灰土擠密樁在濕陷性黃土地區(qū)的可行性研究

(湖南工業(yè)大學(xué)，土木工程學(xué)院 湖南 株洲 412007)

一、引言

濕陷性黃土本身具有一定的結(jié)構(gòu)特性，可以承受一定的荷載，但結(jié)構(gòu)一旦被破壞，其軟化、濕陷的特性則全部暴露；而且該黃土的沉積過程需要較長(zhǎng)時(shí)間，顆粒也比較松散；同時(shí)在結(jié)構(gòu)性和外力作用下容易發(fā)生變形?；跐裣菪渣S土的結(jié)構(gòu)性、欠壓實(shí)行和濕陷性的三個(gè)力學(xué)特性，所以在濕陷性黃土地區(qū)，對(duì)于有較大上部荷載的工程，往往需要在消除黃土濕陷性的同時(shí)提高黃土承載力?；彝翑D密樁是將按比例拌合素土和熟石灰填入預(yù)先由沉管擠土而成的孔中，然后將混合灰土分層夯填而成的樁型。既可部分或全部消除黃土的濕陷性，還可構(gòu)成復(fù)合地基(樁體、樁間土和墊層)，從而有效改善黃土地基的各項(xiàng)工程特性：降低濕陷性、提高地基強(qiáng)度，減小地基變形。

灰土樁作用機(jī)理主要包括兩方面：其一是化學(xué)反應(yīng)；包括灰土樁體內(nèi)石灰土由離子交換的凝硬反應(yīng)、石灰炭化、結(jié)晶等，其二是物理作用；成樁過程會(huì)使樁間土體橫向加密，改善了樁周一定范圍內(nèi)地基土的工程物理性質(zhì)，增加了干密度，降低了壓縮性，從而達(dá)到消除濕陷性的目的，與此同時(shí)樁體、樁間土和墊層構(gòu)成的復(fù)合地基，加速了上部荷載所產(chǎn)生應(yīng)力的擴(kuò)散，從而大大減少了加固深度內(nèi)的附加應(yīng)力，提高地基承載力。此外，灰土擠密樁的工程造價(jià)僅約為其它類型樁基的二分之一，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著也是其優(yōu)勢(shì)之一。

二、工程概況

以長(zhǎng)治市高鐵東站站前廣場(chǎng)為例，該地區(qū)采用灰土擠密樁處理地基，灰土擠密樁徑400mm，樁距900mm，排距779mm，樁體填料為素土、3:8灰土，樁頂絕對(duì)標(biāo)高-0.9m，灰土擠密樁總樁數(shù)121444根。擠密樁施工完成后，將樁頂標(biāo)高以上900mm虛樁挖出，用3:7灰土分層碾壓回填至基底標(biāo)高。

設(shè)計(jì)要求處理后的灰土擠密樁復(fù)合地基承載力特征值不小于150kPa，樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93，樁體素土、灰土平均壓實(shí)系數(shù)不小于0.97。

三、灰土樁擠密效果檢測(cè)

(一)樁體壓實(shí)系數(shù)與樁間土擠密系數(shù)

為了檢驗(yàn)灰土樁的施工質(zhì)量和擠密效果，需要進(jìn)行樁體壓實(shí)系數(shù)與樁間土擠密系數(shù)的檢測(cè)，具體方法是：

1.土體取樣

(1)樁間土土體取樣

在探井中按1.00m深度間距，在樁側(cè)外10cm及兩樁中心處取樁間土樣，進(jìn)行土工試驗(yàn)得到各土樣的干密度，將每一深度處兩個(gè)土樣的干密度平均，可得各深度處樁間土平均干密度，如圖1。

圖1 取樣點(diǎn)布置圖

(2)樁身土土體取樣

在探井中按1.00m深度間距，在每根樁的樁側(cè)內(nèi)10cm取樁體土樣，進(jìn)行土工試驗(yàn)得到各土樣的干密度。

2.試驗(yàn)方法

采用環(huán)刀法對(duì)土體的干密度進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，具體步驟如下：(a)稱量環(huán)刀、鋁盒質(zhì)量，并標(biāo)注、記錄；(b)去土樣，稱量環(huán)刀及土樣質(zhì)量，計(jì)算濕密度ρ濕=m濕/v(環(huán)刀體積200cm3)；(c)取部分土樣分兩份進(jìn)行烘干，計(jì)算含水量ω=(m濕/m干-1)×100及干密度ρ干=ρ濕/(1+0.01×ω)；(d)計(jì)算壓實(shí)度=ρ干/ρmax×100。

將土工試驗(yàn)所得干密度與最大干密度相比，可得樁間土擠密系數(shù)η=ρd/ρdmax。

樁間土擠密系數(shù)如表1所示，樁體壓實(shí)系數(shù)如表2所示。

表1 樁間土擠密系數(shù)

表2 樁體壓實(shí)系數(shù)

(二)復(fù)合地基承載力檢測(cè)

檢測(cè)的參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求后，還需要檢測(cè)符合地基的承載力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此，進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)來測(cè)定復(fù)合地基的載荷力。其所采用的方法如下：

1.加載裝置

加荷系統(tǒng)：采用鋼梁及木板組成承臺(tái)，上覆約300kN的土袋及散土預(yù)載，用500kN千斤頂上頂加荷主梁，下壓圓形鋼板。以樁心為中心對(duì)中，矩形鋼板覆蓋樁及樁間土，模擬基礎(chǔ)實(shí)際受力狀態(tài)?；彝翑D密樁靜力加載裝置如圖2所示。

壓力量測(cè)：采用經(jīng)系統(tǒng)檢定的千斤頂與壓力表或力傳感器與數(shù)字顯示儀組成壓力測(cè)量系統(tǒng)。

位移量測(cè)：每套采用三只百分表與強(qiáng)磁性表座及基準(zhǔn)鋼梁組成位移量測(cè)系統(tǒng)。

圖2 靜力加載裝置

2.加載方法

復(fù)合地基靜載試驗(yàn)按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)附錄B.0.6要求加載等級(jí)分為(8-12)級(jí)，最大加載壓應(yīng)力不應(yīng)小于設(shè)計(jì)要求承載力特征值的2倍，故本項(xiàng)目最大加載量為150×2=300kPa。依據(jù)復(fù)合地基樁的處理面積公式，等角三角形群樁中，單樁的處理地基等效直徑為de=1.05，S=0.945m(見下圖3)，計(jì)算得到承壓墊板的面積為0.7m2。

圖3 群樁示意圖

分10級(jí)加荷，逐級(jí)穩(wěn)定后再加下一級(jí)。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)及終止試驗(yàn)條件均按有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

(a)加載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，采用逐級(jí)等量加載；分級(jí)荷載宜為最大加載量或預(yù)估極限承載力的1/10，其中第一級(jí)可取分級(jí)荷載的2倍。

(b)卸載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍，逐級(jí)等量卸載。

(c)加、卸載時(shí)應(yīng)使荷載傳遞均勻、連續(xù)、無(wú)沖擊，每級(jí)荷載在維持過程中的變化幅度不得超過該級(jí)增減量的(10%。

(d)每級(jí)荷載施加后按第5、15、30、45、60min測(cè)讀樁頂沉降量，以后每隔30min測(cè)讀一次。

(e)試樁沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：每一小時(shí)內(nèi)的樁頂沉降量不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次(從每級(jí)荷載施加后第30min開始，由三次或三次以上每30min的沉降觀測(cè)值計(jì)算)。

(g)當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再施加下一級(jí)荷載。

卸載時(shí)，每級(jí)荷載維持1h，按第5、15、30、60min測(cè)讀樁頂沉降量；卸載至零后，應(yīng)測(cè)讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為3h，測(cè)讀時(shí)間為5、15、30min，以后每隔30min測(cè)讀一次。復(fù)合地基承載力結(jié)果如表3所示，所獲得的P-S曲線如圖4、圖5、圖6所示。

表3 復(fù)合地基承載力結(jié)果

圖41-10樁復(fù)合地基承載力P-S曲線

圖5 1-49樁復(fù)合地基承載力P-S曲線

圖6 1-97樁復(fù)合地基承載力P-S曲線

從圖4、圖5、圖6中可以看出，本次試驗(yàn)中均未達(dá)到極限荷載，最大加載壓力值已達(dá)到設(shè)計(jì)要求(150kPa)承載力的2倍，從P-S曲線圖可知，試驗(yàn)最終加載力300kPa內(nèi)P-S曲線呈緩變型，未見明顯的比例界限點(diǎn)，所檢測(cè)的灰土擠密樁地基承載力特征值滿足150kPa的設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)論

濕陷性黃土地基處理效果是黃土地基修建公路、建筑、橋梁的主要關(guān)注問題之一。通過室內(nèi)的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、首件工程相關(guān)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)該市高鐵東站站前廣場(chǎng)濕陷性黃土灰土擠密樁的承載特性進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

1.灰土擠密樁提高地基土的濕密度的同時(shí)又降低了其天然含水率，有效地提高了濕陷性黃土的干密度，對(duì)地基的承載力和抗變形能力均有明顯提高，且消除了濕陷性。復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果也表明所檢測(cè)的灰土擠密樁地基承載力特征值完全滿足設(shè)計(jì)要求，說明灰土擠密樁可大幅提高原有地基的承載力。

2.灰土擠密樁法大量減少挖方工程量，且挖方可直接和灰土拌合后作為填孔用土，較大節(jié)約了土方費(fèi)用。而且由于其成樁過程中的擠密效應(yīng)，有效地消除了深厚黃土地基的自重濕陷性；灰土中的石灰的膠凝作用，大大提高了提高地基強(qiáng)度；其施工的相關(guān)設(shè)備占地面積小，施工布置靈活。在處理濕陷性地基中，灰土擠密樁法具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。

3.經(jīng)過一系列實(shí)踐，總結(jié)了灰土擠密樁處理莊浪濕陷性黃土相關(guān)經(jīng)驗(yàn)如下：如果黃土土體含水率過大(≥24%)或地下水位過高導(dǎo)致成孔質(zhì)量差，拔管后易縮頸或坍塌，擠密時(shí)樁周隆起大，會(huì)導(dǎo)致擠密效果差；在濕陷性黃土層中有夾薄砂礫層也會(huì)造成坍塌等施工質(zhì)量問題，此時(shí)，可以在孔內(nèi)添加干散狀砂土、塊狀生石灰等，待穩(wěn)定后再重新成孔。