黃土區高鐵路基擠密樁樁間土擠密效果檢測與影響因素研究

韓 侃,趙永虎,李紅義,王秉勇

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000； 2.中國中鐵科學研究院有限公司,成都 611731)

引言

擠密樁處置地基是采用擴孔設備將地基土體擠密成孔后，將灰土、水泥土等填料填入孔內擠密成樁體而形成的復合地基，以承受上部荷載、控制地基變形[1]。目前針對各類擠密樁的加固承載機理[2-3]和適用性等[4-5]方面開展了較多研究。A. Ezoe研究出一種新型擠密沙樁，并對其在黏性土和軟土中的應用效果進行了研究[6-7]。朱彥鵬等[8-9]對樁基負摩阻力影響因素進行了現場研究。米周林等[10]研究了水泥土擠密樁在高層建筑地基中的應用效果。陳福江等[11-12]，研究了擠密樁在濕陷性黃土隧道基底處理中的應用效果。付雄[13]結合鄭西客運專線洛陽南站內濕陷性黃土地區高填方路基的設計方案、計算理論及現場沉降測試，對采用CFG樁聯合水泥擠密樁處理客運專線鐵路黃土高路堤地基進行了現場試驗研究。

然而在擠密樁樁間土擠密效果檢測方法與檢測標準方面，各行業目前尚未形成完善的標準體系，鐵路行業僅僅參照工民建行業標準制定了相應的路基驗收規范，如TB10414—2018《鐵路路基工程施工質量驗收標準》[14]中規定樁間土擠密效果用靜力觸探或標準貫入試驗方法在樁間土形心點進行檢測，規范中均未明確檢測標準，只泛泛地要求應符合設計要求。在TB10751—2018《高速鐵路路基工程施工質量驗收標準》[15]中規定樁間土擠密效果用鉆機取樣的方法是在孔之間形心點附近擠密深度內每2 m測定一次干密度，再換算成最小擠密系數進行檢測，但仍然未對樁間土擠密系數做明確規定，僅要求滿足設計規定即可。因此，目前尚未針對鐵路自身工程特點提出本行業的地基處理檢測指標和標準，而且擠密樁樁間土質量檢測方法可操作性較差，現場大開大挖或鉆機取土的不規范性[16]，對工程進度和質量影響較大，給現場施工和質量檢測造成諸多不便。

鑒于此，結合中衛—蘭州高速鐵路(以下簡稱“中蘭高鐵”)濕陷性黃土區段，采用水泥土擠密樁處理后，通過開挖探井和洛陽鏟取樣的方式對試樁擠密效果進行現場試驗，并對其施工工藝進行了總結，以便為鐵路工程擠密樁處理效果評價和現場取樣檢測提供指導，并為鐵路行業樁間土擠密效果檢測標準的制定提供相關依據。

1 工程概況

1.1 試驗區地質條件

中蘭高鐵沿線黃土梁峁相間，黃土陷穴較發育。線路甘肅段所經黃土寬谷區，地形較平坦，地表多為砂質黃土，局部沖溝內新近系和白堊系基巖出露。黃土成因復雜，類型多樣，主要以風積和沖洪積砂質黃土為主，粉粒含量高，具有黏聚力弱、濕陷性強烈及含水率低等特點，濕陷性黃土厚度多在20～35 m，局部濕陷厚度可達50 m。因此，需要對濕陷性黃土區段采取消除或減弱濕陷性等級的措施，以保證工后沉降量、滿足設計規范的相關要求。然而選擇適宜又經濟的處理方式顯得尤為重要。

1.2 地基加固處理方式

中蘭高鐵黃土地基主要采用水泥土擠密樁和CFG樁進行加固處理。一般路基地段采用水泥土擠密樁處理，擠密樁設計樁間距1.0 m，樁徑0.4 m，樁長8.0～10.0 m，正三角形布置；高路堤及橋路過渡段采用CFG樁及水泥土擠密樁套打，擠密樁樁間距采用0.9 m，按正方形布置。設計樁間土擠密系數不小于0.93，濕陷系數小于0.015。

中蘭高鐵DK0+440～DK0+850段路基基底采用水泥擠密樁處理。為了準確了解濕陷性黃土地區樁間土擠密效果，現場對樁長范圍內不同深度、不同樁間距、樁徑方向不同位置處采用開挖探井和洛陽鏟取樣，對試樁擠密效果進行現場試驗。相對于其他機械取樣方式，最大可能減小取樣過程對樁間土體大范圍的擾動，保證測試結果的精確性，同時，對施工進度和施工現場的影響減小到最低程度。

2 擠密效果檢測與主要影響因素分析

2.1 樁間土不同深度擠密效果研究

按照設計要求，擠密樁成孔直徑為0.4 m，樁間距1.0 m，樁長8.0 m，按等邊三角形布置，具體設計參數見表1。

表1 試樁設計參數

在兩樁中心處開挖探井(圖1)，在深度范圍內每隔1.0 m取樣，測定干密度并進行室內壓縮試驗。

圖1 開挖探井取樣

現場共開挖6個探井，每個探井每米檢測1次干密度，共檢測8個點位的干密度值，試驗數據統計見表2。從表2可以看出，水泥土擠密樁樁間土擠密系數均大于0.93，且數據波動不大，受土層影響小，擠密效果良好。擠密系數最大值為0.96，最小值為0.93，平均值為0.94；壓縮模量最大值為35.5 MPa，最小值為16.3 MPa，平均值22.3 MPa。沿樁長方向不同深度的干密度測試值見圖2。

表2 水泥土擠密樁處理后樁間土參數統計

圖2 樁間土干密度隨深度變化曲線

從圖2可以看出，樁間土的擠密效果自上而下有逐漸增加的趨勢，地表附近受施工的影響擠密效果較差，樁底附近相對較好。

2.2 樁間土樁徑方向擠密效果研究

在3根樁的形心位置、樁外側0.1 m和樁外側0.3 m處采用洛陽鏟掏土的方式進行取樣測定干密度，取樣點位置見圖3。

圖3 取樣點位置示意(單位：m)

圖5 不同樁間距試樁探井布設(單位：mm)

分別對樁徑方向3個位置的不同深度進行取樣試驗，試驗結果見表3。從表3可以看出，樁外側0.1 m處擠密系數最大值為0.95，最小值為0.92，平均值0.94；樁外側0.3 m處擠密系數最大值為0.93，最小值為0.90，平均值0.92；形心位置處擠密系數最大值為0.90，最小值為0.87，平均值0.89。

表3 樁徑方向不同位置擠密系數

結果表明，樁間土形心位置的擠密系數最小，距樁中心外側0.1 m的擠密系數大于樁外側0.3 m的擠密系數。以距樁中心的距離和擠密系數為坐標，即(0.1，0.95)、(0.3，0.93)、(0.58，0.89)繪制折線圖，見圖4，可以看出擠密系數和距樁中心距離存在明顯的線性關系，即距樁中心距離越近，擠密效果相對較好，但樁間土形心位置受相鄰樁的影響，擠密效果較差。

圖4 距樁中心距離與擠密系數變化

2.3 不同樁間距樁間土擠密效果研究

將試樁的樁間距分別調為0.9，1.2，1.5 m，并在形心位置取樣進行試驗，試樁探井布設情況見圖5。擠密系數隨樁間距的變化規律如圖6所示。樁間土擠密效果隨著樁間距的增大而減小，當樁間距為0.9 m和1.2 m時，其平均擠密系數均大于0.93，當樁間距增大到1.5 m時，其平均擠密系數減小到0.90。根據濕陷性系數和擠密系數兩個指標的相關要求，本工程建議將水泥土擠密樁樁間距調整為0.9～1.2 m。

圖6 樁間土平均擠密系數隨樁間距的變化曲線

2.4 天然土含水率對擠密效果的影響分析

試驗表明，地基土的含水率對擠密樁樁間土的擠密效果影響較大。在西北干旱地區，濕陷性黃土層的含水量普遍比較低，土層呈比較堅硬的狀態，樁間土擠密非常困難，不宜直接進行路基地基處理。在中蘭高鐵前期試驗段，普遍存在樁間土擠密系數不滿足設計要求的情形，隨后經多方溝通和現場試驗，最后采取了地基土增濕的措施，使地基土平均含水量盡量接近最優含水量，才確保了樁間土的擠密質量。

2.5 成孔工藝和施工順序的影響

擠密樁施工中目前主要有擠密成孔法和預鉆孔夯擴擠密法兩種。前者處理地基深度較小，且施工中易出現塌孔、孔壁不規整等問題；后者雖能處理深孔，但需要寬闊場地方能施工，在狹小空間其適用性受到限制。由于兩種方法的施工要求和成孔工藝不同，對擠密樁樁間土擠密的效果和影響也比較大，因此，在擠密樁施工過程中選擇適合的成孔工藝非常重要。

現場施工過程中的擠密順序對樁間土的擠密效果影響也比較大。為保證擠密效果，現場一般采用隔排隔行跳打的方式，為了防止施工過程中各孔之間相互擠壓造成變形或坍陷的影響，成孔后需盡快回填，成片的擠密樁處理樁基一般由里向外進行施工，對局部的地基處理樁基宜由外面向里面進行擠密施工。

3 中蘭高鐵濕陷性黃土地基的擠密處理應對措施

3.1 施工現場發現的問題

在施工現場進行水泥土擠密樁試樁過程中，發現對施工完畢的擠密樁樁間土取樣檢測后，局部區段擠密系數為0.88～0.93，達不到設計要求，但是樁間土濕陷系數已小于0.015，濕陷性消除，滿足設計要求，達到處理效果。隨后，加大擠密樁試樁檢測頻率，從檢測、施工及設計三方面依次分析原因。經分析，樁間土擠密系數不滿足設計要求主要原因為，局部區段地基黃土含水率較低且施工控制不足導致。

3.2 應對措施

針對中蘭高鐵前期對黃土地區路基基底處理擠密樁樁間土擠密系數不滿足設計的情況，參建各方組織召開會議進行了論證，結合現場試樁情況，優化施工方案，調整樁間土設計擠密系數，局部黃土含水率較低地段采用注水增濕方案，提高地基土含水率后再進行擠密樁施工。

在試驗區預打增濕孔，通過加水增濕后重新鉆孔取樣，測定含水率情況見表4。其中1號孔距增濕孔0.2 m，2號孔距增濕孔0.5 m，3號孔距增濕孔0.8 m。

表4 增濕后含水率測定

從表4可以得出：受地基土增濕后勻質性和增濕距離的影響，水平方向距離增濕孔近的含水率明顯高于遠的；豎直方向在孔深5 m以上地基土平均含水率多數比最優含水率高，在孔深5 m以下，地基土平均含水率要低于最優含水率3%～5%，所以增濕后要根據現場具體情況重視對地基土平均含水率的檢測，只有多數地基土含水率接近最優含水率，才能保證擠密效果并進行下一步施工。

4 結語

依托中蘭高鐵某路基工程，通過對擠密樁的現場試驗數據分析，得出主要結論如下。

(1)樁間距對于擠密樁樁間土的擠密效果影響顯著，合理的樁間距可得到較好的擠密效果；通過濕陷性系數和擠密系數兩個評價指標的綜合分析，本工程合理樁間距為0.9～1.2 m，設計樁間距為1.0 m。

(2)樁間土擠密效果在樁徑方向存在著明顯的線性關系，即距樁中心距離越近，擠密效果相對較好，但樁間土形心位置受相鄰樁的影響，擠密效果反而較差。

(3)樁間土擠密效果在豎直方向自上而下有逐漸增加的趨勢，地表附近受施工的影響擠密效果較差，樁底附近相對較好，所以現場要把控好擠密樁樁頂附近的施工質量。

(4)重視對地基土實施增濕或減濕措施后的效果驗證。只有當測定的地基土含水率與最優含水率相差不大時，才能保證擠密效果。

(5)天然含水率、成孔工藝、施工順序、取樣方法等因素均在不同程度上影響擠密樁的檢測效果。

(6)檢測取樣的方法直接影響土樣的原狀性和檢測結果的準確性，建議采用開挖探井或優化鉆機取土器的方法取樣。