濕陷性黃土地區灰土擠密樁法成孔工法探究

呂強 劉瑞

【摘要】濕陷性黃土是以粉質黏土為主要成分，呈褐黃色、黃色，具有天然含水量偏低，大孔隙，富含鈣質結核等多種特征。陜西地區濕陷性黃土分布范圍非常廣泛，在該類土體上進行大規模工程建設的現象也越來越普遍，特別是近些年來隨著西部大開發戰略的持續推進，超大型建筑物越來越多，大厚度、大面積濕陷性黃土地基處理工程項目顯著增加。然而建筑物建造在濕陷性黃土上，經常會出現與黃土性質相關的危害，究其原因是地基土體遇水，并在自重應力和附加荷載或上覆土層自重應力作用下，土體結構破壞而發生顯著沉降變形，是引起建構筑物開裂、下沉的主要因素，因此對黃土濕陷性的研究與人工處理是非常必要的，在工程領域中也占有十分重要的地位。論文的主要內容包括：首先，從微觀上分析了黃土濕陷性的成因及機理，介紹了常用的黃土地區建筑物消除地基濕陷性的處理方法，對當前工程常用的濕陷性黃土地基處理方法進行比較分析研究，為陜西關中地區擬建建筑物地基處理方法的選擇提供了參考，具有實踐指導意義。其次，通過對西安北郊港務區濕陷性黃土施工場地工程案例的分析對比，提出非擠壓擠密排土成孔工藝對地基土擠密效果中存在的劣勢，需要在工程實踐中加以改進，以便充分發揮其他方面優勢，在濕陷性黃土地基處理中得到廣泛應用。

【關鍵詞】螺旋成孔;擠密系數;塑性區半徑;雙重擠密;擠擴鉆頭

【中圖分類號】TU475.3

灰土擠密樁法，是特殊土地基加固處理的方法之一，是一種常規人工復合地基處理工法，通常在濕陷性黃土地區使用較廣。其加固機理為 3∶7（ 2∶8） 灰土在化學性能上具有氣硬性和水硬性[1]。 由于石灰內帶正電荷的鈣離子與帶負電荷的黏土顆粒相互吸附， 形成膠體凝聚， 并隨灰土期齡的增長， 土體固化作用提高， 使灰土的強度逐漸增大。 在力學性能上， 可擠密地基， 提高地基承載力， 消除濕陷性， 減小沉降并使之均勻[2，3]。

由于濕陷性黃土屬于非飽和的欠壓密土，具有孔隙比較大而干密度較小的特征，同時也是其產生浸水濕陷的根本原因，試驗研究和工程實踐證明，當黃土的干密度及其擠密系數達到某一標準時，即可消除其濕陷性[4]。灰土擠密樁正是利用此原理通過原位深層擠壓成孔，使樁間土得到加密，其施工工藝通常是采用螺旋鉆孔或沖擊、振動方法成孔，然后進行灰土的回填和夯實，從而形成增大直徑的樁體，與此同時樁間土因成孔成樁過程中的擠密夯實作用得到增強，樁和樁間土一起形成復合地基[5，6]。

1、灰土擠密樁法加固機理

灰土擠密樁是利用橫向擠壓成孔設備在地基中成孔，通過“擠”壓作用，使地基土得到加“密”，然后在孔中分層填入灰土后夯實而成灰土樁，它屬于柔性樁，與樁間土共同組成復合地基[7]。灰土擠密樁法處理地基的加固機理主要包括“土的側向擠密作用”和“灰土豎向樁體的作用”兩方面[8]。首先，灰土擠密樁擠壓成孔時，樁孔位置原有土體被強制側向擠壓，使樁周一定范圍內的土層密實度提高，其擠密影響半徑通常為1.5～2.0d（d為樁直徑），相鄰樁孔擠密區交界處擠密效果相互疊加;其次，灰土樁是用消石灰和土按一定體積比例（2：8或3：7）拌和，并在樁孔內夯實加密后形成樁體，這種材料在化學性能上具有氣硬性和水硬性，由于石灰內帶正電荷鈣離子與帶負電荷粘土顆粒相互吸附，形成膠體凝聚，并隨灰土齡期增長，土體固化作用提高，使土體強度逐漸增加[9，10]。在力學性能上，可達到擠密地基效果，提高地基承載力，消除場地濕陷性，減少建筑物沉降量。此工法相對于灰土墊層法等對于濕陷性黃土地基的處理深度更大，而且地基處理過程中不用進行土體的換填，在原有位置上就可以進行施工[22]。

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）[11]復合地基的定義，灰土擠密樁就是樁間土體被擠密增強，而樁體被有效置換，形成由被增強的地基土、豎向增強體和褥墊層三位一體共同承擔荷載的人工地基。其復合地基承載力特征值計算公式在規范7.1.5條中也明確給出：

由公式中也可看出，地基處理后的承載能力主要是由樁體單樁豎向承載力特征值Ra和加固處理后的樁間土承載力特征值fsk提供。

2、常規灰土擠密樁成孔施工工藝

灰土擠密樁成孔工藝按樁孔土體排放方式分為排土和非排土成孔工藝。

排土式最常見成孔方式是利用液壓步履式長螺旋成孔設備干式排土成孔[12，13]。根據功的原理，在大扭矩動力頭作用下將螺桿旋轉一周，葉片上土體被舉高一個螺距（即兩螺紋間豎直距離），并帶動鉆頭切削孔內土體和孔壁分離后，大部分渣土被長螺旋葉片導向地面或粘附在螺旋鉆桿葉片上帶至地面。排土式成孔工藝雖然在成孔過程中鉆頭和螺旋鉆桿切削孔內土體時對樁周土體也產生一定的擠壓作用，但隨著螺旋葉片帶動切削后的渣土不斷上升而得到釋放，成孔時對樁間地基土的一次擠壓作用可忽略不計。

而非排土式分為打入式、振入式和壓入式[14]。打入式最常見的是履帶式柴油錘打樁機沖擊成孔，利用導桿錘柴油打樁錘或筒式柴油打樁錘成孔用沖擊方法，把圓柱形鋼質樁管打入原地基，拔出后形成樁孔;振入式最常見的是振動沉管樁機振動成孔，利用偏心電動振動錘產生激振力[15，16]，把圓柱形鋼質樁管振入原地基，拔出后形成樁孔;壓入式最常見的是靜力壓樁機成孔，利用大噸位步履式靜力壓樁機產生反力通過液壓油缸把圓柱形鋼質樁管壓入原地基，拔出后形成樁孔[17]。以上三種非排土成孔方式其特點在于不取土，擠壓原地基成孔;回填物料時，夯實物料進一步擠壓擴孔。

3、項目案例

3.1工程概況

建設場地位于西安國際港務區保稅路交匯口，建筑地上1層，鋼結構，筏板基礎，地基基礎設計等級為丙級，灰土擠密樁樁徑400mm，有效樁長15.00m，樁間距900mm，等邊三角形布樁。擬建場地為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅳ級（很嚴重）。

2#冷庫總樁數11547根，地基處理面積8094.45m?，采用液壓步履式長螺旋成孔設備干式排土成孔;而3#冷庫總樁數8156根，地基處理面積5670m?，采用導桿錘柴油打樁錘打入式成孔。

3.2樁間土檢測方案及結果

開挖擠密單元探井，從樁頂標高處向下，在等邊三角形形心部位（濕陷性評價）、距離樁體外10cm處及樁孔之間的中心距處（平均擠密系數），每間隔1.00m取樣。制取濕陷性樣品和樁間土擠密系數土樣，進行土工分析測試。

2#冷庫樁間土濕陷性結果：由土工試驗報告知，39個探井所取的585個土樣中，有52組土樣濕陷系數大于0.015，其余均小于0.015，故在地基處理深度范圍內樁間土的濕陷性基本消除。由干密度試驗成果表及施工單位提供的擊實試驗報告，計算樁間土擠密系數，39個探井樁間土擠密系數介于0.91～0.94之間，平均擠密系數不低于0.93，滿足設計要求。

3#冷庫樁間土濕陷性結果：由土工試驗報告知，28個探井所取的420個土樣中，有2組土樣濕陷系數大于0.015，其余均小于0.015，故在地基處理深度范圍內樁間土的濕陷性全部消除。由干密度試驗成果表及施工單位提供的擊實試驗報告，計算樁間土擠密系數，28個探井樁間土擠密系數介于0.93～0.97之間，平均擠密系數不低于0.95，滿足設計要求。

3.3對比結果原因分析

2#和3#冷庫樁間土擠密系數統計散點圖

對以上檢測結果進行數理統計分析，在同一濕陷場地采用兩種不同成孔工藝的灰土擠密樁成孔工藝對樁間土的擠密效果對比還是十分明顯的，采用非排土成孔方式的3#冷庫大于采用排土方式的2#冷庫樁間土擠密系數，這其中的主要原因是非排土法成孔時對樁周土的一次擠壓起主導作用。

樁周土的擠密過程可采用圓柱形孔擴張理論來描述。根據Vesic圓孔擴張理論（龔曉南，1990）[1]，極限平衡狀態時，圓孔外存在一塑性區，塑性區外保持彈性狀態，如圖所示，圖中Pu為擴張應力，樁孔半徑為Ru，塑性區半徑Rp表達式為：

[18]

其中式中土體剪變模量G和抗剪強度指標c、Φ始終受樁周土擠密而發生變化，且塑性半徑與樁孔半徑成正比，若將黃土的相關常見數值代入，可得到Rp=（1.43-1.90）d，與試驗實測的擠密影響區半徑基本吻合。非排土法成孔時對樁周土的一次擠壓就已形成擴張應力Pu，并使樁間土的抗剪強度指標c、Φ值增加，樁周塑性半徑增加，樁周土體被擠密增強;而在樁孔回填灰土成樁時，夯實灰土進一步擠壓擴孔形成擴張應力Pu，使樁間土的抗剪強度指標c、Φ值繼續增加，樁周土體進一步擠密增強，具有雙重擠密功效。而排土成孔方式僅有樁孔回填灰土成樁時對樁周土的擠密，土體增加效果明顯不如非排土成孔方式。

結語：

在工程實踐中，處理黃土濕陷性應用灰土擠密樁工藝，設計圖紙很少明確成孔方式工藝和采用設備種類，但在城區或人口密集區采用非排土打入和振入方式成孔的施工機械設備存在極大的噪聲污染，尤其在居民區經常會出現擾民現象，故其適用范圍僅限于地廣人稀區域或工業廠房建筑。而采用排土式長螺旋成孔工藝，其具有成孔速度快，造價低，無噪音污染等優勢，但從上面分析結果看，其對地基樁周土的擠密效果不如非排土成孔施工工藝效果好，存在質量方面管控風險，在工程應用時應慎重加以考慮。不過，隨著科技進步，新型螺旋鉆設備進行了改進，采用雙向螺旋封閉擠擴鉆頭，無須將渣土排出地面，而是靠鉆具的錐形面將鉆頭部鉆出的渣土逐漸擠向鉆孔孔壁，同采用大噸位靜力壓樁機靜壓成果原理相同，使樁周土被擠密增強，達到非排土成孔的雙重擠密功效。另外，由于無渣土排出孔外，故而節省了大量的人力和機械，降低了工程的總體造價，在濕陷性黃土地基的處理施工中優勢明顯，在短時間內得到了較快發展。

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作者簡介：

呂強，1975年1月出生，男，籍貫山西陽高，高級工程師，巖土工程碩士學位。