素土擠密樁在某均質土壩段地基處理中的應用

周延國，張彩雙，王勇鑫

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

在濕陷性黃土地基上進行工程建設時，需考慮因地基濕陷引起附加沉降對工程可能造成的危害，選擇適宜的地基處理方法，可避免或消除地基的濕陷或因少量濕陷所造成的危害。濕陷性黃土地基處理常用的方法有墊層法、強夯法、擠密法、預浸水法和單液硅化或堿液加固法等[1]。

擠密法是濕陷性黃土地區常用的地基處理方法之一，擠密樁包括碎石擠密樁、灰土擠密樁和素土擠密樁等。素土擠密樁是利用沉管、沖擊或爆擴等方法在地基中擠土成孔，然后向孔內夯填素土成樁[2]。該方法造價相對較低，適用于處理地下水位以上且飽和度小于等于65%的濕陷性黃土，處理厚度在5～15 m之間[3]。

1 工程及地質概況

蓮花寺水庫工程位于甘肅省慶陽市境內的葫蘆河上，葫蘆河為黃河支流北洛河右岸的一大支流。蓮花寺水庫設計總庫容為698萬m3，調節庫容350萬m3，最大壩高25.5 m，死水位1 140 m，正常蓄水位1 147 m；蓮花寺水庫工程屬Ⅳ等工程，工程規模為小(Ⅰ)型，主要建筑物為大壩和泄水建筑物。蓮花寺水庫樞紐采用河床右側均質土壩+主河床混凝土泄洪排沙建筑物及河床左側混凝土擋水壩段的布置方案。樞紐建筑物從河床左側到右側依次為混凝土重力式擋水壩段、底孔泄洪排沙閘、表孔泄洪閘、均質土壩等建筑物組成。

右岸均質土壩河床壩段分布第四系全新統沖、洪積層(Q4al+pl)，右壩肩分布第四系上更新統馬蘭組黃土(Q3m)。各土層的物理力學性質見表1。

表1 壩址區右岸各土層物理力學性質成果

根據勘察成果，壩基土具有濕陷性，存在濕陷性黃土的不均勻沉降問題，清基后壩基為非自重～自重濕陷性場地，其中河床壩段為非自重濕陷性黃土，其濕陷量計算值△s為105～267 mm，河床壩段濕陷等級為Ⅰ級輕微；右壩肩為自重濕陷性黃土，其濕陷量計算值△s為307～531 mm，△zs自重濕陷量的計算值為133～347 mm，右壩肩濕陷等級為Ⅱ級中等，濕陷深度5～7 m，濕陷性黃土處理是葫蘆河蓮花寺水庫工程壩基處理的關鍵技術問題之一。

2 基礎處理方案的選擇

墊層法一般適用于處理濕陷性黃土深度小于3 m的地基，采用墊層法將達不到工程要求的處理深度。預浸水法一般適用于處理深度大于10 m且自重濕陷量不小于500的場地，且施工周期相對較長，單液硅化或堿液加固法工程造價高、不經濟[4]。根據地基處理段的地質條件及工程造價分析，初步設計階段選擇了強夯法進行基礎處理。

2.1 強夯法

強夯法適用于處理地下水位以上、含水量10%～22%且平均含水量低于塑限含水量1%～3%的濕陷性黃土地基[5]。當強夯施工產生的振動和噪聲對周邊環境可能產生有害影響時，應評價采用強夯法的適宜性。

根據濕陷性黃土地層時代、夯實厚度、處理深度內地層含水量、飽和度等因素，蓮花寺水庫工程右岸壩基、壩肩的黃土濕陷性處理采用5 000 kN·m強夯能級。

強夯法處理濕陷性黃土地基應根據要求選擇有代表性的場地試夯或試驗性施工，并根據試夯測試結果調整設計參數，或修改地基處理方案。

工程施工階段，場地試夯過程中，發現強夯施工帶來的震動、噪音對周圍環境影響較大，據調查，在該范圍內存在32戶居民，32戶居民中有2處屬于已經廢棄的房屋，有3戶屬于移民搬遷范圍，強夯對其余27戶居民的房屋及人身安全都有不同程度的影響。為了保證施工進度要求及施工安全，需修改地基處理方案。

素土擠密樁是加固地下水位以上濕陷性黃土地基的一種方法，是消除或減少較厚黃土濕陷性的一種簡便而有效的方法，有較好的技術經濟效果[6-7]。

2.2 素土擠密樁法

采取素土擠密樁方法施工時，對場地地質條件有如下要求：

1)當地基土天然含水量大于24%，飽和度大于65%時不宜選用素土擠密法；

2)當地基土天然含水量小于10%，采用素土擠密法時，對地基土要進行增濕處理；

3)當沉管夯擊振動和噪聲仍然對周邊居民及建筑物仍有較大影響時，宜考慮預鉆孔法成孔夯擴擠密樁法。

右側河床及右岸均質土壩段地基黃土的天然含水量10.4%～24.3%、飽和度17%～64%，處理范圍內土層厚度小于15 m，基本滿足素土擠密樁的技術和處理深度范圍要求。

根據上述右岸均質土壩段濕陷性黃土層的天然含水量、飽和度、濕陷下限以及土層的均一性等因素綜合考慮，采用沉管法素土擠密樁進行壩基處理是適宜和可行的。

3 素土擠密樁初步設計

需要處理地基的地層為右岸壩坡區域的馬蘭黃土(Q3m)和河床第四系全新統沖、洪積物(Q4al+pl)，設計樁間土的最大干密度ρdmax取擊實試驗資料統計值，右岸壩坡區域的馬蘭黃土(Q3m)最大干密度ρdmax為1.74 t/m3，河床第四系全新統沖、洪積物(Q4al+pl)的最大干密度ρdmax為1.66 t/m3；馬蘭黃土(Q3m)地基擠密前的平均干密度ρd0為1.41 t/m3，河床第四系全新統沖、洪積物(Q4al+pl)地基擠密前的平均干密度ρd0為1.47 t/m3。

3.1 樁間距確定

擠密樁的孔位，宜按正三角形布置，孔心距可按下式計算：

(1)

根據擠密素土樁施工經驗樁徑采用0.35 m，采用(公式1)計算，右岸壩坡區域樁間距為0.93 m，河床區域為1.52 m。

3.2 處理范圍及深度的確定

均質土壩段壩高小于20 m，建筑物級別為4級，該壩段可按乙類建筑物進行基礎地基處理，需要消除地基土的部分濕陷性，根據《濕陷性黃土地區建筑標準》(GB 50025-2018)規定[1]，如壩基位于非自重濕陷性黃土場地，處理深度不應小于地基壓縮層深度的2/3，下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力不應小于100 Pka；如壩基位于自重濕陷性黃土場地，處理深度不應小于濕陷土層深度的2/3，下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應大于150 mm。

經計算，右岸壩坡區域采用樁長8.0 m；河床導流明渠右側采用樁長8.0 m，左側采用樁長6.0 m，工程管理區采用樁長6.0 m，素土樁橫向處理寬度為壩基寬度，上下游兩側坡腳向外擴大寬度兩排樁。

4 試驗性施工及樁距調整

采用擠密法時，應先在場地內選擇有代表性的地段進行試驗或試驗性施工，試驗結果應滿足設計要求，并應取得必要的參數再進行地基處理施工[8]。為驗證初步設計素土擠密樁參數的施工效果，在現場進行了施工試驗，結果顯示，右岸采用樁距0.90 m，樁徑0.35 m可滿足設計要求，河床區域采用樁間距1.5 m，樁徑0.35 m不能滿足樁間土壓實系數不小于0.93的要求。

經多次調整樁間距，河床區域采用1.0 m可滿足樁間土的擠密要求，因此，最終確定樁徑采用0.35 m，右岸壩坡區域樁間距為0.90 m，河床區域樁間距為1.0 m。素土擠密樁處理后樁間土的壓實系數不應小于0.93。擠密土料來自選定土料場，填料時宜分層回填夯實，其壓實系數不宜小于0.96。

5 施工過程控制及處理效果

5.1 成孔控制

施工過程中，在樁管上標示出樁長紅線，可直觀控制樁長無偏差。現場管理成孔垂直度進行實時監控，如垂直度偏差超過規范規定的范圍，則會導致夯實時夯錘無法順利落入孔底，在孔壁上摩擦，夯擊能量降低[9]。

5.2 填料控制

1)經計算孔內虛鋪厚度為0.5 m時，填土量為0.05 m3，填土小鏟車斗容3約為0.15 m3，即控制每次填料量為1/3斗。

2)現場施工環境下，樁間土含水量都在16.1%～18.1%，比試驗室環境下擊實報告最優含水量略高，在實際施工時對回填土加水量應嚴格計算，再考慮施工過程中水分的損失，含水量控制在18±0.5%。回填土拌合應均勻，過低或過高均會導致壓實系數不能達到要求。

5.3 夯實控制

夯實時夯錘應對準孔位中心，如有偏差，也會導致錘尖在孔口壁碰撞、摩擦降低夯擊能[10]。夯擊次數嚴格按照每次填土6～8擊，過低導致夯擊能不足；次數過高則會導致回填土中液化。現場測試中發現個別樁位夯實過程中孔底有吸錘、提錘困難及孔內成橡皮土的情況，所以在局部回填土拌合不均勻，含水量過大時，還應適當減小夯擊次數。

5.4 處理效果檢測

在設定的施工參數下，即錘擊沉管成孔，1.5 t重夯實，回填土的含水量18±0.5%，虛鋪厚度0.5 m，夯擊能≥15 kN·m(夯錘重1 500 kg，提距≥3 m)，壓實遍數為6～8遍(夯擊次數≥6擊)。

素土擠密樁的質量檢測主要是檢測樁身的壓實度和樁間土的干密度，檢測方式為在梅花形樁間進行人工挖探井，在成孔的探井中進行檢測土參數取樣，土樣包括樁間土和樁體土，按孔深每隔1 m取一個土樣，按設計要求樁體壓實后壓實度不小于96%，經最終檢測結果樁體壓實度平均值為96.3%，無濕陷性，合格率為95%，檢測數量為總樁數的0.5%；樁間土的擠密系數全部達到0.93，樁間土的干密度不小于1.54 g/cm3，樁間土的平均濕陷系數為0.011，合格率為100%。

6 結 語

蓮花寺水庫工程素土擠密樁方案根據施工機械寬度以及工作半徑將壩基和右壩肩分為幾個工作平臺，在平臺上進行施工作業，利用機械打樁成孔橫向擠壓加密土層，在擠密成孔和樁孔回填置換的雙重作用下，改善土體物理力學性能[11]，使樁周一定范圍內土層受到擠壓，擾動和重塑，使樁周土孔隙比減小，從而增加土體密實程度，降低土的壓縮性，提高土體承載能力，降低甚至消除黃土的濕陷性效果明顯，處理后的地基樁間土和樁體土密度相差不大，同一平面可作為均質地基考慮。