實例分析灰土擠密樁處理濕陷性黃土

張江成，仇麗波

（西部寶德科技股份有限公司，陜西 西安 710299）

0 引言

濕陷性黃土在我國廣泛分布于中西部地區:甘肅、陜西、河南、山西、河北以及內蒙古和山東部分地區，其土質疏松且孔隙率較大，在工程建設時需要進行特殊處理［1］。濕陷性黃土在其回填土自身重力和附加應力共同作用下，會因浸水導致土的結構破壞而使其進一步變形。基于此，在工程建造中會對建筑物結構有較大的危害，多數會在工程結構內部產生裂縫或局部下沉，嚴重的將使整個結構體系失穩甚至發生坍塌［2］。因此，對工程建設區域進行濕陷性黃土的分析以及應對處理是十分必要的。

1 濕陷性黃土的工程特性與評價

基于工程施工經驗，濕陷性黃土可分為以下三方面特性。

①濕陷性，濕陷性黃土中含有大量可溶性鹽，其中易溶性鹽類包括鈉、鉀、鎂、鈣的氯化鹽類以及硝酸鹽類；還有石膏以及碳酸鈣成分的中溶性鹽和難溶性鹽。當地表水侵蝕土壤使含水量增加后，大量鹽類物質溶解致使土壤的穩定結構被破壞，原本對土粒的膠結作用被明顯削弱。部分瓦解后的土壤顆粒逐步隨自身重力作用向下沉積，當與下層土粒接觸后形成的牽引力大于自身重力時土壤的疏松結構持續擴大直至演變為大規模的形變沉降。②脹縮性，這一特性是指濕陷性黃土內部遇水浸潤后其內部結構發生膨脹，但在水分干燥蒸發后出現回縮現象。這樣交替出現吸水膨脹和失水回縮，導致其表面和內部出現大量延展性裂紋，直接影響后續地基承載能力。③崩解性，基于濕陷性黃土的脹縮性，當黃土浸濕后土粒間聯結程度大幅削弱，最終導致內部結構瓦解［3］。

在項目開工前由地質勘察單位須對施工地區進行地質勘察工作，并在報告中對該區域黃土濕陷性作出系統性評價，通常從 3 個部分展開:第一判定擬建區域黃土土層是否具有濕陷性，測定黃土土層的垂直與水平分布、厚度，地下水位的埋深等；第二若具有濕陷性，判定是自重濕陷性黃土還是非自重濕陷性黃土；第三判定黃土的濕陷等級。根據 GB 50025－2018《濕陷性黃土地區建筑規范》的規定，測定黃土的濕陷性試驗，通常有現場靜載荷試驗、現場試坑浸水試驗和室內壓縮試驗 3 種方法［4］，本項目通過靜載荷試驗進行測試。濕陷系數僅表示測試地區的黃土是否具有濕陷性，但并不能等同于評價整個地基的濕陷性。目前我國建筑行業對于地基的濕陷性評價，主要用濕陷類型和濕陷等級兩個指標來描述。

2 濕陷性黃土地基處理措施

當前，國內外廣泛使用的地基處理方法按土體加密、土體加固和荷載傳遞這三種地基處理原理進行分類［5］。我國目前大多數采用的是土體加密法，該方法原理是通過填壓介質對原地基土體進行夯實以提高其密實度，削弱黃土的濕陷性從根本上提高地基承載力。根據工藝可將其分為:重錘表層夯實法、強夯法、沖擊壓實法、灰（土）墊層法、生石灰樁法、擠密（灰）土樁法、微型擠密灌注短樁法、電火法壓密法和氣爆壓密法等。本項目采用擠密灰土樁法對地基進行處理。

擠密樁法加固機理如圖1 所示，先通過原位深層擠壓成孔對樁間土加密，隨后與夯實灰土的樁體構成高承載力的人工復合地基。本工程選用擠壓打孔而非螺旋鉆的方式，能夠最大程度對樁間土土體進行橫向加密。將灰土樁打入擠壓孔時，原本已經被擠壓的土體再次受到較大的水平向擠壓作用，隨著樁體被不斷夯實，樁間土與灰土樁之間緊密聯結，相鄰灰土擠密樁會構成類似模板、框架的約束結構，進而在濕陷性黃土整體結構中形成多個強制性的擠密區域。此時樁體不僅能夠分擔載荷并對土體產生側向約束作用，同時提高地基承載力和變形模量，最終起到消除濕陷性的效果。

圖1 灰土擠密樁法加固機理示意圖

3 濕陷性黃土某工程實例分析

某新建廠房位于西安市高陵縣涇渭工業園，建設場地地勢平坦，勘探點地面標高介于 388.06～388.70 m，最大高差 0.64 m，地貌單元屬涇河右（北）岸二級階地，地質情況如表1 所示。

表1 土質濕陷性概況

本工程為門式鋼架結構，地上一層局部二層獨立基礎廠房，地基基礎設計等級丙級，根據地基土濕陷性檢測報告判定擬建場地為自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為 Ⅲ 級（嚴重）。根據本工程結構及場地地質條件，本工程采用灰土擠密樁法（DDC 工法）進行地基整片處理，采用長螺旋鉆，鉆孔直徑 400 mm，宜從外向里間隔 1～2 孔進行，成孔后要求及時檢查樁孔質量，夯后（錘重 1.5 t～2 t）樁徑≥550 mm，有效樁長 6.5 m，樁位排布為三角形，孔底在填料前必須夯實，填料采用 3∶7 灰土，并分層回填夯實，壓實系數≥0.97，樁間土擠密的平均擠密系數≥0.93。樁施工后，需破除 500 mm 后虛樁頭，然后按圖示邊線整片處理 500 mm 厚灰土墊層，灰土墊層壓實系數≥0.97，要求處理后的地基承載力特征值≥200 kPa，本工程灰土擠密樁布置圖如圖2 所示。

圖2 灰土擠密樁試樁位置示意圖

4.1 灰土擠密樁的設計要求

灰土擠密樁樁頂標高 -2.6 m，孔徑 400 mm，設計要求經夯實后樁徑≥550 mm，有效樁長 6.5 m，樁間距 900 mm，等邊三角形布樁，樁身填料為 3∶7 灰土。總樁數 10 383 根，地基處理面積約 7 280 m2。上部褥墊層采用 3∶7 灰土，厚度 0.5 m。①灰土擠密樁復合地基承載力特征值≥200 kPa；②灰土擠密樁樁間土平均擠密系數≥0.93，樁體灰土壓實系數≥0.97。③消除灰土擠密樁處理深度范圍內樁間土的濕陷性。④褥墊層壓實系數≥ 0.97。

4.1.1 樁間距的計算

若參照 JGJ 79－2012《建筑地基處理技術規范》7.5.2-1 公式，如式（1）所示。

式中，S為樁孔之間的中心距離，m；d為樁孔直徑，m；ρdmax為樁間土的最大干密度，t/m3；ρd為地基處理前土的平均干密度，t/m3；ηc為樁間土形成孔擠密后的平均擠密系數，不宜小于0.93。取最大干密度 1.75 g/m3，平均擠密系數 0.94。

若參照 GB 50025－2018《濕陷性黃土地區建筑規范》6.4.2 公式，如式（2）所示。

式中:S為樁心距，m；ρsmax為擊實試驗的最大干重度，g/m3；D為擠密填料孔直徑，m；ρdo為地基擠密前壓縮層范圍內各層土的平均干密度，g/cm3；d為預鉆孔直徑，m；為擠密填孔（到達D）后 3 個孔之間的平均擠密系數，不宜小于 0.93［6］。

取最大干重度 1.75 g/m3，干重度 1.37 g/cm3，平均擠密系數 0.94，預鉆孔直徑 0.3 m。在本工程中，參照以上式（1）并結合擬建場地的黃土濕陷性程度，最終確定樁間距為 0.9 m。

4.1.2 復合地基承載力特征值的計算

根據 JGJ 79－2012《建筑地基處理技術規范》7.1.5，散體材料增強體復合地基承載力特征值應通過復合地基靜載荷試驗和其周邊土的承載力特征值并結合經驗確定，估算如式（3）所示。

式中:fspk為復合地基承載力特征值，kPa；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，通常各地區因土質不同以經驗確定，并且需考慮原土強度、類型等；n為復合地基樁土應力比，按地區不同以經驗確定，或通過試驗確定［7］，如式（4）所示。

式中:m為面積置換率。d為樁身直徑，m；de為每根樁承受的處理地基面積的等效圓直徑，m；本工程采用等邊三角形布樁，因此de=1.05Sde，S為樁間距。

4.2 灰土擠密樁的施工處理

施工前，對擬建場地基礎范圍以外三處位置（西北角、中心處、東南角），共計 21 根，按照設計要求進行試樁（見圖2），以獲得擠密系數、壓實系數等必要施工參數和實際數據，并根據已測結果判定黃土濕陷性消除效果。根據灰土擠密樁試樁結果表明，以上三處試樁點的復合地基承載力特征值≥200 kPa，樁間土擠密系數平均值為 0.94，樁體灰土壓實系數平均值為 0.98，滿足設計要求。經動土前土質勘驗和灰土擠密樁處理深度范圍內各項參數報告，可認為其濕陷性基本消除。設計人員根據試樁試驗報告檢測結果確認施工方可進行工程樁施工。

施工工藝流程［8］如圖3 所示。

圖3 施工工藝流程圖

施工要點:在打孔過程中，按照成孔擠密的順序，采用隔排跳打的方式成孔，成孔后需要對孔深、孔徑、垂直度指標進行檢測并嚴格記錄，判定合格后方可進行下一步。灰土拌合時，預先測定石灰土的灰劑量和含水量以確保拌合后灰土滿足設計要求，再對土與石灰分別過篩，之后及時回填。安裝好夯填機進行灰土夯填時，須確保拔錘直至回落聲音呈清脆聲說明已充分夯實。每次夯填時，必須做到均勻下料，均勻夯擊，且填料虛土厚度不宜過多、填料速度也不宜過快。在夯填時嚴格依照試驗所確定參數進行夯填并對其進行全面過程檢測，確保壓實系數≥0.97。

樁孔夯填完成后，設計建設部門必須對不同深度的樁孔間土樣進行平均擠密系數、樁體壓實系數和復合地基載荷試驗的測定，并對濕陷性消除效果進行評價。檢測結果如表2、3 所示。樁間擠密系數測定值為 0.94，符合等邊三角形布樁時樁間擠密系數≥0.93 的設計要求。壓實系數測定值為 0.98，也符合設計要求。

表2 干密度試驗成果（擠密系數）

表3 干密度試驗成果（壓實系數）

在該工程灰土擠密樁施工結束后七天，第三方設計建設單位采用靜載荷法對其進行檢驗，測試結果加固后的地基承載力達到 215 kPa，說明擠密樁樁體及周圍樁間土整體得到了有效加固，再次證明該區域的土地濕陷性得到部分消除，進一步增強了項目施工區域內的地基的整體承載能力。

5 結語

濕陷性黃土因其特殊性，在前期勘察階段必須完全根據其工程特性制定相應地基處理措施，在地基加固階段必須監督施工過程是否嚴格按照圖紙進行，并且后期做好工程維護如防水工作等。通過前期設計以及施工處理，最終檢測后可判定該工程項目擬建區域黃土濕陷性得到了有效消除。