濕陷性黃土地區(qū)灰土擠密樁法成孔工法探究

呂強(qiáng) 劉瑞

【摘要】濕陷性黃土是以粉質(zhì)黏土為主要成分，呈褐黃色、黃色，具有天然含水量偏低，大孔隙，富含鈣質(zhì)結(jié)核等多種特征。陜西地區(qū)濕陷性黃土分布范圍非常廣泛，在該類土體上進(jìn)行大規(guī)模工程建設(shè)的現(xiàn)象也越來(lái)越普遍，特別是近些年來(lái)隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，超大型建筑物越來(lái)越多，大厚度、大面積濕陷性黃土地基處理工程項(xiàng)目顯著增加。然而建筑物建造在濕陷性黃土上，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)與黃土性質(zhì)相關(guān)的危害，究其原因是地基土體遇水，并在自重應(yīng)力和附加荷載或上覆土層自重應(yīng)力作用下，土體結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著沉降變形，是引起建構(gòu)筑物開(kāi)裂、下沉的主要因素，因此對(duì)黃土濕陷性的研究與人工處理是非常必要的，在工程領(lǐng)域中也占有十分重要的地位。論文的主要內(nèi)容包括：首先，從微觀上分析了黃土濕陷性的成因及機(jī)理，介紹了常用的黃土地區(qū)建筑物消除地基濕陷性的處理方法，對(duì)當(dāng)前工程常用的濕陷性黃土地基處理方法進(jìn)行比較分析研究，為陜西關(guān)中地區(qū)擬建建筑物地基處理方法的選擇提供了參考，具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。其次，通過(guò)對(duì)西安北郊港務(wù)區(qū)濕陷性黃土施工場(chǎng)地工程案例的分析對(duì)比，提出非擠壓擠密排土成孔工藝對(duì)地基土擠密效果中存在的劣勢(shì)，需要在工程實(shí)踐中加以改進(jìn)，以便充分發(fā)揮其他方面優(yōu)勢(shì)，在濕陷性黃土地基處理中得到廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】螺旋成孔;擠密系數(shù);塑性區(qū)半徑;雙重?cái)D密;擠擴(kuò)鉆頭

【中圖分類號(hào)】TU475.3

灰土擠密樁法，是特殊土地基加固處理的方法之一，是一種常規(guī)人工復(fù)合地基處理工法，通常在濕陷性黃土地區(qū)使用較廣。其加固機(jī)理為 3∶7（ 2∶8） 灰土在化學(xué)性能上具有氣硬性和水硬性[1]。 由于石灰內(nèi)帶正電荷的鈣離子與帶負(fù)電荷的黏土顆粒相互吸附， 形成膠體凝聚， 并隨灰土期齡的增長(zhǎng)， 土體固化作用提高， 使灰土的強(qiáng)度逐漸增大。 在力學(xué)性能上， 可擠密地基， 提高地基承載力， 消除濕陷性， 減小沉降并使之均勻[2，3]。

由于濕陷性黃土屬于非飽和的欠壓密土，具有孔隙比較大而干密度較小的特征，同時(shí)也是其產(chǎn)生浸水濕陷的根本原因，試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，當(dāng)黃土的干密度及其擠密系數(shù)達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可消除其濕陷性[4]。灰土擠密樁正是利用此原理通過(guò)原位深層擠壓成孔，使樁間土得到加密，其施工工藝通常是采用螺旋鉆孔或沖擊、振動(dòng)方法成孔，然后進(jìn)行灰土的回填和夯實(shí)，從而形成增大直徑的樁體，與此同時(shí)樁間土因成孔成樁過(guò)程中的擠密夯實(shí)作用得到增強(qiáng)，樁和樁間土一起形成復(fù)合地基[5，6]。

1、灰土擠密樁法加固機(jī)理

灰土擠密樁是利用橫向擠壓成孔設(shè)備在地基中成孔，通過(guò)“擠”壓作用，使地基土得到加“密”，然后在孔中分層填入灰土后夯實(shí)而成灰土樁，它屬于柔性樁，與樁間土共同組成復(fù)合地基[7]?；彝翑D密樁法處理地基的加固機(jī)理主要包括“土的側(cè)向擠密作用”和“灰土豎向樁體的作用”兩方面[8]。首先，灰土擠密樁擠壓成孔時(shí)，樁孔位置原有土體被強(qiáng)制側(cè)向擠壓，使樁周一定范圍內(nèi)的土層密實(shí)度提高，其擠密影響半徑通常為1.5～2.0d（d為樁直徑），相鄰樁孔擠密區(qū)交界處擠密效果相互疊加;其次，灰土樁是用消石灰和土按一定體積比例（2：8或3：7）拌和，并在樁孔內(nèi)夯實(shí)加密后形成樁體，這種材料在化學(xué)性能上具有氣硬性和水硬性，由于石灰內(nèi)帶正電荷鈣離子與帶負(fù)電荷粘土顆粒相互吸附，形成膠體凝聚，并隨灰土齡期增長(zhǎng)，土體固化作用提高，使土體強(qiáng)度逐漸增加[9，10]。在力學(xué)性能上，可達(dá)到擠密地基效果，提高地基承載力，消除場(chǎng)地濕陷性，減少建筑物沉降量。此工法相對(duì)于灰土墊層法等對(duì)于濕陷性黃土地基的處理深度更大，而且地基處理過(guò)程中不用進(jìn)行土體的換填，在原有位置上就可以進(jìn)行施工[22]。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）[11]復(fù)合地基的定義，灰土擠密樁就是樁間土體被擠密增強(qiáng)，而樁體被有效置換，形成由被增強(qiáng)的地基土、豎向增強(qiáng)體和褥墊層三位一體共同承擔(dān)荷載的人工地基。其復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式在規(guī)范7.1.5條中也明確給出：

由公式中也可看出，地基處理后的承載能力主要是由樁體單樁豎向承載力特征值Ra和加固處理后的樁間土承載力特征值fsk提供。

2、常規(guī)灰土擠密樁成孔施工工藝

灰土擠密樁成孔工藝按樁孔土體排放方式分為排土和非排土成孔工藝。

排土式最常見(jiàn)成孔方式是利用液壓步履式長(zhǎng)螺旋成孔設(shè)備干式排土成孔[12，13]。根據(jù)功的原理，在大扭矩動(dòng)力頭作用下將螺桿旋轉(zhuǎn)一周，葉片上土體被舉高一個(gè)螺距（即兩螺紋間豎直距離），并帶動(dòng)鉆頭切削孔內(nèi)土體和孔壁分離后，大部分渣土被長(zhǎng)螺旋葉片導(dǎo)向地面或粘附在螺旋鉆桿葉片上帶至地面。排土式成孔工藝雖然在成孔過(guò)程中鉆頭和螺旋鉆桿切削孔內(nèi)土體時(shí)對(duì)樁周土體也產(chǎn)生一定的擠壓作用，但隨著螺旋葉片帶動(dòng)切削后的渣土不斷上升而得到釋放，成孔時(shí)對(duì)樁間地基土的一次擠壓作用可忽略不計(jì)。

而非排土式分為打入式、振入式和壓入式[14]。打入式最常見(jiàn)的是履帶式柴油錘打樁機(jī)沖擊成孔，利用導(dǎo)桿錘柴油打樁錘或筒式柴油打樁錘成孔用沖擊方法，把圓柱形鋼質(zhì)樁管打入原地基，拔出后形成樁孔;振入式最常見(jiàn)的是振動(dòng)沉管樁機(jī)振動(dòng)成孔，利用偏心電動(dòng)振動(dòng)錘產(chǎn)生激振力[15，16]，把圓柱形鋼質(zhì)樁管振入原地基，拔出后形成樁孔;壓入式最常見(jiàn)的是靜力壓樁機(jī)成孔，利用大噸位步履式靜力壓樁機(jī)產(chǎn)生反力通過(guò)液壓油缸把圓柱形鋼質(zhì)樁管壓入原地基，拔出后形成樁孔[17]。以上三種非排土成孔方式其特點(diǎn)在于不取土，擠壓原地基成孔;回填物料時(shí)，夯實(shí)物料進(jìn)一步擠壓擴(kuò)孔。

3、項(xiàng)目案例

3.1工程概況

建設(shè)場(chǎng)地位于西安國(guó)際港務(wù)區(qū)保稅路交匯口，建筑地上1層，鋼結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)，灰土擠密樁樁徑400mm，有效樁長(zhǎng)15.00m，樁間距900mm，等邊三角形布樁。擬建場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）。

2#冷庫(kù)總樁數(shù)11547根，地基處理面積8094.45m?，采用液壓步履式長(zhǎng)螺旋成孔設(shè)備干式排土成孔;而3#冷庫(kù)總樁數(shù)8156根，地基處理面積5670m?，采用導(dǎo)桿錘柴油打樁錘打入式成孔。

3.2樁間土檢測(cè)方案及結(jié)果

開(kāi)挖擠密單元探井，從樁頂標(biāo)高處向下，在等邊三角形形心部位（濕陷性評(píng)價(jià)）、距離樁體外10cm處及樁孔之間的中心距處（平均擠密系數(shù)），每間隔1.00m取樣。制取濕陷性樣品和樁間土擠密系數(shù)土樣，進(jìn)行土工分析測(cè)試。

2#冷庫(kù)樁間土濕陷性結(jié)果：由土工試驗(yàn)報(bào)告知，39個(gè)探井所取的585個(gè)土樣中，有52組土樣濕陷系數(shù)大于0.015，其余均小于0.015，故在地基處理深度范圍內(nèi)樁間土的濕陷性基本消除。由干密度試驗(yàn)成果表及施工單位提供的擊實(shí)試驗(yàn)報(bào)告，計(jì)算樁間土擠密系數(shù)，39個(gè)探井樁間土擠密系數(shù)介于0.91～0.94之間，平均擠密系數(shù)不低于0.93，滿足設(shè)計(jì)要求。

3#冷庫(kù)樁間土濕陷性結(jié)果：由土工試驗(yàn)報(bào)告知，28個(gè)探井所取的420個(gè)土樣中，有2組土樣濕陷系數(shù)大于0.015，其余均小于0.015，故在地基處理深度范圍內(nèi)樁間土的濕陷性全部消除。由干密度試驗(yàn)成果表及施工單位提供的擊實(shí)試驗(yàn)報(bào)告，計(jì)算樁間土擠密系數(shù)，28個(gè)探井樁間土擠密系數(shù)介于0.93～0.97之間，平均擠密系數(shù)不低于0.95，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3對(duì)比結(jié)果原因分析

2#和3#冷庫(kù)樁間土擠密系數(shù)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

對(duì)以上檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，在同一濕陷場(chǎng)地采用兩種不同成孔工藝的灰土擠密樁成孔工藝對(duì)樁間土的擠密效果對(duì)比還是十分明顯的，采用非排土成孔方式的3#冷庫(kù)大于采用排土方式的2#冷庫(kù)樁間土擠密系數(shù)，這其中的主要原因是非排土法成孔時(shí)對(duì)樁周土的一次擠壓起主導(dǎo)作用。

樁周土的擠密過(guò)程可采用圓柱形孔擴(kuò)張理論來(lái)描述。根據(jù)Vesic圓孔擴(kuò)張理論（龔曉南，1990）[1]，極限平衡狀態(tài)時(shí)，圓孔外存在一塑性區(qū)，塑性區(qū)外保持彈性狀態(tài)，如圖所示，圖中Pu為擴(kuò)張應(yīng)力，樁孔半徑為Ru，塑性區(qū)半徑Rp表達(dá)式為：

[18]

其中式中土體剪變模量G和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、Φ始終受樁周土擠密而發(fā)生變化，且塑性半徑與樁孔半徑成正比，若將黃土的相關(guān)常見(jiàn)數(shù)值代入，可得到Rp=（1.43-1.90）d，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的擠密影響區(qū)半徑基本吻合。非排土法成孔時(shí)對(duì)樁周土的一次擠壓就已形成擴(kuò)張應(yīng)力Pu，并使樁間土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、Φ值增加，樁周塑性半徑增加，樁周土體被擠密增強(qiáng);而在樁孔回填灰土成樁時(shí)，夯實(shí)灰土進(jìn)一步擠壓擴(kuò)孔形成擴(kuò)張應(yīng)力Pu，使樁間土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、Φ值繼續(xù)增加，樁周土體進(jìn)一步擠密增強(qiáng)，具有雙重?cái)D密功效。而排土成孔方式僅有樁孔回填灰土成樁時(shí)對(duì)樁周土的擠密，土體增加效果明顯不如非排土成孔方式。

結(jié)語(yǔ)：

在工程實(shí)踐中，處理黃土濕陷性應(yīng)用灰土擠密樁工藝，設(shè)計(jì)圖紙很少明確成孔方式工藝和采用設(shè)備種類，但在城區(qū)或人口密集區(qū)采用非排土打入和振入方式成孔的施工機(jī)械設(shè)備存在極大的噪聲污染，尤其在居民區(qū)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)擾民現(xiàn)象，故其適用范圍僅限于地廣人稀區(qū)域或工業(yè)廠房建筑。而采用排土式長(zhǎng)螺旋成孔工藝，其具有成孔速度快，造價(jià)低，無(wú)噪音污染等優(yōu)勢(shì)，但從上面分析結(jié)果看，其對(duì)地基樁周土的擠密效果不如非排土成孔施工工藝效果好，存在質(zhì)量方面管控風(fēng)險(xiǎn)，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重加以考慮。不過(guò)，隨著科技進(jìn)步，新型螺旋鉆設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，采用雙向螺旋封閉擠擴(kuò)鉆頭，無(wú)須將渣土排出地面，而是靠鉆具的錐形面將鉆頭部鉆出的渣土逐漸擠向鉆孔孔壁，同采用大噸位靜力壓樁機(jī)靜壓成果原理相同，使樁周土被擠密增強(qiáng)，達(dá)到非排土成孔的雙重?cái)D密功效。另外，由于無(wú)渣土排出孔外，故而節(jié)省了大量的人力和機(jī)械，降低了工程的總體造價(jià)，在濕陷性黃土地基的處理施工中優(yōu)勢(shì)明顯，在短時(shí)間內(nèi)得到了較快發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

呂強(qiáng)，1975年1月出生，男，籍貫山西陽(yáng)高，高級(jí)工程師，巖土工程碩士學(xué)位。