 kV變電站試驗，灰土深層強夯后復合地基承載力特征值達到了500 kPa。

總之，用孔內深層強夯法適用范圍廣，可用于處理各類疑難地基，處理后的地基承載力高，應變能力強。深層強夯法的樁錘重為 1.8 t～3.5 t，而強夯錘的重量為10.0 t～50 t，DDC 法施工機具簡單，施工公害小，相比強夯法有很大的優越性。

2)與普通灰土樁的比較。

灰土樁也是廣泛使用的樁型，施工工藝與DDC類似，但其最大缺點是施工用的樁錘小，一般為400 kg的夾板錘，夯擊能量小，對樁體的壓密程度較低，對樁間土的擠密效果差。復合地基承載力一般不超過原天然地基的2倍，灰土樁復合地基承載力特征值不超過250 kPa。且由于施工機具的限制，其處理深度也是有限的，不超過15 m。故該類地基不適用于承受較大載荷或對沉降要求嚴格的建(構)筑物。經孔內深層強夯法加固的地基，復合地基承載力比原天然地基可提高3倍～9倍。成樁直徑可達0.6 m～2.5 m，樁間土受到很大側向擠壓力，擠密加固良好。DDC方法用料適應性大，建筑垃圾、灰土、砂石料、煤矸石等含有塊狀物的各種工業廢料以及它們的混合物均可使用。用料就地取材，減少了材料運輸費用，會明顯降低造價。灰土樁法處理深度淺，用料受限，遇地下水或淤泥時不能施工，樁間土處理后效果差，承載力提高幅度小，壓縮變形量大，僅適用于一般建(構)筑物。

3 DDC樁復合地基的靜載試驗分析

3.1 試驗設計及設備

依據GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范附錄J，JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范附錄A“復合地基載荷試驗要點”，采用慢速維持荷載法。在成樁14 d后進行試驗。

1)承壓板。采用直徑d=1.05 m，厚30 mm的半圓形鋼板。

2)開挖試坑和安裝載荷試驗設備。

a.試坑底面標高，即為樁頂標高;

b.應注意保持試驗土層的天然濕度和原狀結構;

c.承壓板底面下應鋪20 mm厚度的粗砂找平;

d.基準梁的支點，應設在壓板直徑的3倍范圍(3.15 m)以外;

e.承壓板的形心與荷載作用點重合。

3)反力裝置。根據計算，一根樁承擔的處理面積為0.866 m2，復合地基極限承載力按600 kPa計算，最大加荷量為1 039.2 kN。試驗采用堆載平臺試驗裝置，堆載平臺為型鋼梁，堆載采用混凝土預制塊，按堆載量不小于設計的最大加荷量的1.2倍，即堆載量1 248.0 kN，實際堆載量為1 250 kN。

4)加載裝置。加載設備由主梁、千斤頂—油泵系統等組成。用德州德克液壓機械廠生產的QF200T/200型2 000 kN千斤頂加載。用量程60 MPa、精度0.4級壓力表測力。

5)量測裝置。沉降用4支百分表測量，量程為±50 mm，分辨率0.01 mm，百分表固定在安裝于基準梁上的百分表架上。儀器設備編號詳見儀器一覽表。

3.2 試驗程序

1)荷載分級。按設計要求壓力值的2.0倍即1 200 kPa分10級，每級為120 kPa，荷載分級見表1。

表1 單樁復合地基載荷試驗加荷分級表

2)測定沉降的間隔時間及相對穩定標準。每加一級荷載前后均讀記承壓板沉降量一次，以后每半小時讀記一次。當1 h內沉降小于0.1 mm時，即加下一級荷載。

3)終止試驗的條件。a.承壓板周圍的土，出現明顯的側向擠出;b.沉降s急驟增大，壓力—沉降(p—s)曲線出現陡降段;c.在某一級荷載下，24 h內沉降速率不能達到穩定標準;d.s/d≥0.06(s=63.0 mm);e.當達不到極限荷載，而最大加載壓力已大于設計要求壓力值的2倍。當滿足前三種情況之一時，其對應的前一級荷載可定為極限荷載。

3.3 載荷試驗結果分析

1)荷載—沉降(p—s)分析。圖1～圖3為P1，P2，P3試驗點的p—s曲線。試驗結果匯總見表2。

表2 復合地基載荷試驗結果匯總表

P1試驗點當荷載達到1 080 kPa時，相應沉降超過了63.0 mm(承壓板直徑的6%)，達到試驗終止條件，復合地基的極限承載力為前一級荷載960 kPa(見圖1)。P2試驗點中最大加荷達到1 200 kPa時，相應沉降為58.8 mm，未達到試驗終止條件，可判定復合地基的極限承載力等于1 200 kPa(見圖2)。P3試驗點當荷載達到1 080 kPa時，相應沉降超過了63.0 mm(承壓板直徑的6%)，達到試驗終止條件，復合地基的極限承載力為前一級荷載960 kPa(見圖3)。

2)與傳統的灰土擠密樁比較。DDC工藝施工的灰土樁復合地基極限承載力可達到960 kPa～1 200 kPa，安全系數取2，可得到復合地基承載力特征值為480 kPa～600 kPa，要比傳統的灰土擠密樁200 kPa～250 kPa大很多，是傳統灰土擠密樁的2.4倍。也就是說，樁間土得到了擠密和側向約束，承載力發揮明顯。

圖1 P1點p—s曲線

圖2 P2點p—s曲線

圖3 P3點p—s曲線

4 結語

陽泉500 kV變電站、呂梁500 kV變電站地基均采用孔內深層強夯法處理，地基處理技術效果良好，且獲得一定的技術經濟效益。

DDC技術在山西黃土中應用，特點是擠密效果好，承載力可較傳統的灰土樁提高2.4倍，處理效果及經濟效果明顯。但本工藝在許多方面諸如承載機理，計算模型的選擇，參數的確定等都有待進一步提高完善，其理論的發展尚落后于工程實踐。開展此類研究對于地基處理優化設計和節約投資，促進新技術的發展具有重要意義。

［1］JGJ 79-2012，建筑地基處理技術規范［S］.

［2］劉 俊.柱型夯錘強夯加固深度及效果分析［J］.江西科學，2010(8)：504-507.

［3］司炳文，唐業清.孔內深層強夯技術的機理與工程實踐［J］.施工技術，1999(5)：65-66.

［4］CECS 197∶2006，孔內深層強夯法技術規程［S］.