灰土擠密樁處理西寧某電廠濕陷性黃土的研究

紀(jì)成亮 李仁杰 張 勇

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

黃土在我國分布范圍很廣，其中西北地區(qū)的黃土厚度較大、特征典型。濕陷性黃土是一種常見的特殊性土，特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有濕陷性[1]。濕陷性黃土在沉積過程中的物理及化學(xué)作用下形成了具有一定強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)，從而使其具有一定的結(jié)構(gòu)性。在其結(jié)構(gòu)未遭破壞時(shí)，濕陷性黃土具有相對較高的強(qiáng)度。在水的浸泡作用以及壓力或重力作用下，濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)遭受破壞，強(qiáng)度喪失，大孔隙被壓密，從而產(chǎn)生黃土濕陷性[2]。濕陷性黃土在浸水濕陷過程中變形迅速，強(qiáng)度急劇下降，變形量也較大，其產(chǎn)生的不均勻沉降以及剪切破壞是建筑物產(chǎn)生破壞的重要原因[3]。

灰土擠密樁法用于處理濕陷性黃土地基，可有效地消除土的濕陷性，并提高地基承載力。本文主要以青海西寧某擬建電廠工程附屬建筑區(qū)域濕陷性黃土地基原體試驗(yàn)為例，對采取灰土擠密樁地基處理方案的必要性進(jìn)行了論述，對處理后地基的檢測成果進(jìn)行了研究，對試驗(yàn)區(qū)灰土擠密樁地基處理效果進(jìn)行了綜合評價(jià)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

青海西寧某電廠位于西寧市西偏南約15 km處的湟中縣西堡鎮(zhèn)境內(nèi)。本工程規(guī)劃容量為4×350 MW，本期建設(shè)規(guī)模2×350 MW超臨界空冷供熱機(jī)組，并留有擴(kuò)建余地。

1.2 場區(qū)工程地質(zhì)

本工程原始地形總體趨勢為東高西低、南高北低，局部略有起伏，呈階梯狀田地，原始地面高程在2 339.12 m～2 360.22 m之間，最大高差約21.10 m。

本工程上覆地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積形成的黃土狀粉土以及第四系上更新統(tǒng)沖洪積形成的卵石；下伏第三系泥質(zhì)砂巖及泥巖。

工程場地內(nèi)勘探深度范圍內(nèi)地下水類型主要為第四系孔隙潛水，賦存于第四系卵石層中，地下水穩(wěn)定水位位于卵石層頂標(biāo)高以下。

1.3 黃土濕陷性

擬建場地內(nèi)①黃土狀粉土在場地內(nèi)表層廣泛分布，具濕陷性。該層濕陷程度中等～強(qiáng)烈，屬自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅱ級～Ⅲ級(中等～嚴(yán)重)。在各級試驗(yàn)壓力(200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa)下，①黃土狀粉土均具濕陷性，濕陷起始壓力范圍值為7 kPa～452 kPa，平均值為105 kPa。最大自重濕陷深度及最大濕陷深度均至①黃土狀粉土層底。

1.4 地基處理方案

根據(jù)擬建建筑物基底下濕陷性黃土的工程性質(zhì)以及厚度，設(shè)計(jì)單位擬對部分荷重較輕的建筑物采用灰土擠密樁方案進(jìn)行地基處理，處理深度達(dá)②層卵石的頂面。依據(jù)巖土工程勘測報(bào)告以及場平后地形圖，確定灰土擠密樁樁身長度約7 m～10 m。

針對以上地基處理方案，本工程進(jìn)行了灰土擠密樁原體試驗(yàn)以檢測方案的有效性，確定施工過程中的參數(shù)。

2 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及施工

2.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按照樁間距不同，原體試驗(yàn)分為兩個(gè)試驗(yàn)片區(qū)，樁間距分別為1.10 m(試驗(yàn)區(qū)一)和1.30 m(試驗(yàn)區(qū)二)，樁徑為500 mm，均按等邊三角形布樁，樁體材料為三七灰土，處理深度至①層黃土狀粉土層底。

2.2 施工工藝及參數(shù)

1)試驗(yàn)所選消石灰中(CaO+MgO)含量69.12%～70.09%，均大于60%，滿足規(guī)范要求。

2)地基土天然含水量為14.8%，滿足規(guī)范要求。

3)試驗(yàn)樁成孔采用錘擊沉管，設(shè)備擬采用DD35型導(dǎo)桿柴油打樁機(jī)，沉管管箍直徑為45 cm；夯實(shí)設(shè)備擬采用卷揚(yáng)夯實(shí)機(jī)，夯錘重約1.5 t，夯錘外徑30 cm，錘底呈錐形。

4)試驗(yàn)區(qū)采用錘擊方式成孔，采用三遍成孔方式。

5)每遍成孔完畢立即進(jìn)行回填夯實(shí)，單層平均填料量約0.12 m3，夯錘平均落距3.0 m～4.0 m，單層錘擊10擊。

3 原體試驗(yàn)檢測成果及分析

3.1 樁體密實(shí)度及樁間土擠密效果檢測

兩試驗(yàn)區(qū)灰土擠密樁施工完成后，分別對樁體以及樁間土進(jìn)行了取樣測試檢測擠密效果。其中試驗(yàn)區(qū)一樁體干密度平均值為1.62 g/cm3，壓實(shí)系數(shù)平均值為0.97，樁間土干密度平均值為1.72 g/cm3～1.74 g/cm3，壓實(shí)系數(shù)平均值為0.98～0.99；試驗(yàn)區(qū)二樁體干密度平均值為1.59，壓實(shí)系數(shù)平均值為0.96，樁間土干密度平均值為1.60 g/cm3～1.70 g/cm3，壓實(shí)系數(shù)平均值為0.93～0.98；其中試驗(yàn)區(qū)一樁體密實(shí)度及樁間土擠密效果均優(yōu)于試驗(yàn)區(qū)二。

3.2 黃土濕陷性消除效果檢測

經(jīng)過檢測，灰土擠密樁處理后兩試驗(yàn)區(qū)內(nèi)黃土狀土濕陷系數(shù)均小于0.005，均已全部消除濕陷。

3.3 復(fù)合地基平板靜載荷試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)區(qū)一試驗(yàn)情況

1)試驗(yàn)方法：試驗(yàn)區(qū)一共布置3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別為1-1號，1-2號，1-3號，采用混凝土配重塊提供反力，承壓板采用直徑為1.16 m的圓形剛性承壓板。

2)試驗(yàn)成果分析：依據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果(p—s曲線詳見圖1～圖3)，1-1號，1-2號，1-3號最大加載分別至540 kPa，600 kPa，540 kPa，三個(gè)點(diǎn)的p—s曲線均出現(xiàn)明顯陡降段，均已壓至破壞。

據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(第4版)，變形模量及基準(zhǔn)基床系數(shù)計(jì)算公式如下：

E0=I0(1-μ2)pd/s。

Kv=4d2/(d+0.3)2×(p/s)。

其中，E0為土的變形模量，MPa；Kv為基準(zhǔn)基床系數(shù)，kN/m3；I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)，圓形承壓板取0.785；μ為土的泊松比，本次試驗(yàn)灰土復(fù)合地基取0.35；p為p—s曲線線性段的壓力，kPa；s為與p對應(yīng)的沉降，mm；d為承壓板直徑，m，試驗(yàn)區(qū)一d=1.16 m，試驗(yàn)區(qū)二d=1.37 m。

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)一平板靜載荷試驗(yàn)結(jié)果一覽表

3.3.2試驗(yàn)區(qū)二試驗(yàn)情況

1)試驗(yàn)方法：試驗(yàn)區(qū)二共布置3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別為2-1號，2-2號，2-3號，采用混凝土配重塊提供反力，承壓板采用直徑為1.37 m的圓形剛性承壓板。

表2 試驗(yàn)區(qū)二平板靜載荷試驗(yàn)結(jié)果一覽表

2)試驗(yàn)成果分析：依據(jù)本次試驗(yàn)的結(jié)果(p—s曲線詳見圖4～圖6)，2-1號，2-2號，2-3號點(diǎn)均最大加載至480 kPa，三個(gè)點(diǎn)的p—s

曲線均出現(xiàn)明顯陡降段，均已壓至破壞狀態(tài)。

載荷試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語

通過對西寧某電廠灰土擠密樁復(fù)合地基方案開展的兩種樁間距的原體試驗(yàn)，并通過室內(nèi)土工試驗(yàn)以及原位試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論與建議：

1)工程場地采用灰土擠密樁復(fù)合地基進(jìn)行地基處理，可有效消除地基土的濕陷性，提高地基土的承載力。試驗(yàn)得出：采用1.10 m和1.30 m樁間距均能全部消除地基土濕陷性，樁體及樁間土的壓實(shí)系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，可根據(jù)不同承載力要求選擇不同樁間距。

2)兩試驗(yàn)區(qū)樁體平均壓實(shí)系數(shù)范圍值0.96～0.97，平均值0.97；樁間土平均擠密系數(shù)范圍值0.93～0.99，平均值0.97；其中試驗(yàn)區(qū)一樁體密實(shí)度及樁間土擠密效果均優(yōu)于試驗(yàn)區(qū)二。

3)根據(jù)本次載荷試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮大面積施工及浸水等因素，建議樁徑500 mm、樁間距1.10 m、等邊三角形布置的三七灰土擠密樁復(fù)合地基承載力特征值按220 kPa、變形模量按17 MPa、壓縮模量按19 MPa、基準(zhǔn)基床系數(shù)按6.8×104kN/m3設(shè)計(jì)；建議樁徑500 mm、樁間距1.30 m、等邊三角形布置的三七灰土擠密樁復(fù)合地基承載力特征值按190 kPa、變形模量按14 MPa、壓縮模量按15 MPa、基準(zhǔn)基床系數(shù)按6.0×104kN/m3設(shè)計(jì)。

4)灰土擠密樁施工前，需先對施工區(qū)處理深度范圍內(nèi)地基土取樣進(jìn)行含水量試驗(yàn)，地基土含水量宜接近最優(yōu)含水量，且不宜小于12%；如含水量小于12%，宜根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行增濕作業(yè)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮樁頂預(yù)留500 mm厚松動(dòng)層，基礎(chǔ)施工時(shí)將該松動(dòng)層挖除并鋪設(shè)500 mm厚灰土墊層。

[1] 劉志偉.鉆孔擠密樁處理強(qiáng)濕陷性黃土地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009(30):339-343.

[2] 陳 培.灰土擠密樁在濕陷性黃土地區(qū)電廠冷卻塔地基處理中的應(yīng)用[J].建筑科學(xué),2013(29):75-79.

[3] 李 剛.灰土擠密樁在濕陷性黃土地基中的應(yīng)用[J].路基工程,2010(1):178-180.