灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基的應(yīng)用研究

孟志豪

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

我國(guó)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(shí)、大孔隙、低密度的土體，該土體在水及外部荷載作用下會(huì)出現(xiàn)附加下沉，因此不能直接用于地基的填筑[1]。目前對(duì)于濕陷性黃土的處理技術(shù)包括：換土墊層法、重錘夯實(shí)法、強(qiáng)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(jìn)行研究，主要對(duì)灰土擠密樁的加固機(jī)理進(jìn)行分析，確定灰土的配比，并結(jié)合實(shí)體工程探討灰土樁的布設(shè)方案和施工工藝，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)價(jià)。

1 灰土擠密樁的加固機(jī)理

灰土擠密樁主要通過(guò)兩個(gè)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(guò)程中會(huì)被強(qiáng)制側(cè)向擠壓，從而顯著提高灰土樁周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)土體的密實(shí)度。工程實(shí)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(shí)度，還能保證土體密度的均勻性。從力學(xué)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(dá)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(dāng)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(guò)夯實(shí)擊密作用而形成的柱狀體即為灰土樁。石灰土具有較強(qiáng)的氣硬性等化學(xué)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(fù)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(zhǎng)，土體固化作用不斷提高，灰土的強(qiáng)度也逐漸增加。

灰土樁的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(dān)，顯著減小了一定深度內(nèi)樁間土的內(nèi)部應(yīng)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(huì)對(duì)樁間土產(chǎn)生側(cè)向約束作用，限制土的側(cè)向移動(dòng)，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(duì)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(jī)理。

2 灰土室內(nèi)試驗(yàn)研究

通過(guò)上述分析可知，灰土擠密樁復(fù)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(qiáng)度性能是影響復(fù)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(qiáng)度的主要因素，故必須進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)出合理的灰土配比。

2.1 原材料試驗(yàn)

本文結(jié)合山西某濕陷性黃土路基公路進(jìn)行研究。該地區(qū)濕陷性黃土深12 m，首先在現(xiàn)場(chǎng)取土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試其物理力學(xué)性質(zhì)，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 濕陷性黃土物理力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)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(diǎn)。因此需要地基進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，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(yàn)，選取1∶9、2∶8、3∶7三個(gè)灰土比進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，預(yù)拌含水量從13%開(kāi)始，以3%為用水量間隔依次遞增至28%。為了準(zhǔn)確確定含水量，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程》（ JTG E40—2007）[3]采用重型擊實(shí)方法，根據(jù)最大干密度原則確定最佳含水量。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)

采用上述確定灰土比和最佳含水率拌和灰土混合料，測(cè)試各自的7 h無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，根據(jù)最大強(qiáng)度理論確定最終的灰土比。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3看出，灰土比為1∶9、2∶8、3∶7的灰土7 h無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度依次為660.25 kPa、609.75 kPa、688.25 kPa， 都 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 的300 kPa。但灰土比為2∶8灰土的標(biāo)準(zhǔn)差較小，強(qiáng)度性能較為穩(wěn)定。因此，綜合考慮強(qiáng)度及工程造價(jià)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(qiáng)度試驗(yàn)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(zhǎng)、布設(shè)形式、復(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度取9.5 m。

d）復(fù)合地基承載力特征值根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：fspk為復(fù)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(jì)算fspk=459.6 kPa。

3.2 施工工藝

3.2.1 工藝流程

灰土樁復(fù)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(diǎn)

施工過(guò)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(shí)度、擠密系數(shù)等參數(shù)，但同時(shí)需特別注意以下內(nèi)容：

a）沉管樁成孔過(guò)程中必須確保鉆機(jī)準(zhǔn)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(yīng)及時(shí)拔出樁管。

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

c）必須嚴(yán)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(guò)程中水分極易散失，因此必須保證各個(gè)施工工序的連續(xù)性。

d）由于樁身較長(zhǎng)，必須分層夯擊，嚴(yán)格控制壓實(shí)度。

4 施工質(zhì)量檢測(cè)

灰土擠密樁復(fù)合地基施工完畢7 h后，對(duì)樁身的壓實(shí)度和強(qiáng)度、樁徑以樁間土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)，并對(duì)路基沉降進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。樁身檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，樁向土檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 灰土樁壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

從表4可以看出，各個(gè)深度的灰土樁都能夠滿足規(guī)范要求的95%壓實(shí)要求；樁身強(qiáng)度也要高于試驗(yàn)室測(cè)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(shí)度和強(qiáng)度不斷增加。

表5 樁間土檢測(cè)結(jié)果

從表5樁間土的檢測(cè)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(xué)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合山西某公路濕陷性黃土路基處理方案進(jìn)行研究。灰土擠密樁主要通過(guò)對(duì)樁間土的擠密、側(cè)向約束及樁體的承載作用來(lái)提高復(fù)合地基的承載力。室內(nèi)采用擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)最大干密度原則和最大強(qiáng)度原則確定采用灰土比為2∶8、含水率為20%的灰土進(jìn)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(guò)對(duì)樁身和樁間土現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)結(jié)果表明，灰土擠密樁能夠有效改善濕陷性黃土的力學(xué)性能，提高地基承載能力。