濕陷性黃土地基的無振動擠密處理新技術研究

賈 鋆

(中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000)

濕陷性黃土地基的無振動擠密處理新技術研究

賈 鋆

(中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000)

隨著我國工業與民用建設等級不斷提升，對工后沉降和變形的控制要求更加嚴格。在濕陷性黃土區的隧道，既有運營線路及車站，房屋等小空間、狹小場地，以及對施工振動有嚴格控制要求的施工場地中，現有濕陷性黃土地基的處理方法及施工設備有一定的局限性。根據特殊施工要求，研發了豎向靜壓、豎向倒拔、橫向靜壓的無振動擠密處理設備，進行了現場參數試驗和處理效果評價。研究結論：采用豎向倒拔、橫向靜壓的方法對濕陷性黃土地基進行擠密處理時，施工設備能夠實現小型化、輕便化和無振動，處理效果能夠滿足相關規范要求。

濕陷性黃土；地基處理；無振動擠密

1 概述

中國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，其范圍北起陰山山麓，東北至松遼平原和大、小興安嶺山前，西北至天山、昆侖山山麓，南達長江中下游流域，面積約63萬 km2。這一廣大地區是我國文明歷史的發祥地，長期以來人類經濟活動頻繁、進行了大量的基礎工程建設。由于黃土的自身結構存在著特殊性，導致其具有濕陷性且承載力不能滿足設計要求，所以在施工前必須對濕陷性黃土地基進行處理，處理方法多樣，施工機具種類繁多。隨著我國社會經濟的快速發展，鐵路、公路、房屋等建設等級不斷提升，對工后沉降和變形的控制要求更加嚴格，所以現有濕陷性黃土地基的處理方法及施工機具在特殊施工場地中受到了一定的限制，需要針對相應的工況條件進行新技術和新設備的研發工作。

2 特殊場地濕陷性黃土地基的施工要求

2.1 小空間場地施工要求

我國已在黃土地區修建了大量的普通鐵路隧道、普通公路隧道等小空間構筑物，由于設計標準低，除將洞門基礎進行換填處理外，一般情況下沒有對基礎做特殊處理，結構沒有發生明顯的沉降情況。但隨著我國國民經濟的快速發展，在黃土地區大規模興建高速鐵路、高速公路等高等級的基礎設施，對基礎的工后沉降控制要求嚴格，均要求對濕陷性黃土地基進行處理。

根據鄭西高速鐵路大斷面濕陷性黃土隧道的施工要求，隧道內地基處理時施工容許高度小于6.7 m，寬度小于7.8 m。在既有工民建、古建筑的濕陷性黃土地基加固處理中，施工容許空間小于3 m，這就要求相應的施工設備實現小型化。

2.2 狹小場地施工要求

在位于城市中心的建筑群中進行濕陷性黃土地基處理時，施工場地受周圍建筑物或構筑物的影響而非常狹小。如既有運營火車站、貨場等列車通過密度高，地下管線復雜，地上配電線路縱橫交錯，為減小或避免對既有線干擾，地基處理時的施工空間將非常狹小。

在狹小場地進行濕陷性黃土地基的擠密加固處理施工中，施工設備必須能夠滿足場地的特殊要求，需要小巧靈活、易于操作，且施工干擾小。

2.3 嚴格控制振動的場地施工要求

穿越濕陷性黃土層的鐵路隧道、公路隧道因施工中的洞體開挖，使土體原有受力狀態受到了擾動，施工中的振動易造成隧道土體破壞、山體開裂、塌方。相關規范對隧道初期支護的施工振動沒有相應控制標準，根據鄭西客運專線大斷面濕陷性黃土隧道地基擠密樁施工振動監測與分析結果顯示，濕陷性黃土隧道施工時的振動安全要求波速為0.02～0.03 m/s[1]。

隨著現代工業的迅速發展，城市規模日益擴大，施工中產生的振動對都市生活環境和工作環境的影響引起了人們的普遍關注。振動的主要危害表現為對建筑物安全的影響，以及室內環境中對人體舒適度的影響[2]。為防止住宅建筑(含商住樓)內部振動源對室內居住者的干擾，并便于對住宅建筑內設備振動的控制設計，《住宅建筑室內振動限值及測量方法標準》(GB/T 50355—2005)、《城市區域環境振動標準》(GB 10070288)等國家標準規定了住宅建筑室內的鉛垂向振動加速度級(La)晝間Ⅰ級和Ⅱ級限制分別為76～90 dB、81～95 dB，夜間Ⅰ級和Ⅱ級限制分別為73～87 dB、78～92 dB[3]。振動加速度級的計算公式為

La=20×lg(a/a0) dB

其中，a為加速度有效值，a0為基準加速度，我國取1×10-5m/s2。

因此，在對振動有嚴格控制要求的施工場地，采用沖擊擠密的沖擊錘、振動打樁機、柴油錘打樁機等具有較大振動的機械設備不再適用。

3 無振動擠密處理方案

3.1 土體擠密反力分析

(1)豎向土體擠密反力

在濕陷性黃土地基的擠密處理中，土體擠密反力按《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)中對黏性土中混凝土預制樁取值[4]，豎向靜壓擠密錐頭的極限側阻力qsik和極限端阻力qpk如表1所示。

表1 靜壓錐頭極限側阻力qsik和極限端阻力qpk標準值 kPa

若靜壓擠密錐頭的錐尖角度為33°，垂直高度為50 cm，母線長度為52 cm，最大直徑為30 cm，擠密錐頭豎向荷載由側阻力qsik和端阻力qpk兩部分組成。隨著土體被擠密的同時，土體的側阻力和端阻力由錐尖向兩側逐漸增大，如圖1所示。

因此，直徑30 cm的擠密錐頭所受天然土體反力Fs1計算如下

Fs1=Fsik+Fpk=cos(33°/2)·S側·qsik+sin(33°/2)·S側·qpk=0.96×0.25×86+0.28×0.25×2 300=181.6 kN

若土體擠密過程中，土體變得越堅硬，則土體側阻力與端阻力均變得越大。當土體擠密后，土體擠密反力Fs2計算如下

Fs2=Fsik+Fpk=cos(33°/2)·S側·qsik+sin (33°/2)·S側·qpk=0.96×0.25×105+0.28×0.25×3 800=291.2 kN

圖1 φ30 cm豎向擠密錐頭示意(單位:cm)

由以上計算可知，在濕陷性黃土地基擠密處理過程中，若采用直徑為30 cm的擠密錐頭進行豎向靜壓擠密時，豎向反力近似在181.6～291.2 kN。

(2)水平向土體擠密反力

若將直徑20 cm、高50 cm的橫向擠密裝置置于預成孔中，如圖2所示，進行分段擠密，則所受天然土體反力Fh1計算如下

Fh1=S側·qpk=0.314×2 300=722.2 kN

同樣在擠密過程中，土體變得越堅硬，則土體端阻力變得越大。當土體擠密后，土體擠密反力Fh2計算如下

Fh2=S側·qpk=0.314×3 800=1 193.2 kN

由以上計算可知，在濕陷性黃土地基擠密處理中，若采用直徑為20 cm的橫向擠密裝置進行橫向靜壓擠密時，水平反力近似在722.2～1 193.2 kN。

圖2 φ20 cm橫向擠密裝置示意(單位：cm)

3.2 豎向倒拔無振動擠密構想

本文在3.1節中進行了豎向靜壓土體擠密反力的初步估算，按照《錨桿靜壓樁技術規程》(YBJ227—1991)中的規定，最終壓樁力為設計單樁垂直容許承載力的2.0倍[5]，即實際的豎向土體擠密反力配重為363.2～582.4 kN。如此大的反力配重，使施工設備無法實現小型化和輕便化。

因此，如圖3所示，若采用豎向倒拔的方式將特制倒拔無振動擠密裝置置于預成孔底部，然后采用液壓系統將該裝置的頭部加壓張開，再以地面為反力支撐點采用液壓起重系統將該裝置一次性豎向拔出而達到擠密的目的。

圖3 豎向倒拔無振動擠密設備示意

豎向倒拔無振動擠密方案的構想，使豎向土體擠密反力通過液壓系統完全轉化為地面的支撐力，無需額外配重，可以實現設備的小型化和輕便化。

3.3 橫向靜壓無振動擠密構想

本文在3.1節中對橫向擠密裝置的反力進行了初步估算，若從預成孔的孔口開始，利用輕型卷揚機將特制的橫向無振動擠密裝置置于預成孔中一定深度(350～558 mm)，再利用液壓系統將該裝置的撐土葉片張開完成擠密，然后收攏撐土葉片，再利用卷揚機將擠密裝置向下吊入一定深度(350～558 mm)進行擠密。如此反復操作直至設計深度，如圖4所示。

圖4 橫向靜壓無振動擠密設備示意

橫向靜壓無振動擠密的構想，通過特制的橫向無振動擠密裝置將擠密反力完全轉化為液壓壓力，無需額外配重，無需特殊支撐，可以實現設備的小型化和輕便化。

4 無振動擠密處理試驗

為檢驗濕陷性黃土地基無振動擠密處理技術的可行性，在蘭州東出口桃樹坪隧道4號斜井附近的楊洼溝庫房取土平臺上進行了豎向倒拔和橫向靜壓無振動擠密的基本參數試驗。

4.1 豎向倒拔無振動擠密

豎向倒拔無振動擠密試驗中，直徑為150 mm的預成孔采用GX-100地質鉆機進行排土預成孔，然后由φ150 mm的預成孔擴徑至φ350 mm的擠密孔，需分別采用1號、2號、3號倒拔無振動擠密裝置分級成孔，各級變徑范圍分別為150→200 mm、200→300 mm、300→350 mm。倒拔無振動擠密裝置類型及相應最大起拔力如表2所示。

4.2 橫向靜壓無振動擠密

(1)臺階式錐形擠密方法

表2 豎向倒拔無振動擠密最大起拔力

橫向靜壓擠密作業時系統壓力在6.4～7.8 MPa，換算后負荷為68～96 kN。

(2)分級橫向擠密方法

空載時該“橫向擠密裝置”撐土葉片的張合時間分別為3 s，擠密作業中系統壓力為15 MPa時(75 kN)，撐土葉片的張開時間為8 s，閉合時間為3 s。按10 m孔深計算，每級橫向擠密裝置需20～30 min完成。

4.3 無振動擠密處理效果評價

為驗證利用無振動擠密設備處理濕陷性黃土地基的可行性，進行以“豎向倒拔無振動擠密設備”為主的樣機加工試制。完成了62個孔徑為350 mm，孔間距分別為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 m，孔位呈正三角形方式布置，孔深為8 m的無振動擠密孔成孔試驗。

擠密成孔試驗完成后，針對不同的孔間距，對三孔之間的黃土原狀樣進行了采集，共采集到58組試樣，并進行了濕陷系數、擠密系數等室內土工試驗，部分試驗結果如表3、圖5所示。

表3 三孔之間黃土擠密系數及濕陷性匯總

圖5 3孔之間黃土擠密系數對比曲線

從表3、圖5可以看出，當樁間距為0.6、0.7 m時，樁間土的濕陷性完全消除，平均擠密系數均大于0.9，最小擠密系數均大于0.88，均滿足《鐵路工程地基處理技術規程》(TB 10106—2010，J 1078—2010)的要求。當樁間距為0.7 m時，樁間土的擠密系數滿足《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB 50025—2004)的具體要求。

因此，采用無振動擠密處理技術加固處理濕陷性黃土地基時，完全能夠滿足規范要求，能夠滿足特殊場地的施工要求，能夠保證高速鐵路及甲、乙類建筑的地基穩定性。

5 結論

(1)濕陷性黃土地基擠密處理中小型無振動擠密設備的土體擠密反力可通過液壓系統進行轉化，可消除設備小型化與較大擠密反力之間的矛盾。

(2)小型豎向倒拔無振動擠密設備，可使豎向擠密反力通過液壓系統完全轉化為地面的支撐力，存在著鋼絲繩容易斷裂、表層土體全部被擾動而松散等缺點，但無需額外配重，成孔速度快。

(3)小型橫向靜壓無振動擠密設備，通過特制的橫向無振動擠密裝置將擠密反力完全轉化為液壓壓力，存在施工速度較慢的缺點，但無需額外配重，無需特殊支撐，處理效果最好。

(4)采用小型無振動擠密設備對濕陷性黃土地基進行擠密處理后，能夠消除樁間黃土的濕陷性，處理效果能夠滿足相關規范的具體要求。

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A New Vibration-less Compaction Technology for Collapsible Loess Foundation

JIA Yun

(Northwest Research Institute CO. Ltd. of China Railway Engineering Corporation， Lanzhou， Gansu 730000)

With the advance of industrial and civil construction grade， the requirements for controlling post-construction settlement and deformation are getting stricter. The existing methods and equipments have certain restrictions and shortages for treatment of collapsible loess foundations where requirements for vibration control are mandatory， such as the existing line and station， buildings of small space and narrow site. To meet special construction requirements， a new vibration-less compaction equipment and technology is developed with vertical static pressure， vertical pull down and lateral pressure， and details site parameter test and treatment effects evaluation. The compaction method with vertical static pressure and lateral pressure to treat collapsible loess foundations has made it possible to have construction equipment minimized， portable and vibration-less， and the treatment meet the specifications．

Collapsible loess; Foundation treatment; Vibration-less compaction

2013-12-11；

：2013-12-26

賈 鋆(1983—)，男，助理工程師，E-mail：jiayuncareer@sina.cn。

1004-2954(2014)09-0048-04

U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.012