水泥土夯擴擠密樁對濕陷性黃土層水平應力的影響

胡金山

中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043

隨著“一帶一路”倡議和交通強國政策的深入推進，我國中西部濕陷性黃土地區鐵路、公路、機場等基礎設施建設規模和數量日益增大。但濕陷性黃土具有壓縮性大、承載力低、孔隙節理發育等不良工程特性，經常發生地基遇水沉陷和不均勻沉降等工程病害，對黃土地區工程構筑物的壽命和服役性能提出了嚴峻挑戰，亟須對黃土地區地基處理技術展開深入探索和研究［1］。

近年來，隨著科學技術的快速發展，黃土地區地基處理技術和設備取得了長足發展，均可在設計范圍內完全或部分消除黃土濕陷性，提高地基承載力［2-3］。水泥土夯擴擠密樁先采用柴油錘沉管成孔，然后在孔內分層填料，最后利用自由下落高動能夯錘的瞬間沖、砸、擠、壓作用，夯實孔內填料，擠密樁周土，進而消除黃土濕陷性，增大地基承載力和壓縮模量。宮鳳梧、屈耀輝、韓侃等［4-6］對水泥土擠密樁處理黃土地基的濕陷變形特性和沉降控制效果展開了研究，發現水泥土夯擴擠密樁具有側限作用強、處理效果佳、施工簡便快捷和工程造價低等眾多優點，在黃土地區鐵路基礎工程中有廣闊的應用前景［7］。張然［8］采用剛柔性組合樁復合地基處理寶蘭客運專線大厚度濕陷性黃土，發現柔性短樁長度宜控制在5 ~ 10 m，且當路基荷載大于200 kPa（填高大于8 m）時，應增加剛性樁的樁土應力比值，以充分發揮長樁的作用。陳福江等［9］對高速列車荷載作用下水泥土擠密樁加固黃土隧道地基的穩定特性開展了研究，發現水泥土擠密樁可顯著控制富水條件下黃土隧道地基的沉降。Massarsch、劉松玉、高常輝等［11-12］發現地基土水平應力的增大可引發土層預固結，且土層應力狀態變化和超固結效應可顯著減小地基沉降。

水泥土夯擴擠密樁可改變樁周土應力條件，但已有研究大多對樁周土擠密效果和地基承載力展開定性分析，對加固后土體水平應力和預固結效果的定量分析還未涉及，且設計時大多依靠經驗和試樁數據，缺少可靠的理論分析依據。

鑒于此，本文以鐵路站房水泥土夯擴擠密樁處理濕陷性黃土地基為研究對象，結合處理前后室內試驗和原位測試結果，分析樁間土擠密系數、側壁阻力、水平應力比、超固結比等沿深度變化規律，以期全面評價水泥土夯擴擠密樁加固濕陷性黃土地基效果，為其廣泛應用提供技術支持。

1 現場試驗概況

1.1 水泥土夯擴擠密樁參數設計

甘肅一鐵路站房地基擬采用水泥土夯擴擠密樁處理濕陷性黃土地基，孔內填料為體積比1∶6的水泥土，水泥土樁呈正三角形布置，復合地基承載力設計值fspk≥ 220 kPa。四種試樁方案設計參數見表1。

表1 試樁設計參數

1.2 試驗區地層巖性

勘察深度范圍內，地基土分布情況見表2。可知：水泥土樁處理范圍內（0 ~ 18 m）均為黃土狀土。由擊實試驗可知，樁間土的最優含水率為17.4%，最大干密度為1.73 g/cm3。

表2 地層物理力學指標

1.3 水泥土夯擴擠密樁布置

為研究水泥土夯擴擠密樁的處理效果，在樁間塑性疊加區沿深度間隔1 m，開挖人工探井。采用環刀法取樣測試擠密系數，分析樁體和樁間土擠密效果。取樣點布置如圖1所示。

圖1 取樣點布置

2 水泥土樁夯擴擠密效果分析

水泥土夯擴擠密樁填筑時，樁周土將不斷被夯擴擠密。由圓孔擴張理論可知樁周塑性區（有效加固區）半徑為63.0 ~ 85.5 cm［13］。由JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》［14］可知，樁間土平均擠密系數不宜小于0.93，最小應大于0.88，樁間土濕陷系數小于0.015。

2.1 樁間土擠密系數分析

在A、B、C、D四種方案處理的地基中樁間塑性疊加區布置3個人工探井，開挖深度與樁長一致。沿深度每隔1 m取3個試樣測試擠密系數（取其平均值作為該方案相應深度的擠密系數），共計取樣576個。不同方案樁間土擠密系數隨深度變化曲線見圖2。

圖2 不同方案樁間土擠密系數沿深度的分布

由圖2可知：深度范圍內樁間土擠密系數在平均值左右變化。與方案A相比，保持樁間距不變，當樁長從14 m增大為18 m時，樁間土平均擠密系數從0.913增大為0.920，增大了0.77%，表明單純增大樁長對樁間土的影響比較小。在方案A、B中，雖樁間土最小擠密系數均大于0.88，但樁間土擠密系數大于0.93的占比分別為5.6%和9.9%，平均擠密系數均小于0.93，不滿足JGJ 79—2012要求。方案C、D的樁間土平均擠密系數分別為0.955和0.945，擠密系數大于0.93的占比分別為96%和92%，且最小擠密系數均大于0.90，滿足規范要求。且與方案A和B相比，樁間土平均擠密系數增大了2.72% ~ 4.60%。表明樁間距從1.2 m減小為1.0 m時，樁周塑性區的擠密效果顯著增強。

2.2 濕陷系數分析

A、B、C、D四種地基處理方案中黃土濕陷系數沿深度變化曲線見圖3。可知，擠密樁以樁間距1.2 m處理后黃土濕陷系數為0.003 5 ~ 0.014 0，以樁間距1.0 m處理后黃土濕陷系數為0.002 ~ 0.010。樁間距從1.2 m減小為1.0 m，濕陷系數減小。0 ~ 6 m深度內濕陷系數整體較小，減小幅度較小，6 m以下濕陷系數減小幅度明顯。所測深度范圍內黃土濕陷系數均小于0.015，地基土不再具有濕陷性。

圖3 濕陷系數沿深度的分布

3 夯擴擠密作用對黃土層水平應力的影響分析

柴油錘產生的振動通過沉管的夯擴擠密作用傳向樁周土層，在循環夯實作用下樁周塑性區土體受力經歷了多次加載-卸載-再加載過程。振動壓實時土的應力路徑見圖4［10］。可知：土層應力狀態在b點和c點間變化，夯實結束時樁周土受力狀態從a點變為c點，水平應力增大了Δσ'h，導致土層產生類似預固結的加固效果，表現為側壁阻力fs增大，可用地基處理前后的側壁阻力比分析水平應力的變化［12，15］。

圖4 振動壓實時土的應力路徑

在水泥土樁處理前后的場地上，選取代表性區域開展靜力觸探試驗，分析處理前后深度范圍內地基土層側壁阻力之比（fs1/fs0）。可由靜止土壓力系數（K0）、垂直有效應力（σ'v）和有效內摩擦角（φ'）計算側壁阻力（fs）［16］。計算式為

則fs1/fs0為

式中：K00、K01分別為處理前、后土壓力系數；σ'v1、σ'v0分別為處理前、后垂直有效應力；φ'0、φ'1分別為處理前、后土體內摩擦角。

在夯擴擠密過程中土層上覆有效壓力變化很小，式（2）可簡化為式（3），以分析夯擴擠密前后濕陷性黃土地基水平應力的分布規律［12］。其中，Ks1/Ks0大于1表明土層水平應力增大。

施工14 d后，在任意3根樁的形心位置和未處理區域展開靜力觸探測試。錐尖阻力和側壁阻力沿深度變化曲線見圖5。

圖5 水泥土樁處理前后場地靜力觸探測試結果

由圖5可知：在處理區0 ~ 6 m深度內，四種方案錐尖阻力和側壁阻力均隨深度的增大而增大，深度大于6 m時，均隨深度的增大而減小。與未處理區測試結果相比，方案A、B、C、D中錐尖阻力分別平均增大了1.90倍、1.83倍、2.58倍和2.44倍，側壁阻力分別平均增大了2.65倍、2.63倍、3.67倍和3.59倍，可知水泥土夯擴擠密樁處理后該深度范圍內錐尖阻力和側壁阻力顯著增大。

通過探井法取樣和室內試驗，測得四種方案處理后土層內摩擦角隨深度變化曲線見圖6。可知：土體內摩擦角均隨深度的增大而增大。與天然地基相比，方案A、B、C、D中同一深度處土體內摩擦角分別平均增大了1.08倍、1.10倍、1.16倍和1.17倍，且樁間距對該深度范圍內土體內摩擦角的影響大于樁長。

圖6 水泥土樁處理前后場地內摩擦角沿深度的分布

結合式（3），計算得到方案A、B、C、D中水平應力比（K1/K0）沿深度變化曲線，見圖7。可知：沿深度增大，水平應力比呈現出先增大后減小的變化規律。在0 ~ 12 m深度內水平應力比較大，在2 ~ 4變化，表明水泥土夯擴擠密樁處理后土層水平應力顯著增大。其中在0 ~ 3 m深度內，由于水泥土樁處理前地層的K0較小，導致水平應力比沿深度快速增大。深度大于12 m時水平應力比減小并趨于1，表明處理效果減弱。

圖7 水泥土樁處理后場地土層K01/K00沿深度的分布

循環夯擴擠密作用使得土層水平應力增大，產生預固結的加固效果。Massarsch等［17］提出水平應力變化與超固結比rOCR之間的關系為

式中：β為經驗系數。

Massarsch等［18］通過試驗發現β= 0.48。結合室內測試結果，計算得到四種方案rOCR隨深度變化曲線，見圖8。可知：在2 ~ 6 m深度內土層rOCR顯著增大，表明未處理前該范圍內土體固結程度較小。深度大于6 m時rOCR先減小后趨于穩定，由正常固結土變為超固結土。

圖8 水泥土樁處理后場地土層rOCR沿深度的分布

4 結論

本文通過不同樁間距樁間土應力變化情況，對比分析土層水平應力比、超固結比，從土層應力角度解釋了水泥土夯擴擠密樁的加固機理。主要結論如下：

1）樁間距顯著影響樁間土擠密效果，而樁長的影響較小。樁間距由1.2 m減小為1.0 m時樁周塑性區擠密效果顯著增強，采用水泥土夯擴擠密樁處理濕陷性黃土地基時，樁間距不大于1.0 m時擠密效果明顯。

2）水泥土夯擴擠密樁處理黃土地基時，0 ~ 6 m深度內錐尖阻力和側壁阻力隨深度的增大而增大，深度大于6 m時隨深度的增大而減小。與未處理區相比，處理深度范圍內錐尖阻力、側壁阻力和內摩擦角分別平均增大了1.90 ~ 2.58倍、2.63 ~ 3.67倍和1.08 ~1.17倍。

3）水泥土夯擴擠密樁處理黃土地基時，0 ~ 12 m深度范圍內水平應力比在2 ~ 4變化，超固結比在4 ~ 12變化，加固后土層水平應力和固結強度顯著增大；深度大于12 m時兩者顯著減小并趨于穩定，處理效果減弱。