灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基的應用研究

孟志豪

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

我國華北地區(qū)存在大面積的黃土。濕陷性黃土是一種非飽和、欠密實、大孔隙、低密度的土體，該土體在水及外部荷載作用下會出現(xiàn)附加下沉，因此不能直接用于地基的填筑[1]。目前對于濕陷性黃土的處理技術(shù)包括：換土墊層法、重錘夯實法、強夯法和擠密樁等。

本文結(jié)合山西某公路濕陷性黃土路基處理技術(shù)進行研究，主要對灰土擠密樁的加固機理進行分析，確定灰土的配比，并結(jié)合實體工程探討灰土樁的布設(shè)方案和施工工藝，對施工質(zhì)量進行檢測及評價。

1 灰土擠密樁的加固機理

灰土擠密樁主要通過兩個方面加固濕陷性黃土等軟土地基：樁間土的擠密作用與灰土樁樁體作用[2]。

1.1 樁間土擠密作用

樁孔位置的原土體在灰土擠密樁的錘擊沉管成孔過程中會被強制側(cè)向擠壓，從而顯著提高灰土樁周圍一定范圍內(nèi)土體的密實度。工程實踐表明，相鄰樁孔擠密區(qū)交界處的擠密作用可相互疊加，樁距越小，疊加效果越顯著。合理的樁間距不僅能有效提高樁間土中心部位的密實度，還能保證土體密度的均勻性。從力學性能上看，樁間土的擠密能夠顯著提高樁間地基土承載力，消除濕陷性，并達到控制沉降及減小沉降差異性的目的。

1.2 灰土樁樁體作用

適當比例的石灰、土、水拌和形成穩(wěn)定的混合料，并在樁孔內(nèi)經(jīng)過夯實擊密作用而形成的柱狀體即為灰土樁。石灰土具有較強的氣硬性等化學性能，在水的作用下，石灰電離出大量的正電荷鈣離子，濕陷性黃土則存在大量帶負電荷的黏土顆粒，兩者相互吸附而形成膠體凝聚。而由于石灰是一種氣硬性材料，隨著水分的散失和齡期的增長，土體固化作用不斷提高，灰土的強度也逐漸增加。

灰土樁的彈性模量遠遠超過樁間土，雖然其面積僅占總地基面積的1/5左右，但一半左右的上部荷載由其承擔，顯著減小了一定深度內(nèi)樁間土的內(nèi)部應力，有效降低濕陷性黃土的壓縮變形和濕陷變形。其次，灰土樁會對樁間土產(chǎn)生側(cè)向約束作用，限制土的側(cè)向移動，樁間土只產(chǎn)生豎向壓密，使壓力與沉降呈線性關(guān)系。

綜上所述，灰土樁對樁間土的擠密、側(cè)向約束及樁體的承載作用是加固濕陷性黃土路基的主要作用機理。

2 灰土室內(nèi)試驗研究

通過上述分析可知，灰土擠密樁復合地基中灰土樁承受著一半左右的荷載作用，因此灰土樁的強度性能是影響復合地基承載力的關(guān)鍵因素。灰土比和含水率是影響灰土樁強度的主要因素，故必須進行室內(nèi)試驗設(shè)計出合理的灰土配比。

2.1 原材料試驗

本文結(jié)合山西某濕陷性黃土路基公路進行研究。該地區(qū)濕陷性黃土深12 m，首先在現(xiàn)場取土樣進行室內(nèi)試驗測試其物理力學性質(zhì)，具體試驗結(jié)果見表1。

表1 濕陷性黃土物理力學性質(zhì)檢測結(jié)果

從表1可以看出，該地區(qū)的濕陷性黃土具有大孔隙比、高含水率、低壓縮模量的特點。因此需要地基進行加固設(shè)計，提高地基的承載能力。

2.2 最佳含水率的確定

根據(jù)工程經(jīng)驗，選取1∶9、2∶8、3∶7三個灰土比進行室內(nèi)試驗，預拌含水量從13%開始，以3%為用水量間隔依次遞增至28%。為了準確確定含水量，進行擊實試驗之前先將濕陷性黃土放入105℃烘箱中恒溫48 h，保證水分全部烘干。然后根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（ JTG E40—2007）[3]采用重型擊實方法，根據(jù)最大干密度原則確定最佳含水量。擊實試驗結(jié)果見表2。

表2 試驗結(jié)果

圖1 含水率與干密度關(guān)系曲線

從圖1可以看出，灰土比為 1∶9、2∶8、3∶7的灰土最佳含水率依次為18.5%、20%和22%；最佳干密度依次為 1.63 kg/cm3、1.61 kg/cm3和 1.60 kg/cm3。

2.3 強度試驗

采用上述確定灰土比和最佳含水率拌和灰土混合料，測試各自的7 h無側(cè)限抗壓強度，根據(jù)最大強度理論確定最終的灰土比。試驗結(jié)果見表3。

從表3看出，灰土比為1∶9、2∶8、3∶7的灰土7 h無側(cè)限抗壓強度依次為660.25 kPa、609.75 kPa、688.25 kPa， 都 滿 足 設(shè) 計 要 求 的300 kPa。但灰土比為2∶8灰土的標準差較小，強度性能較為穩(wěn)定。因此，綜合考慮強度及工程造價因素，擬采用灰土比為2∶8，最佳含水率為20%的灰土夯擊成型灰土樁加固濕陷性黃土地基。

表3 抗壓強度試驗結(jié)果

3 灰土擠密樁布設(shè)及施工

3.1 擠密樁布設(shè)方案

灰土擠密樁的布設(shè)方案主要包括：樁孔間距、樁長、布設(shè)形式、復合地基承載力特征值等參數(shù)。由于該路段濕陷性黃土深約12 m，長約0.42 km，路基寬10 m，因此給出灰土樁布設(shè)方案如下：

a）根據(jù)規(guī)范，灰土樁樁徑通常在300～500 mm之間，本工程選用400 mm。

b）本工程擬選用沉管錘擊法成孔，其中樁管直徑為377 mm，樁管長度為9.5 m，樁頭直徑為400 mm。采用間距為0.8 m的等邊三角形樁孔布設(shè)方案。

c）樁體長度取9.5 m。

d）復合地基承載力特征值根據(jù)式（1）進行計算：

式中：fspk為復合地基承載力特征值；fpk為樁體單位面積承載力特征值；fsk為樁間土承載力特征值；m為面積置換率。

在此取 fpk=600 kPa，fsk=180 kPa，置換率 m=0.68，經(jīng)計算fspk=459.6 kPa。

3.2 施工工藝

3.2.1 工藝流程

灰土樁復合地基施工流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

3.2.2 控制要點

施工過程中主要需要控制灰土擠密樁的樁數(shù)、排列尺寸、孔徑、深度、填料質(zhì)量及配合比，壓實度、擠密系數(shù)等參數(shù)，但同時需特別注意以下內(nèi)容：

a）沉管樁成孔過程中必須確保鉆機準確平穩(wěn)，需要高度注意樁管的垂直度和貫入速度，成孔完畢后應及時拔出樁管。

b）夯擊時確保就位的平穩(wěn)性及沉管的垂直性，夯錘必須對準灰土樁的中心。

c）必須嚴格控制含水率在最佳含水率+2%范圍內(nèi)，由于灰土的拌制過程中水分極易散失，因此必須保證各個施工工序的連續(xù)性。

d）由于樁身較長，必須分層夯擊，嚴格控制壓實度。

4 施工質(zhì)量檢測

灰土擠密樁復合地基施工完畢7 h后，對樁身的壓實度和強度、樁徑以樁間土的物理力學指標進行現(xiàn)場取樣檢測，并對路基沉降進行跟蹤觀測。樁身檢測結(jié)果見表4，樁向土檢測結(jié)果見表5。

表4 灰土樁壓實度檢測結(jié)果

從表4可以看出，各個深度的灰土樁都能夠滿足規(guī)范要求的95%壓實要求；樁身強度也要高于試驗室測試的600 kPa承載力；樁徑能夠控制在400±20 mm的范圍之內(nèi)，滿足要求。且隨著深度的增加，灰土樁樁身的壓實度和強度不斷增加。

表5 樁間土檢測結(jié)果

從表5樁間土的檢測結(jié)果看，灰土擠密樁能夠有效降低濕陷性黃土的濕陷性，提高地基土的壓縮模量，降低孔隙比，改善濕陷性黃土的物理力學性能。

5 結(jié)語

結(jié)合山西某公路濕陷性黃土路基處理方案進行研究。灰土擠密樁主要通過對樁間土的擠密、側(cè)向約束及樁體的承載作用來提高復合地基的承載力。室內(nèi)采用擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，根據(jù)最大干密度原則和最大強度原則確定采用灰土比為2∶8、含水率為20%的灰土進行灰土樁的施工。灰土擠密樁采用0.8 m的等邊三角形布設(shè)方案和沉管錘擊法成孔技術(shù)，最后通過對樁身和樁間土現(xiàn)場取樣檢測結(jié)果表明，灰土擠密樁能夠有效改善濕陷性黃土的力學性能，提高地基承載能力。