水泥土擠密樁在大厚度濕陷性黃土地區渠道地基處理中的應用研究

孫章平

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

引洮二期供水工程是172項重大水利工程項目之一，是甘肅中部干旱區會寧、通渭、安定、隴西、靜寧、武山、甘谷、秦安等八縣區經濟社會發展的唯一水源工程，工程以城鄉生活、工業供水為主。工程區地處隴西黃土高原，海拔在1500～2620m，相對高差一般<300m。工程所在地分布有不同時代、不同成因的黃土。渠道大部分位于濕陷性黃土地基上，主要有馬蘭黃土及洪積黃土狀土，以及全新統洪積黃土狀土。濕陷厚度變化較大，一般為10～20m，局部可達30m左右。

在濕陷性黃土地基中，經常會出現由于渠道滲漏、雨水沖刷等原因造成渠基濕陷破壞的現象。甘肅地區渠道濕陷性破壞的工程實例有：靖會工程甘溝干渠地基分布最廣的為上更新統馬蘭黃土，分布厚度一般為3～10m，最厚達15m以上，地基處理采用原土翻夯1.5～2m，其上設水泥土墊層300mm，運行過程中由于渠道滲漏，造成基礎沉陷，變形嚴重；引大入秦工程東二干某隧洞連接段明渠，表層為4m厚粉質黃土狀土，設計時采用原土翻夯，運行不到10年，渠身開始裂縫，渠道變形等。各種工程實例表明，工程出現滲漏破壞的薄弱地段，主要發生在明渠、暗渠、隧洞連接段等施工條件相對簡單而容易被忽視的渠段，而不是施工條件復雜的隧洞、渡槽等建筑物。因此，濕陷性地區渠道設計應予以重視，選擇經濟合理的地基處理方式，對渠道安全運行至關重要。

本文以引洮二期工程總干渠末端渠道為例，介紹了水泥土擠密樁主要設計方法及處理效果的檢驗，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 黃土濕陷性機理及評價

1.1 黃土地基濕陷性機理

濕陷性黃土具有結構疏松、孔隙比大、遇水濕陷等特性。目前國內外學者對黃土濕陷性機理提出了許多假說，欠壓密理論主要認為濕陷性黃土由于氣候干燥少雨，土中水分不斷減少，鹽類析出，膠體凝結，產生了粘聚力，形成以粗粉粒為主的大孔隙結構。當土體濕度不大時，在自重或外力的情況下，不足以克服土中粘聚力。當土體受水侵濕時，結合水滲入顆粒之間，粘聚力減小或消失。在自重或外力作用下，土體發生下沉濕陷。

1.2 地基濕陷性評價

根據引洮二期工程總干渠末端試驗數據，判定該段地基濕陷性等級，并以此為依據，選擇經濟合理的地基處理方式。濕陷性黃土地基濕陷等級應根據自重濕陷量和濕陷量計算值綜合確定，由表1計算值可得，Δzs為1212mm，Δs為1332mm，該地段為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅳ級(很嚴重)。

式中，δzsi—第i層土的自重濕陷系數；hi—第i層土的厚度，mm；βo—隴西地區取1.5；

表1 濕陷性黃土地基的濕陷等級判定表

式中，δsi—第i層土的濕陷系數；hi—第i層土的厚度,mm；β—考慮基底下地基土的受水浸濕可能性和側向擠出等因素的修正系數，基底下0～5m深度內，β=1.5；5～10m深度內，β=1；10m以下至非濕陷性黃土層面，在自重濕陷性黃土場地，取工程所在區βo。

自重濕陷量計算深度自天然地面算起，至非濕陷性黃土層頂面為止，其中自重濕陷性系數δzsi<0.015土層不計。濕陷量計算深度自基礎底面(基底標高不確定時，自地面下1.5m)算起；在自重濕陷性黃土場地，累計至非濕陷性黃土層頂面為止，其中濕陷系數δsi<0.015土層不計。

2 地基處理方案比選

目前，因不同地質條件，不同構筑物形式，地基處理方式不同，地基處理主要有預浸水法、墊層法(灰土墊層、水泥土墊層等)、強夯處理、灌注樁、擠密樁等方法[5]。預浸水法是將黃土濕陷性地基預先用水浸濕，以達到消除濕陷性目的。該方法可消除地面6m以下地基土全部濕陷性，操作簡單，然而該方法處理時間長，水量浪費大，對工期緊、水資源匱乏工程，不宜適用。墊層法為渠道常用淺層處理方法，該方法一般處理厚度為1～3m，處理厚度有限，對于大厚度濕陷性黃土而言，剩余濕陷量大，渠道安全系數較低。強夯法是利用夯擊能克服土顆粒摩擦力做功，使土顆粒密實，從而消除濕陷性，該方法可處理深度一般為3～12m，在成片構筑物、施工場地較大時應用較多。對渠道而言，一般離村莊、山坡較近，不宜采用。灌注樁法進行地基處理時，建筑荷載可通過灌注樁直接傳至穩定地基，該方法成本高、工期長。擠密樁法采用機械成孔，然后利用填料分層夯填，在造孔及成樁過程中，對樁間土有一定的擠密作用。由于樁間土受較強側限、擠密作用，孔隙率減小，滲透系數降低，可形成阻止渠道滲漏水、雨水等浸入深層地基土的阻斷層，提高地基土的防水抗滲性。因水泥土具有良好的隔水防水和提高地基承載力雙重作用，本工程選用水泥土擠密樁。水泥土擠密樁處理深度可達5～15m，目前較廣泛應用于建筑、交通等行業，在水利行業渠道地基中應用較少。

3 水泥土擠密樁方案設計

3.1 地基處理深度確定

目前，GB 50025—2004《濕陷性黃土地基規范》及JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》主要針對建筑及整片構筑物，而類似渠道狹長型的構筑物設計，只能參考相關規范標準執行。引洮二期工程供水對象重要性為重要，且渠道地基受水浸濕可能性較大，因此渠道屬于丙類構筑物。根據規范要求當地基濕陷等級為Ⅳ級時，下部未處理濕陷性黃土的剩余濕陷量不應大于200mm。

本工程的濕陷性黃土厚度達18m，當渠道地基處理深度為5m時，剩余濕陷量為325mm，大于規范要求。如滿足規范要求，則處理深度達8～10m。較大的地基處理深度，將增加施工難度和工程投資。以本段暗渠(長610m)為例，采用水泥土擠密樁處理，處理深度10m比5m約增加投資60多萬，渠道投資增加10%左右，顯然不夠經濟合理。當丙類建筑剩余濕陷量大于《濕陷性黃土地區建筑規范》要求但不大于2倍時，應采取防水措施、結構措施和維護措施；當大于2倍時，應專門研究。因此渠道地基處理深度可適當放寬，建議剩余濕陷量控制以不大于規范規定值的2倍為宜。由于暗渠基礎挖深一般大于5m，綜合考慮后，地基處理深度為5m。

3.2 水泥土擠密樁樁徑及樁距設計

為更好增加樁間土密實度，消除地基濕陷性，宜采用沉管擠密施工法，而不采用預鉆孔夯擴擠密(DDC)。渠道設計時為減少濕陷性地基處理深度、防止暗渠凍脹破壞，應適當加大埋深。該段渠頂覆土厚度一般在2.5～3m左右，另外考慮車輛等荷載，設計地基承載力不小于200kPa。根據施工方法、工期要求及工程經驗，本工程采用樁直徑為400mm。擠密樁間距可按以下方法初步確定。

式中，λ—單樁承載力發揮系數，λ可取1；fsk—根據試驗資料，該段樁間土承載力特征值為0.13～0.15MPa；β—樁間土承載力發揮系數，取0.9～1；Ap—樁截面積；fcu—根據試驗得出，該基土10%水泥土28d齡期強度為2.9～3.1MPa；m—面積置換率。

經計算，樁間距在800～900mm之間可滿足承載力要求，為保守起見，采用樁間距800mm。

3.3 結構與排水措施

擠密樁處理深度為5m，未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量325mm，大于規范要求，暗渠設計時應采用相應的結構、排水措施。由于夯實水泥土樁變形模量大于樁間土變形模量，為調整基礎應力分布，保證樁、土共同作用，在樁頂鋪設500mm水泥土墊層。在側墻內側加設30×30cm貼角，以減小轉角處的應力集中，避免暗渠產生裂縫。為防止暗渠不均勻沉降，每8m設一道伸縮縫，縫寬20mm，縫內距迎水面12cm設橡膠止水帶，迎水面填縫材料采用雙組份聚硫密封膠；為防止伸縮縫失效內水外滲，在暗渠底部及左右側墻鋪設復合土工膜(兩布一膜，500g/m2)加強防滲。暗渠回填盡量恢復至原地面，在開挖深度較大，采用部分回填，在回填頂面設排水溝，將雨水排到渠外。

4 擠密樁處理效果檢驗

4.1 復合地基承載力檢驗

為檢驗復合地基承載力，對處理后地基進行單樁復合地基靜載試驗，承壓板采用圓形鋼板，如圖1所示，面積為一根樁承擔面積。由計算可得面積置換率m為0.1256，單樁承擔面積為0.554m2，選擇承壓板直徑為0.84m。

圖1 單樁復合地基靜載試驗

根據試驗數據，得到單樁復合地基的P-S關系曲線如圖2所示。

圖2 單樁復合地基P-S曲線

分析圖2可知，該P-S關系曲線無明顯拐點，為緩變型曲線，最大加載力為設計值2倍。地基相對變形值s=0.008b(6.72mm)所對應的荷載306kPa，最大加載力一半為200kPa，兩者取小值，該試驗點承載力特征值為200kPa，滿足設計要求。處理前天然地基承載力特征值為130～150KPa，由此可見，水泥土擠密樁可顯著提高地基承載力。

4.2 樁體及樁間土擠密試驗

樁體及樁間土干密度采用回轉鉆機鉆芯取樣，在樁長處理范圍內，每隔1m取原狀土樣。樁體試驗結果見表2，壓實系數隨深度變化如圖3所示。

分析表2可知，樁體土含水率為11.4%～16.9%，干密度為1.62～1.67g/cm3，壓實系數為0.97～1.0，滿足規范要求。由圖3可知：樁體內不同深度壓實系數較均勻。由此可見，水泥土擠密樁施工時，通過合理控制分層厚度、夯實擊數等施工參數，樁體內壓實系數均可達到理想效果。

表2 樁體填料試驗結果

圖3 樁體填料不同深度壓實系數曲線

在樁間布置三個探井，每隔1m取原狀土樣。樁間土含水率、擠密系數及濕陷性等試驗結果見表3。

分析表3可知，樁間土含水率在15.5%～18.0%之間，最小干密度為1.58g/cm3，最小擠密系數為0.929，δs最大值為0.012，δzs最大值為0.009。由此可見，采用樁徑400mm、間距800mm擠密樁，地基處理范圍內樁間土濕陷系數及自重濕陷性系數均小于0.015，黃土濕陷性全部消除，滿足規范設計要求；總體規律為干密度與濕陷性系數成負相關。結合本地區大量試驗可得，黃土地基一般干密度ρd≥1.5g/cm3時，基本上無濕陷性，此結論為快速判定黃土濕陷性提供一定依據。

已建引洮一期工程中采用擠密樁處理暗渠段，通水運行4年多，運行情況良好。在本工程中，擠密樁地基處理深度5m，剩余濕陷量為325mm，大于規范要求，但處理范圍內地基濕陷性全部消除，地基性質得到明顯改善，加上結構及防水措施，工程安全度大大提高，工程可正常運行。

表3 樁間土試驗結果

5 結語

本文結合工程實例，通過對地基濕陷性等級判定，采用水泥土擠密樁，水泥土墊層和復合土工膜防滲等綜合處理方式，取到了良好的經濟質量效果。建議在大厚度濕陷性黃土中，渠道地基處理深度可適當放寬，以剩余濕陷量不大于規范要求值2倍為宜，同時采用相應的結構、排水措施。剩余濕陷量具體控制值有待進一步研究確定。在今后渠道工程中，應根據工程重要性、濕陷性黃土厚度、濕陷等級、施工場地等實際情況，采用一種或幾種組合方式進行處理，以找到更加經濟合理的處理方案。