灰土擠密樁加固濕陷性黃土地基的研究

Study on Reinforcement of Collapsible Loess Foundation by Lime Soil Compaction Piles

WANG Liang

摘要：采用灰土擠密樁加固濕陷性黃土具有高效、快捷、經濟等優勢。本文以蘭海高速公路臨洮至渭源段LW4標段采用灰土擠密樁進行濕陷性黃土加固處理的工程實例為依托，詳細闡述了灰土擠密樁各施工設計參數的選定方法和試驗優化過程。對處理過的復合地基進行承載力檢測的結果證明，本項目采用的灰土擠密樁加固濕陷性黃土達到了設計要求的良好處理效果。

Abstract： The use of lime-soil compaction piles to reinforce collapsible loess has the advantages of high efficiency， speed and economy. This paper relies on the engineering example of the limestone compaction pile for the collapsible loess reinforcement treatment in the LW4 section of Lintao to Weiyuan section of Lanhai Expressway and expounds the selection method and experimental optimization process of various construction design parameters of lime-soil compacted piles in detail. The results of bearing capacity test on the treated composite foundation prove that the lime-soil compaction pile used in the reinforcement of the collapsible loess achieves the good design effect.

關鍵詞：濕陷性黃土;灰土擠密樁;地基加固;施工參數;關鍵技術

Key words： collapsible loess;lime-soil compaction pile;foundation reinforcement;construction parameters;key technology

中圖分類號：TU472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）32-0172-03

0? 引言

我國地域內較為廣泛地分布著濕陷性黃土，黃土的濕陷性帶來了諸多不良工程地質問題。為了滿足建筑物對地基承載能力、安全穩定性的要求，需對黃土濕陷性進行有效的處理。目前對于濕陷性黃土的處理方法及措施較多，每種方法的處理技術效果各異，經濟投入也差別較大。本文通過蘭海高速公路臨洮至渭源段LW4標段所遇到的濕陷性黃土特征進行分析，并對各種加固濕陷性黃土地基技術效果及經濟優勢進行了分析說明，以獲得高效、快捷、經濟加固處理本項目濕陷性黃土的方法，為今后類似項目濕陷性黃土處理方法的選擇提供參考依據。

1? 工程概況

本工程為蘭州至海口國家高速公路臨洮至渭源段LW4合同段，包含正線7.358km，G212國道改移2.585km。本項目主要位于黃土高原區隴中（隴西）黃土高原亞區，地處隴西高原黃土高原西南邊緣的洮河、渭河分水嶺，縱跨黃河流域。地勢西北高東南低，地形相對復雜，有山梁、河谷、川臺地，本合同段線路平均海拔約2260m。

沿線濕陷性黃土主要分布于洮河河谷Ⅲ級階地及其以上階地、丘陵地帶的黃土與黃土狀土，厚度一般為5～8m，以黃色為主，有灰黃、褐黃等色;含有大量粉粒，具有肉眼可見的大孔隙，無層理，垂直節理發育，一般具有濕陷性。

根據土工試驗檢測，沿線的濕陷性場地和濕陷等級分段為：標段屬自重濕陷性場地，為Ⅲ（嚴重）～Ⅳ（很嚴重）。

由于黃土濕陷性會引起如下工程地質問題：路基沉陷、橋臺失穩、邊坡變形破壞、黃土陷穴等。故需對本項目的濕陷性黃土進行處理，確保高速公路路基、橋涵等各結構的安全穩定性。

2? 濕陷性黃土處理要求達到的目的及處理方法的比選

2.1 濕陷性黃土處理要求達到的目的

為了消除黃土濕陷性引起的路基沉陷、邊坡變形破壞、黃土陷穴等病害問題，需消除黃土的濕陷性，提高地基土的承載強度，本標段黃土濕陷性加固的要求如下：

①因本項目為自重式濕陷性黃土，為避免路基工后沉降過大，需處理基底以下的全部濕陷性土層。即本標段黃土加固處理最深8m。

②濕陷性黃土地基經處理后，樁間土達到中等密實，壓實系數λc≥0.95，復合地基承載力需滿足≥200kPa以上。

2.2 加固方案的比選

進行濕陷性黃土的處理方法較多，也相對成熟，但在不同的地質條件下，各類處理方法技術可行性、適用性、處理深度及處理效果各不相同。

故進行處理方案選定時，需了解各類加固措施的優缺點，針對本項目選擇一種技術可行、效果顯著及經濟合理的加固方法。本項目針對濕陷性黃土處理加固常用的挖土換填、化學改良、灰土擠密樁、強夯法等不同方法進行比選，以選定適合本項目施工條件，且技術可行、進度可控、經濟合理的處理方法。

2.2.1 換填

對于淺層地基采用灰土或是其他合格取土進行換填的處理方法經濟適用。但本項目最大處理深度達8m，換填法需進行大量的棄方和取土分層碾壓回填，經測算，如果采用灰土換填，綜合單價近37元/m3，故換填法不適合本項目。

2.2.2 化學改良

化學改良為采用水泥或石灰對濕陷性黃土進行改良，其施工工藝方法與換填類似，需開挖所有濕陷性黃土進行改良后再分層回填。

故也不適合本項目8m深度的濕陷性黃土處理。

2.2.3 強夯

本項目濕陷性黃土加固達8m，經強夯設計計算，需8000kN·m能級方能達到有效加固深度。根據以上強夯能級，按擬采用的施工機械、夯錘、布點形式、夯擊遍數、置換深度等進行測算，綜合單價近59元/m3，施工成本高，故強夯于本項目而言，施工成本高。

2.2.4 灰土擠密樁

相對于換填土，灰土擠密樁避免了開挖及換填，故減少土方開挖及換填的工程量，施工工期節約超50%。由于不受開挖和回填的限制，灰土擠密樁可以深層加固，處理深度大，能夠很容易進行本項目深度8m土層的加固處理。經對灰土擠密樁的綜合單價進行分析，綜合單價僅20.3元/m3，施工效益良好。

經技術比較及經濟分析，本項目濕陷性黃土采用最終采用灰土擠密樁進行加固處理。

3? 灰土樁加固參數設計

3.1 樁孔直徑

當設計樁徑d偏小時，則需增加樁數，即提高打樁和回填的工作量;但采用過大樁徑，則樁間土擠壓密實度不足，導致消除濕陷性效果不佳。且大樁徑對成孔設備要求高。故樁徑通常為300～450mm，根據本項目成孔方法及所選成孔設備，樁徑設計為0.4m。

3.2 處理深度及寬度

本項目為自重濕陷性黃土場地，處理地基以下的全部濕陷性土層。

處理寬度超路基邊緣線、結構物外緣線以外2m。

3.3 樁位及樁距

灰土樁的擠密效果與樁距有關。而樁距的確定又受原狀土的干密度和孔隙比影響。需通過試驗或計算確定設計樁距。

①樁位呈等邊三角形布設，樁間距（s）通常為2.0～2.5倍樁徑;

②或按估算（m）。

—樁間土最大干密度（t/m3）;原狀土的平均干密度（t/m3）;—處理后樁間土平均擠密系數（不宜小于0.93），對一般工程不應小于0.9;d為樁孔直徑（m）。將本項目土體物理力學指標、處理要求及擠密樁參數等代入上式中，經計算得樁徑0.96m。結合本項目施工所用機械設備及以往類似項目施工經驗，擬采用的樁距為0.9m，按等邊三角形布設。

3.4 填料及壓實系數

孔內的填料消石灰與土的體積配合比為3：7。

要求樁心土壓實系數λc≥0.95;樁間土ηc≥0.90。

并于樁頂標高以上設計400mm厚灰土（消石灰與土的體積配合比為2：8）墊層，墊層壓系統lc≥0.95。

3.5 施工成樁工藝的選擇

本項目采用沉管成孔，即采錘擊打樁機將帶樁尖的特制管樁打入土層，達到設計處理深度后慢慢拔管而成孔。沉管法成孔的孔形規整、孔壁光滑，施工技術及擠密效果易于控制，質量得到保證，且常用的沉管樁機與本項目樁管直徑、長度等相適應，能夠取得較好的加固質量及經濟效益。

4? 試樁

大面積黃土地基擠密樁處理前，先進行試樁，并采用平板載荷試驗，以驗證經處理后的復合地基承載力能否達到標準值fK≥200kPa的要求。

完成試樁后，選取了代表性的4組單位樁進行復合地基平板靜力載荷試驗。壓載荷板的面積為0.81m2。試驗數據所得的P-S曲線見圖1和表1所示。

由圖1、表1的灰土樁處理濕陷性黃土復合地基載荷試驗結果可得，灰土樁地基處理后的復合地基承載力標準值fK達到≥200kPa的要求。

5? 施工質量試驗檢測

5.1 擊實試驗

采用SJ-Q型標準擊實儀進行本項目的擊實試驗。地基原狀土的最大干密度為1.67g/cm3，最佳含水量為19.5%。樁體灰土的最大干密度為1.73g/cm3，最佳含水量為18.6%。

測試數據于表2、表3所示。

對表2、表3的檢測結果進行分析可得，采用以上設計參數的灰土擠密樁進行地基加固的樁心填料、樁間土的壓實及擠密效果滿足設計要求。

5.2 處理后的黃土濕陷性試驗

進行灰土樁處理后的黃土濕陷性變化試驗，以測定地基經灰土擠密處理后是否還具有濕陷性。試驗采用單線法進行。具有代表性的測坑測試數據如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可看出，在不同壓力情況下，不同土層的濕陷系統數均小于0.015，按國內《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB50025-2004）的要求，可判定經灰土擠密樁處理后的地基土已消除了濕陷性，達到處理的目的。

6? 施工關鍵技術

①在夯填施工前應進行夯填工藝試驗，確定合理的分次填料量和夯擊次數。

②成孔施工時地基土宜接近最優含水量，若含水量低于15%，則采取增濕措施，即在擠密樁施工前4～6d，設置合適數量和深度的滲水孔進行滲水增濕，使增濕水均勻地滲入原狀土層中。

③灰土擠密樁的施工處理順序。本項目灰土擠密樁處理的線路長，總體采取分段施工。對于處理面積較大段落，從道路中線向外間隔1～2孔進行。當進行局部小面積處理時，采取從外向里間隔1～2孔的順序進行。

④成孔后需將孔底夯實，并按施工規范要求對樁孔的直徑、深度和垂直度進行抽樣檢查，樁孔的垂直度偏差控制在1.5%內;樁孔中心點的偏差控制在樁距設計值的5%內。

向孔內填料前，孔底應夯實，并應抽樣檢查樁孔的直徑、深度和垂直度;樁孔的垂直度偏差不宜大于1.5%。成孔檢測合格后，按設計要求將拌制合格的灰土分層填入孔內直至設計標高，并分層認真夯實。

⑤處理時，全程安排專人對成孔、回填質量進行監測，同時做好施工記錄。當原狀土與勘察、設計資料不符，需立即停工處理。查明原因并采取有效處理措施后，方能繼續施工。

⑥如成孔后的樁內有滲水、涌水或是積水等現象時，可將孔內水抽排干凈，或采用混凝土樁體、碎石樁替代水下部分的樁體，水上部分樁體還為灰土樁。

⑦施工中樁體出現堵塞、縮頸、孔內土體坍塌、擠密成孔困難時，采取如下措施進行處理：1）當土體含水量過大，并發生較嚴重縮頸時，將塊狀生石灰、水泥干灰、粉煤灰、干砂、碎磚碴等填入孔內;當含水量過小時，先浸水增濕，使土體達到或臨近最優含水量后再繼續施工;2）遵守成孔順序，由外向里間隔進行（硬土由里向外）;3）施工時成孔一個，夯填一個，或是隔幾孔跳打夯填;4）合理控制擠密樁的有效擠密范圍。

7? 結束語

①本項目竣工后，經過6個月的沉降觀測，地基穩定無變形，工程實踐表明，灰土擠密樁用于濕陷性黃土地基時，不論是消除土的濕陷性還是提高地承載力都是效果明顯的。

②施工實踐表明，如果原狀土的含水量超過24%、飽和度大于65%，成孔和拔管施工時，容易出現樁孔縮頸和樁周土體隆起等問題，達不到要求的擠密效果。故地下水位以下或是處于細飽和帶的土層不適合采用沉管成孔工藝。

③擠密效果受原狀土天然含水量的影響較大，當原狀土接近最優含水量時，土體呈塑性狀態，可達到最佳擠密效果。當含水量過小時，土體堅硬狀態時，則降低了有效擠密區。當含水量過大時，由于擠壓會出現超孔隙水壓力，導致不能擠密土體，且擾動降低了孔壁周邊土體強度，拔管時容易產生縮頸等質量情況。

參考文獻：

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作者簡介：王亮（1985-），男，河北廊坊人，畢業于河北建筑工程學院，研究方向為施工技術。