孔內深層超強夯工法在濕陷性黃土地區高層建筑地基處理中的應用

摘" 要：為探討孔內深層超強夯（SDDC）工法在濕陷性黃土地區的應用效果，采用SDDC工法的大直徑擠密樁作為某高層建筑地基處理方法，進行復合地基承載力靜載荷試驗、樁體壓實系數和樁間土擠密系數試驗、樁身強度試驗；依據試驗數據指標，按樁身強度和復合地基承載力特征值雙控的方法，確定復合地基承載力，并對建筑物在施工期間沉降和竣工后沉降觀測數據進行搜集對比。試驗結果表明，SDDC工法在濕陷性黃土地區高層建筑地基處理中消除地基濕陷、提高地基承載力、減小基礎沉降、加快施工速度、提高施工質量和經濟效益等方面具有明顯優勢，表明該方法在濕陷性黃土地區處理地基是有效可行的。

關鍵詞：大直徑擠密樁；孔內深層超強夯；高層建筑；地基處理；濕陷性黃土

中圖分類號：TU444" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00５５-0４

Abstract： In order to explore the application effect of super down-hole dynamic consolidation （SDDC） method in collapsible loess area， the large diameter compaction pile of SDDC method was used as the foundation treatment method of a high-rise building， and the static load test of bearing capacity of composite foundation， the compaction coefficient of pile and the compaction coefficient of soil between piles and the strength of pile were carried out. According to the index of test data， the bearing capacity of composite foundation is determined according to the double control method of pile strength and the characteristic value of bearing capacity of composite foundation， and the observation data of building settlement during construction and after completion are collected and compared. The test results show that the SDDC method has obvious advantages in eliminating collapsibility foundation of collapsible loess area in the high-rise building foundation treatment， increasing the subgrade bearing capacity， decreasing the foundation settlement ， speeding up the construction speed，and improving the construction quality and economic benefit， showing that the method in ground treatment of collapsible loess area is feasible and effective.

Keywords： large diameter compacted pile; super down-hole dynamic consolidation（SDDC）; high-rise building; collapsible loess area ground

濕陷性黃土是一類不良地質條件，我國主要分布在西起祁連山，東至太行山，遍及甘肅、寧夏、陜西、山西的大部地區，其濕陷等級以Ⅱ級～Ⅳ級為主。濕陷性黃土遇水浸泡失去強度，同時過大的濕陷沉降變形導致基礎發生變形、裸露、懸空，甚至斷裂。因此，在濕陷性黃土地區進行建筑設計和施工尤其是高層建筑施工就對地基處理提出了更高的要求。由于濕陷性黃土的土質特點，濕陷性黃土地區地基的破壞主要來自水力侵蝕和重力侵蝕[1-3]。近年來，國內外專家從消除黃土濕陷性方法、增強地基承載力等方面進行了相對完善的研究，劉松玉等[4]對振桿密實法處理濕陷性黃土地基進行了試驗研究，結果表明振桿密實法處理后的土層錐尖阻力、側壁阻力和標貫擊數較處理前顯著提高。王鼎等[5]對內外套管組合沉管成孔，再由重錘二次夯擴擠密的方案進行了討論研究，獲取了灰土擠密樁與水泥土擠密樁的樁長和比例關系。Shi Baozhen等[6]對濕陷性黃土地基的位移和應力特性進行了研究，對復合地基設計的合理性進行了驗證。從上述的研究現狀分析可以看出，雖然國內外的專家學者對濕陷性黃土的變形機理及濕陷性黃土區地基變形特征等進行了一定研究，但適用于濕陷性黃土區高層建筑結構的地基處理優化方案、處理后地基承載效果評價指標監控的研究相對有限，特別是近年來逐步推廣使用的孔內深層超強夯法的應用評價還需要進一步研究。

孔內深層超強夯法[7]（Super Down Hole Dynamic Consolidation，SDDC）是在孔內深層強夯工法（DDC）基礎上進行改進的一種復合地基處理技術，改進的重點主要表現在成樁孔徑增大和沖擊成孔夯錘質量加大。大量的實際工程表明，常用的400～550 mm樁徑的DDC工法可有效消除大厚度濕陷性黃土的濕陷性，較好地提升地基承載力，但尚有不足之處，如樁間距小、樁數多、樁的施工質量難控制和承載力不能達到高層建筑的要求等問題，而采用大直徑孔內深層超強夯（SDDC）工法樁徑比常用的樁徑大2～3倍，樁間距大、單樁承載力高、樁數少，施工質量能得到嚴格控制。

本文通過實際工程，探討成樁直徑在2 100 mm時，采用SDDC工法的擠密樁作為某高層建筑地基處理方法，通過復合地基承載力靜載荷試驗、樁體壓實系數和樁間土擠密系數試驗、樁身強度試驗，依據試驗數據，以樁身強度和復合地基承載力特征值雙控的方法，確定復合地基最終的承載力，同時監測建筑物在施工期間和竣工后的沉降，通過試驗數據探討SDDC工法在濕陷性黃土地區的應用效果，以期為該法的可靠性提供參考依據。

1" 工程實例

1.1" 工程地質概況

某工程位于陜西省銅川新區，設計要求處理后地基承載力特征值不小于450 kPa。場地屬黃土塬，濕陷性土層厚度自基底算達到19.500 m，主要為黃土和古土壤層，場地屬于Ⅲ級自重濕陷性黃土場地。

1.2" 地基處理方案

鑒于場地的地質情況，天然地基的方案不滿足基礎承載力的要求，經過安全可靠和經濟性對比采用擠密樁復合地基，達到消除地基的濕陷性和提高承載力的效果，孔內填料為水泥土，施工方法采用孔內深層超強夯（SDDC）工法，沖擊輔助旋挖鉆機成孔方式，10 t夯錘分層夯實填料，地基處理設計參數如下：樁中心距2.8 m，樁水平排距2.4 m，成孔孔徑1.4 m，樁身材料為水泥土，樁長17.8 m。

1.3" SDDC工法及施工要點的控制

該工藝使用直徑1.4 m的重錘，成孔時重錘在原土上直接錘擊，夯擴至2.1 m時成孔結束，在此過程中1.4～2.1 m之間的土體被擠向周邊土體，從而達到第一次擠密樁間土的作用。由于樁徑比較大，為確保樁的施工質量，在施工中要特別注意填料的含水率、水泥和土比例的控制。填料的含水率一般是控制在最優含水率±2%的范圍內，水泥土配合比在本工程中采用1∶6（質量比）的比例，水泥和土要求全部過篩處理。

2" 地基處理效果檢測

2.1" 復合地基承載力靜載荷試驗

復合地基承載力特征值按照規范要求，采用靜載荷試驗確定。鑒于本工程成樁后直徑大于1 500 mm，按照CECS 197：2006《孔內深層強夯法技術規程》和JGJ 340—2015《建筑地基檢測技術規范》要求，對工程樁分別做樁身靜荷載試驗和樁間土靜載荷試驗，取3組試樁點，壓板直徑1 120 mm，加荷等級分為8級，最大加載壓力為1 570 kPa，取最不利一組靜荷載試驗曲線如圖1所示。

圖1中（a）（b）為樁體試樣的靜載曲線，（c）（d）為樁間土體試樣的靜載曲線，由p-s曲線可以看出，曲線為2條相對平緩、光滑曲線，上部的曲線是壓實曲線，下部的曲線為回彈曲線，s值隨著p值的增加逐漸增大，在卸載以后s隨著卸載荷載的減小有所增加又逐漸減小，在卸載完成后到達一個穩定值；同時加載達到設計荷載值（785 kPa）的2倍時樁體曲線平滑，沒有發生突變，說明樁體沒有發生破壞。由s-lgt曲線可以看出，樁間土體曲線密集、相互平行、變化均勻，在各級荷載下相對穩定。

2.2" 樁身和樁間土質量檢驗結果

處理后復合地基需對樁體壓實系數、樁間土擠密系數指標進行評價，采取現場取樣和人工探井取樣的方法，對6組樁體做試驗，每根樁體取3組土樣，土樣在同一含水量、不同錘擊數的情況下做土工物理試驗，檢測得到的數據見表1。

由表1可以看出，在相同含水率的條件下，錘擊數越多樁體的壓實系數和樁間土的擠密系數平均值均有所增加。根據GB 50025—2018《濕陷性黃土地區建筑規范》中樁體填料的平均壓實系數λc不應低于0.97、樁間土平均擠密系數ηc不宜小于0.93，由表1可以看出，二者均滿足規范要求。

2.3" 樁體抗壓強度

通過3根樁的18組樁體試塊抗壓強度的試驗，樁身抗壓強度隨取樣深度的變化數據見表2。

由表2數據可以看出，樁體的抗壓強度隨樁身的深度而變化，受到施工及不同土層土質的影響，強度的變化并無呈現出穩定的規律，由于樁體材料介于散體和凝結體之間的狀態，作為建筑物的地基，要保證樁體不能出現強度的破壞，所以選用了試塊最小值作為樁體強度，根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》（7.1.6-1），由現場試驗得單樁抗壓強度

式中：Ap=0.785×2.12=3.461 9 m2為成樁面積；Ra為單樁豎向承載力特征值；λ為單樁承載力發揮系數；fcu為樁體試塊抗壓強度平均值（此處取最小值）。

而理論計算單樁抗壓強度由JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》（7.1.5-3）公式

式中：Up=3.14×2.1=6.594 m為成樁周長；qsi為樁側阻力特征值（10 m范圍取-15，7 m范圍取15）；ap為樁端阻力發揮系數，取1.0；qp為樁端阻力特征值，取715 kPa；lpi為樁長范圍第i層土的厚度。

由此得出：現場試驗數據得到的單樁承載力特征值為3 981 kN，而理論計算得到的單樁承載力特征值為2 178.5 kN。由此可以看出，試驗得到的單樁承載力特征值遠大于理論計算值，復合地基增強體單樁樁身強度和復合地基承載力特征值同時滿足設計要求。

2.4" 地基處理后沉降觀測結果

根據高層沉降觀測要求，在主樓四周布設30個沉降觀測點，經3次間隔3個月的觀測，最大沉降為19.6 mm，同時主樓在主體施工階段和竣工以后的沉降均比較穩定，即便是最大的沉降點也能滿足規范“體型簡單的高層建筑基礎的平均沉降量允許值不大于150 mm”的要求。

3" 結論

1）SDDC工法在大直徑擠密樁處理濕陷性黃土地區高層建筑地基方案中，可以消除地基土層的濕陷性、提高地基承載力、減小建筑物的沉降，同一場地，樁徑大樁數少，施工速度快，具有明顯經濟效益。

2）對于濕陷性土層較厚的地區，采用的樁體材料可以選用1∶6（質量比）的水泥土填料，經工程實例對比可以得到此方案造價低，施工簡單，質量可靠。

3）SDDC工法處理后的地基，是由擠密后的原土和具有低黏結、有一定強度樁體組成的復合地基，整個場地仍為不均勻地基，所以建議高層建筑的基礎采用整體性好的平板式伐基或梁伐基礎。

4）建議SDDC工法取以下范圍，為最經濟合理：成孔直徑取1.4～1.8 m，成樁直徑取1.8～2.4 m，樁間距取成孔直徑的2～2.5倍。

參考文獻：

[1] 劉祖典.黃土力學與工程[M].西安：陜西科學技術出版社，1997.

[2] 胡玉定，姚繼濤，韓曉雷，等.黃土地區某事故建筑物不均勻沉降機理分析[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2012（3）：345-350.

[3] 朱彥鵬，李亞勝，李京榜，等.擠密樁法處理自重濕陷性黃土地基的試驗[J].蘭州理工大學學報，2019，45（6）：133-137.

[4] 劉松玉，杜廣印，毛忠良，等.振桿密實法處理濕陷性黃土地基試驗研究[J].巖土工程學報，2020，42（8）：1377-1383.

[5]王鼎，葛忻聲，甄正，等．內外套管組合沉管夯擴法在大厚度濕陷性黃土地基中的現場試驗研究[J].建筑結構，２０１９，４９（６）：１３４－１37.

[6] SHI B， CHENG X，GONG L，et al. Selection design and parameter optimization of composite foundations in collapsible loess areas[J].Geotech Geol Eng，2020（38）：3175-3201.

[7] 孔內深層強夯法技術規程：CECS 197：2006[S].北京：中國計劃出版社，2006.