灰土擠密樁處理厚層新素填土方法研究

李志亮，楊慶義，紀成亮

(山東電力工程咨詢院有限公司 山東 濟南 250010)

隨著近年來經濟快速發展，工程建設領域越來越多的遇到填土地基問題，對于素填土地基，常用的處理方式為換填墊層法、擠密樁法、強夯法等，作者結合工程實例，探討了采用灰土擠密樁法處理新近堆積厚層素填土的可行性，驗證了設計、施工參數，為類似工程處理提供借鑒經驗。

1 工程概況

該工程為青海西寧郊區某電力工程，工程場地內上部廣泛分布黃土狀粉土層，層厚為2.80～15.50 m；部分地段因場地平整，分布厚度6.00～8.20 m的新素填土；下伏密實卵石層；素填土分布地段(此地段未分布黃土狀粉土)附屬建筑物采用灰土擠密樁地基處理方案。

1.1 場地地層條件

場地位于湟水河南岸，地貌單元屬山前斜坡地與湟水河高階地過渡地帶；地層巖性主要為第四系素填土、黃土狀粉土、卵石；下伏第三系泥質砂巖、泥巖，具體見表1，地下水賦存于卵石層及基巖裂隙中。

表1 場地地層條件

1.2 素填土特性分析

場地內素填土為場地平整時，將挖方地段黃土狀粉土及少量卵石挖運堆積于地勢低洼的填方地段而形成，主要成分為黃土狀粉土，局部混卵石，堆積時間僅為半年，因此應定性為粉性新素填土。

填土堆積方式為短期內翻斗車傾倒、推土機推進堆填方式，堆填厚度6.00～8.20 m，未分層碾壓，僅上部因堆填機械運行產生一定壓密效果，根據堆填方式初判填土層在水平及豎向有一定均勻性；根據現場試樣密度試驗結果，填土干密度平均值1.30 g/cm3，此干密度未考慮局部卵石分布的影響，介于堆積密度與黃土密度之間；從干密度數值結合其形成原因判斷，粉性新素填土層結構松散，具有高壓縮性，且具有一定濕陷性，需進行處理后才能作為小型或一般建筑物持力層。

2 處理方案

2.1 地基處理方案

填土區附屬建筑物采用灰土擠密樁對素填土進行處理，灰土擠密樁的處理深度須穿透素填土層，到達②卵石層頂面，復合地基承載力特征值不小于180 kPa。

2.2 參數設定

2.2.1 樁身填料

考慮到場地內素填土結構松散，具有高壓縮性，為滿足建筑物對復合地基承載力要求，確定采用三七灰土作為樁身填料，樁體壓實系數不小于0.96。

2.2.2 樁徑與樁距

本次采用樁徑500 mm灰土擠密樁，樁間距計算如下：

式中：s為樁間距(m)；d為樁孔直徑(m)，取0.50 m；d為地基擠密前被處理土層的平均干密度(g/cm3)，素填土干密度為1.30 g/cm3；ρdmax為樁間土最大干密度(g/cm3)，依據黃土狀土輕型擊實試驗結果最大干密度為1.73 g/cm3；λc為地基擠密后，樁間土的平均擠密系數，本試驗按0.93計算；η0為形狀系數，正三角形布樁為0.952。計算得s=1.09 m，本次樁間距選擇1.10 m。

2.2.3 復合地基承載力估算

式中：fspk為復合地基承載力特征值(kPa)；fpk為單樁承載力特征值(kPa)，取500 kPa；fsk為樁間土承載力特征值(kPa)，擠密處理后樁間土fsk取110 kPa；m為樁土面積置換率，本工程 m=18.7%。

計算得試驗區二fspk=183 kPa，與設計所要求180 kPa基本一致。

3 施工方案

3.1 施工材料

(1) 消石灰與土(場地內黃土)的體積配合比為3∶7。

(2) 灰土拌合所用土料應性質穩定，不得使用含有凍土塊、生活垃圾以及有機質含量大于5%的耕土、淤泥質土，同時不得使用膨脹性土和鹽漬土。

(3) 消石灰的質量應合格，有效(CaO+MgO)含量不得低于60%；本工程消石灰檢測參數見表2。

表2 消石灰粉技術指標統計

(4)灰土應拌和均勻，回填前含水量應接近最優含水量，允許偏差應為±2%；灰土擊實試驗結果見表3。

表3 擊實試驗技術指標統計

3.2 地基土參數

成孔時，地基土含水量宜接近最優含水量，本次施工前地基土擊實試驗及含水率試驗結果見表4。

表4 擊實試驗及含水率指標統計

地基土天然含水量為平均值為12.8%，接近最優含水量13.8%，且不小于12%，可不進行增濕作業。

3.3 施工設備

本次采用錘擊沉管方式成孔，成孔設備采用DD35型導桿柴油打樁機，沉管底口封閉，底部管箍外徑450 mm；夯實設備采用電動自行式卷揚夯實機，夯錘重1.5 t，夯錘直徑300 mm，高3.0 m，錘底凸出呈錐形。

3.4 施工工藝

3.4.1 成孔工藝

成孔采用錘擊成孔方式，為防止樁孔周圍地面隆起以及成孔困難，采用三遍成孔方式，每一遍間隔兩排。成孔順序見圖1。

3.4.2 夯填工藝

每遍成孔完畢立即進行回填夯實，回填夯實流程如下：夯機整平穩固并對準樁孔中心→底夯→填料→夯實填料→上層填料→夯實上層填料→至樁頂標高→夯機移位；夯填時應先底夯，夯擊次數一般為8～10擊；單層填料量0.10～0.15 m3(虛填厚度約50～80 cm)，夯錘落距2.0～5.0 m，每層錘擊次數7～10擊。由于夯實時樁體上部與樁體下部夯錘落距的差異，在夯填距樁頂標高3 m以下樁體時，錘擊數控制在7～8擊，夯錘落距不小于5.0 m；當夯填3 m以上樁體時，錘擊數控制在9～10擊，夯錘落距不小于3.0 m。為增加基底下樁間土擠密效果，在設計樁頂標高以上增夯0.50 m，該部分在載荷試驗檢測前挖除。

圖1 成孔順序示意圖

3.4.1 參數統計

樁孔成孔及夯填主要參數見表5、表6。

表5 成孔參數統計

表6 夯填參數統計

3.5 環境影響

根據經驗，本次成孔及夯填施工過程中地面震動影響范圍為50 m、噪音影響范圍大于200 m，灰土拌合期間存在揚塵可能；為有效消除或降低灰土擠密樁施工帶來的環境影響，應采取夜間停止施工、施工材料抑塵覆蓋的環保措施。

3.6 施工方案綜合分析

(1) 成孔施工時三遍成孔總錘擊數以及最后1 m錘擊數呈現遞增的趨勢，說明成孔施工對樁間土起到一定的擠密作用，且三遍成孔擠密疊加效應明顯。

(2) 回填夯實前必須進行底夯，本試驗底夯次數一般控制在8～10擊；由于成孔及鄰孔夯填施工產生的振動、成孔設備提升刮擦孔壁等原因，夯填前樁孔底部可能塌落一定厚度的虛土，塌落虛土厚度不應大于90 cm且底夯后孔底壓實土厚度不應大于30 cm，如不滿足上述要求，則應采取二次成孔或洛陽鏟掏土清孔的處理措施。

(3) 灰土擠密樁施工成孔直徑450 mm，擠密后樁體直徑478～515 mm，平均500 mm。

(4) 因素填土局部混卵石，該層土夾石厚度約為0.2 m～2.0 m；該區域成孔期間，樁孔由于土夾石導致塌孔嚴重，施工期間對該部分樁孔進行素土回填并二次成孔，二次成孔未發生塌孔現象。

(5) 由于夯填施工時樁體上、下部夯錘落距的差異，在夯填距樁頂標高3 m以下樁體時，夯錘落距不小于5 m，錘擊數控制在7～8擊；夯填3 m以上樁體時，夯錘落距不小于3 m，錘擊數控制在9～10擊，上述措施有效解決了上部土體因上覆壓力低而不易擠密的情況。

4 質量檢測

4.1 樁體壓實效果

樁體密實度數據見表7。

表7 樁體密實度檢測數據統計

樁體壓實系數均不小于0.96，平均值0.97，滿足規范要求；樁邊緣處壓實系數小于樁中心處，但差異不大。

4.2 樁間土擠密效果

樁間土擠密效果檢測數據見表8。

表8 樁間土擠密效果檢測數據統計

樁徑外100 mm處平均擠密系數為0.99，三樁中心平均擠密系數為0.98，數據表明樁間土在水平及豎向密度均勻，擠密效果良好，滿足設計要求。樁間素填土干密度最小1.71 g/cm3，根據經驗，可以間接判斷處理后樁間素填土無濕陷性。

4.3 濕陷性消除效果

本次對樁間素填土進行了濕陷性試驗檢測，處理深度內樁間土濕陷系數0.003～0.007，表明處理后樁間土無濕陷性。

4.4 復合地基承載力

本次共布置三點平板載荷試驗，最大加載至540～600 kPa，承壓板累計沉降量30.66～34.91 mm，p－s曲線均出現明顯陡降段，見圖2，可認為三點均已加荷至破壞狀態，灰土擠密樁復合地基承載力特征值取240 kPa、變形模量取17 MPa。

圖2 代表性檢測點p－s曲線

4.5 復合地基壓縮模量

通過測定樁體及樁間土試樣壓縮模量計算復合地基壓縮模量如下：

式中：Esp為復合土體的壓縮模量(MPa)；Ep為樁體壓縮模量(MPa)，試驗得21.6 MPa；Es為樁間土壓縮模量(MPa)試驗得19.7 MPa；m為復合地基置換率，m=18.7%。

計算得：復合土體的壓縮模量為20.1 MPa，建議取15 MPa。

5 結語

(1) 三七灰土擠密樁樁徑500 mm、樁距1.10 m處理后粉性新素填土復合地基承載力特征值可達240 kPa、變形模量可達17 MPa，該特征值下載荷試驗對應沉降量約10 mm。

(2) 灰土擠密樁處理厚層新素填土地層效果明顯，樁間填土擠密效果明顯，處理后密度大幅度提高，且水平及豎向均勻性較好，處理后無濕陷性。

(3) 施工過程中應充分考慮成孔孔底落土、上部樁間土不易擠密等問題，并采取相應措施解決。

(4) 擠密樁法施工對鄰近場地有振動、噪音、揚塵等環境影響，施工時應采取有效措施解決。

[1]DL/T5024－2005，電力工程地基處理技術規程[S].