DDC深孔強夯技術(shù)在解決濕陷性黃土問題中的運用

張少朋

摘要：通過在景中高速公路中研究深孔強夯（DDC）對濕陷性黃土處治的技術(shù)可行性研究，為濕陷性黃土區(qū)采用深孔強夯（DDC）處治濕陷性施工提供相關(guān)參數(shù)，形成行業(yè)內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)參考資料，為類似地質(zhì)條件的深孔強夯（DDC）施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路路基;濕陷性黃土;DDC深孔強夯;試驗

Abstract： By studying the technical feasibility of the treatment of collapsible loess by DDC in Jingzhong Expressway， it provides relevant parameters for the treatment of collapsible construction by DDC in collapsible loess area， and forms technical reference materials in the industry to provide basis for DDC construction under similar geological conditions.

Key words： highway subgrade;collapsible loess;DDC;test

0? 引言

景中高速公路JZ7合同段濕陷性黃土分部廣，且多為Ⅱ級以上自重濕陷，處理規(guī)模大，質(zhì)量風(fēng)險高，需采取適當(dāng)黃土濕陷性工程處理措施，降低施工風(fēng)險和公路后期運營風(fēng)險。根據(jù)工程地質(zhì)、地形、水文、周邊環(huán)境等特點，本項目擬采用深孔強夯（DDC）進(jìn)行濕陷性黃土的處治。為了驗證DDC法處治濕陷性黃土的可行性，本項目進(jìn)行了DDC深孔強夯處治濕陷性黃土的試驗研究。驗證技術(shù)可行性的同時，積累了DDC法處治濕陷性黃土的施工技術(shù)和經(jīng)驗，為后續(xù)大面積施工提供依據(jù)。

1? 工程簡介

景中高速公路JZ7合同段項目位于中川鎮(zhèn)鏡內(nèi)，地處黃土丘陵區(qū)。黃土丘陵頂部渾圓，谷地開闊，上部覆蓋第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土，巖性以淺黃到灰黃色粉土、粉砂為主，土質(zhì)均勻，干燥，結(jié)構(gòu)疏松，具有大孔隙，可見蟲孔及植物根系，具有濕陷性。第四系中更系統(tǒng)和下更新統(tǒng)的地層構(gòu)成黃土丘陵的基座。黃土直立性較好，路基開挖形成的黃土邊坡較穩(wěn)定，但黃土中落水洞十分發(fā)育，存在雨水沖刷坡面。沖溝內(nèi)部多為松散的第四系全新統(tǒng)晚期堆積物，巖性以淡黃色粉土為主，局部夾粉砂、細(xì)砂透鏡體，土質(zhì)均勻，松散，干燥，具有水平層理，可見植物根系和蟲孔。此類洪積物多被人工平整，改造為臺階狀梯田，其承載力較低，工程地質(zhì)性質(zhì)很差。不良地質(zhì)主要有黃土陷穴、人工洞穴、黃土深切沖溝及碎落。特殊性巖土主要有濕陷性黃土、鹽漬土及人工填土，其中濕陷性黃土遍布本標(biāo)段路基全線。

為確保工程施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度和成本，我部開展?jié)裣菪渣S土地區(qū)特殊路基處理綜合施工關(guān)鍵技術(shù)研究，為類似工程提供理論和實踐的指導(dǎo)。

2? 黃土基本物理性質(zhì)

按JTG E40–2007 《公路土工試驗規(guī)程》對土樣開展試驗，得到比重2.7，塑限19.1%，液限24.2%，塑性指數(shù)5.1，顆粒級配如圖1，大于0.075mm粒徑含量不超過50%，含水率5.35～13.14%。

經(jīng)土工試驗，本項目路基所經(jīng)處多為Ⅱ級以上自重濕陷性黃土。

3? 處理方法的初步選定

目前工程中對黃土濕陷性的處理主要有墊層法、振動/沖擊碾壓法、強夯法、擠密法、預(yù)浸水法，目的是破壞黃土的疏松結(jié)構(gòu)，降低其孔隙比，達(dá)到消除或減少黃土濕陷性的目的。不同方法適用范圍和處理深度不同，根據(jù)土質(zhì)特性、地形地勢、水文特點、區(qū)段長度、周邊環(huán)境，結(jié)合填土材料、機械設(shè)備條件、工藝方法等，選擇合適的處理方法。如處理不好，將對路基后期運行將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。本項目根據(jù)土質(zhì)特性、處理深度、要求的處理效果等各種要求，對適用的黃土濕陷性處理的各種方法進(jìn)行了初步評估，擬采用DDC（深層孔內(nèi)強夯）。

DDC是一種復(fù)合地基處理方法，適用人工填土厚度>3.0m時且基底為Ⅱ級以上自重濕陷性黃土的地基處理，該方法采用沉孔法在土中成孔，然后用10%石灰土分層夯填成樁，用擠密的方法破壞黃土地基的松散、大孔結(jié)構(gòu)，以消除或減輕地基的濕陷性。本項目擬對DDC法處理本項目濕陷性黃土的適用性進(jìn)行試驗研究。且在技術(shù)可行的情況下，以獲得機械配備、機械施工參數(shù)，以及DDC的最佳設(shè)計參數(shù)及施工經(jīng)驗。

4? 試驗方案及組織

4.1 試驗機械、填料的選擇

查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料，且根據(jù)目前所能獲得施工機械設(shè)備情況，本標(biāo)段DDC樁直徑采用60cm，要求成樁后樁徑>80cm。DDC樁采用振動沉管法成孔，內(nèi)擊錘夯擊回填夯實成樁。孔內(nèi)填料為10%灰土，填土分層厚度不大于30cm，含水率偏差±2%，有機質(zhì)含量不大于5%，土塊粒徑不大于1.5cm，灰塊粒徑不大于0.5cm，石灰鈣鎂含量不小于55%。垂直度偏差不大于1.5%，樁位偏差5cm。要求處理后樁身壓實度不小于97%，樁間土擠密系數(shù)大于93%。地基承載力檢測不小于250kPa。

進(jìn)行試驗的目的主要有以下三個：

①驗證DDC樁法能否消除黃土濕陷性，并達(dá)到設(shè)計要求。

②在驗證DDC樁法能消除黃土濕陷性的情況下，以獲得本項目施工最佳樁間距及夯擊能。

③對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，以獲得最佳質(zhì)量、經(jīng)濟綜合效果的施工參數(shù)。

4.2 施工參數(shù)的選擇及試驗方案

①樁間距分級按1.5m、1.8m、2.1m、2.4m。

②孔內(nèi)夯擊能分級按600kN·m、800kN·m、1000kN·m、1200kN·m、1400kN·m。

試驗時，按各級樁間距、孔內(nèi)夯擊能的組合進(jìn)行施工試驗，驗證技術(shù)可行性的同時以獲得DDC樁法處治濕陷性黃土的規(guī)律，然后進(jìn)行正式施工參數(shù)的確定，以達(dá)到最佳的質(zhì)量、經(jīng)濟綜合效果。

5? 試驗方法

①機械選型：DDC樁的主要機具是ZCHK-600液壓步履式夯擴樁機，夯錘重量為10t，最大鉆孔直徑為60cm，最大夯擊深度為12m。

②施工放樣：測量放樣包括：施工邊線、樁點及場地標(biāo)高。施工邊線及樁點確定后，用白灰將樁點標(biāo)出。

③樁機就位：夯錘按布置好的樁位就位，沉管上刻劃刻度線，樁機保持垂直，用吊錘或經(jīng)緯儀檢查垂直度，垂直度偏差不大于1.5%。

④成孔：沖擊成孔，每沖擊1m深度，護(hù)筒跟進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計深度后成孔。

⑤驗孔：成孔后清底夯實、夯平，夯實次數(shù)為6擊，合格后采用蓋板蓋住孔口防止雜物落入。

⑥灰土拌和：灰土填料拌合與成孔同時進(jìn)行，拌合土加水悶24h后使用，石灰由灰土拌合站消解過篩后使用。

⑦回填夯實：夯填成樁，每次提起護(hù)筒60cm，人工填灰土0.3方，10t夯錘夯擊6次，再次充填灰土，夯實，直至成樁。

⑧進(jìn)行試驗檢測，并對結(jié)果進(jìn)行分析研究。

6? 處理效果分析

6.1 擠密效果

6.1.1 擠密效果試驗

為評估路基濕陷性黃土的工程處理效果，開展了黃土的室內(nèi)濕陷試驗以及直剪試驗。

對DDC樁處理后的黃土采用坑探法取樣，取樣位置為未經(jīng)工程處理的原狀黃土和經(jīng)工程處理后的樁間擠密黃土。

因試驗數(shù)據(jù)及資料較多，以下僅闡述了夯擊能為1000kN·m，樁間距為2.4m時的擠密效果試驗過程。

取樣深度為處理后地面下約1m、2m、3m、4m，土樣長寬高約為25～35cm。土樣達(dá)到Ⅰ級不擾動樣要求，現(xiàn)場密閉封裝后運至實驗室。

處治前后與樁中心不同距離及深度處土體密實度變化如圖2所示。

由圖2可知，在夯擊能1000kN·m、樁間距為2.4m情況下，隨著檢測點遠(yuǎn)離樁中心，各不同深度內(nèi)的樁間土擠密程度越低，距離樁中心0.8m時，不同深度內(nèi)的擠壓密度均超過0.93，達(dá)到設(shè)計要求，當(dāng)距離再增大時，擠壓密度不僅不能達(dá)到設(shè)計要求，且急劇降低。故在夯擊能1000kN·m達(dá)到擠密效果的樁間距為1.6m（2×0.8）。

試驗還表明，在擠壓密度達(dá)到0.93時，地基承載力檢測均超過250kPa。

6.1.2 各級夯擊能下擠密有效半徑試驗

經(jīng)對不同夯擊能的擠密有效半徑，即能確保周邊土體處治效果達(dá)到設(shè)計要求的影響距離（距樁中心）進(jìn)行了測試試驗，在不同夯擊能情況下，擠密有效半徑結(jié)果見表1、圖3。

由表1、圖3可行，600kN·m夯擊能時有效擠密半徑僅為0.5m，增加夯擊能后有效擠密半徑快速增大，但夯擊能超過1000kN·m后，隨著夯擊能的增加，有效半徑增長顯著放緩，可見，最為經(jīng)濟的夯擊能為1000kN·m，有效擠密半徑為0.85m（即樁距為2×0.85=1.7m，與圖2的研究結(jié)果非常接近）。

6.2 自重濕陷性和濕陷性

根據(jù)設(shè)計文件，該地區(qū)黃土屬于自重濕陷Ⅱ級，因此，將處理后黃土的自重濕陷性作為處治效果評價項目之一。現(xiàn)場取樣點距樁中心為0.8m，且包括3個不同深度，按飽和度85%計算，平均自重壓力分別約為22kPa、39kPa、67kPa。規(guī)范推薦分級加載后加水，起始壓力值為50kPa，大于或接近于取樣深度的自重壓力。因此不宜按規(guī)范方法，這里采用直接按計算自重壓力施加，穩(wěn)定后浸水的試驗方案。對每一深度，取3個高為20mm標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣，按JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》，在固結(jié)儀上加壓穩(wěn)定后浸水。試驗結(jié)果如表2所示，可見，在處理后，黃土濕陷性系數(shù)很小，已經(jīng)消除了處理范圍內(nèi)的黃土濕陷性。

可見，表2中列舉經(jīng)處治后的黃土自重濕陷數(shù)值遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的濕陷系數(shù)0.015。因黃土的濕陷性隨壓力增大而減小，可以推測在路基荷載下，黃土濕陷性小于表2給出的濕陷值，也小于0.015，故驗證了采用DDC深孔強夯能夠有效對黃土的濕陷性進(jìn)行處治。

6.3 剪切強度

黃土進(jìn)行擠密處理后，一般來說，其強度指標(biāo)會增長。對深度為3.5～3.7m處的土樣進(jìn)行剪切強度。對路基處理前土樣，采用豎向壓力分別為50kPa、100kPa、200kPa，對路基處理后土樣，增加1個豎向壓力為150kPa的試驗。為了試驗結(jié)果具有可對比性，將試樣的含水率調(diào)整到基本相同，地基處理前、后試樣數(shù)據(jù)分別如表3所示。

圖4 是路基黃土直剪試驗結(jié)果，可見，經(jīng)擠密處理后黃土內(nèi)摩擦角變化不大，僅從29.6°提高到30.5°;但黏聚力從29.74kPa提高到37.86kPa。這表明擠密處理對黃土強度影響主要體現(xiàn)在黏聚力指標(biāo)。表明經(jīng)處理后土體的強度指標(biāo)得到明顯提高。

6.4 試驗結(jié)果分析及總結(jié)

對不同深度DDC樁處理的濕陷性黃土的室內(nèi)試驗分析結(jié)果表明，處理前后干密度顯著提高，孔隙比顯著降低，試驗取樣深度內(nèi)的黃土消除了自重濕陷性。路基黃土經(jīng)擠密處理后，密實度達(dá)到了設(shè)計要求，土體的強度指標(biāo)有明顯增長。處治取得了預(yù)期的效果，表明采用深孔強夯（DDC）對濕陷性黃土處治是技術(shù)可行的。

7? 本項目大面積施工參數(shù)、施工機械的選定

因為濕陷性黃土含水率較低的特點，采用普通的DDC夯擴樁機施工時，塌孔特別嚴(yán)重，無法成孔。本項目采用ZCHK-600液壓步履式夯擴樁機，邊成孔邊套管跟進(jìn)的施工工藝，解決了濕陷性黃土地區(qū)DDC施工中無法成孔的技術(shù)問題。施工時要求樁孔垂直度偏差不大于1.5%，樁位偏差不大于5cm。

本標(biāo)段DDC樁直徑設(shè)置為60cm，要求成樁后直徑>80cm。按各區(qū)域處理深度調(diào)整樁長。按試驗成果并考慮不利因素的影響，保守確定樁間距為1.5m。

樁內(nèi)夯擊能不小于1000kN·m。孔內(nèi)填料為10%灰土，填土分層厚度不大于30cm，含水率偏差±2%，有機質(zhì)含量不大于5%，土塊粒徑不大于1.5cm，灰塊粒徑不大于0.5cm，石灰鈣鎂含量不小于55%。樁身壓實度不小于97%，樁間土擠密系數(shù)大于93%。地基承載力檢測不小于250kPa。

本項目在大面積施工前，按如上施工機械配備、施工參數(shù)進(jìn)行試施工，經(jīng)試驗檢測，完全能夠滿足處理濕陷黃土的要求。

8? 研究總結(jié)

隨著公司轉(zhuǎn)型升級的深入和國家戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)移，在西部開發(fā)中將會有更多公路、鐵路工程項目涉及濕陷性黃土，因此掌握濕陷性黃土的工程特點及處理工藝對公司承擔(dān)類似涉及黃土的工程項目至關(guān)重要。通過本工程采用DDC對濕陷性黃土進(jìn)行處理，積累了施工技術(shù)和工程經(jīng)驗，為以后公司類似工程施工提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐湘萍，等.基于三軸試驗的濕陷性黃土增濕力學(xué)特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2016（6）：49-54.

[2]陳存禮，高鵬，胡再強.黃土的增濕變形特性及其與結(jié)構(gòu)性的關(guān)系[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006（7）：1352-1360.

[3]陳存禮，等.常含水率三軸條件下非飽和原狀黃土的吸力和力學(xué)特性[J].巖土工程學(xué)報，2014（7）：1195-1202.

[4]張新婷，等.基于cd三軸試驗的非飽和黃土吸應(yīng)力強度參數(shù)確定[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2017（1）：36-42.