水泥土擠密樁處理濕陷性黃土地基研究

羅金波 房雷 路少山 彭阿麗 袁偉東

摘 要：針對(duì)水泥土擠密樁處理濕陷性黃土地基時(shí)，承載能力不明確的問題，以山西省中部某高鐵項(xiàng)目為依托，對(duì)水泥土擠密樁承載力進(jìn)行研究。結(jié)果表明：本試驗(yàn)建設(shè)的水泥土擠密樁身的完整性和樁體強(qiáng)度皆滿足設(shè)計(jì)要求;在豎向最大荷載的作用下，地基沒有表現(xiàn)出任何破壞特征，證明在測(cè)試過程中，復(fù)合地基未達(dá)到極限狀態(tài)。水泥土擠密樁復(fù)合地基理論值大于靜載試驗(yàn)得到特征值。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土地基;水泥土擠密樁;復(fù)合地基;承載力

中圖分類號(hào)：TU521?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0149-04

Study on treatment of collapsible loess foundation with

cement soil compaction pile

LUO Jinbo，F(xiàn)ANG Lei，LU Shaoshan，PENG Ali，YUAN Weidong

（Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Survey Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

Abstract：In view of the unclear bearing capacity of cement soil compaction pile in the treatment of collapsible loess foundation，based on a high-speed railway project in central Shanxi province，the bearing capacity of cement soil compaction pile is studied.The results show that the integrity and strength of the cement soil compaction pile meet the design requirements; under the action of vertical maximum load， the foundation does not show any failure characteristics，which proves that the composite foundation does not reach the limit state in the test process.The theoretical value of cement soil compaction pile composite foundation is greater than the characteristic value obtained from static load test.

Key words：collapsible loess foundation;cement soil compaction pile;composite foundation;bearing capacity

濕陷性黃土是我國(guó)北部較為常見的一種地基，該地基的特點(diǎn)在于受到水的影響后，在黃土自身重力和其他附加壓力的作用下，土體會(huì)出現(xiàn)不斷下沉的現(xiàn)象，因此需要提前對(duì)黃土地基進(jìn)行加固處理。但受濕陷性黃土地基自身特性的影響，傳統(tǒng)方法難以對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行有效加固，因此尋找一種適合的加固方法是目前較為重要的一項(xiàng)研究。對(duì)此，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，為明確碎石樁加固深厚濕陷性黃土地基的效果，以某深厚濕陷性黃土地基處理工程為依托進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，碎石樁可在一定深度范圍內(nèi)消除黃土地基的濕陷性，但超過該范圍后，則達(dá)不到理想的效果[1];用劈裂注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了為驗(yàn)證劈裂注漿加固法在處理西北濕陷性黃土地基的有效性與實(shí)用性。結(jié)果表明：劈裂注漿加固法可大程度改善黃土的工作性質(zhì)[2]。該研究為濕陷性黃土地基的處理提供了一些方法?；诖?，本文以某高鐵項(xiàng)目為依托，提出水泥土擠密樁對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行處理，濕陷性黃土地基的處理提供一些理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

本次研究中選擇的區(qū)段主要是（DK48+950）～（DK50+800） 。根據(jù)現(xiàn)有的資料可知該區(qū)域存在顯著的濕陷性黃土，以中度濕陷為主，分布特征如圖1所示[4]，且有δs=0.015～0.12[3]?？傮w分布在深度低于8 m的土層中，而在8～11 m內(nèi)存在較多的粉細(xì)砂顆粒。在3～5 m的部分地層內(nèi)水分較多，并且土質(zhì)粘性相對(duì)較高。根據(jù)獲取到的資料，在處理時(shí)確定了采用水泥土擠密樁。

針對(duì)上述問題，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的基本情況，在（DK49+810）～（DK50+809）段采用了水泥土擠密樁，主要以P·O42.5硅酸鹽水泥以及素土混合料材料為主，樁數(shù)目為32 000，長(zhǎng)度總計(jì)達(dá)到了256 km。在設(shè)計(jì)中采用了正三角布置方式，樁長(zhǎng)、中心距分別是8、1.2 m，需要達(dá)到13.4%的置換率。在研究中需要對(duì)地基承載力以及沉降特性進(jìn)行分析，確保滿足施工的基本要求。

2 水泥擠密樁處理濕陷黃土方案設(shè)計(jì)

2.1 水泥土擠密樁設(shè)計(jì)

結(jié)合得到的現(xiàn)場(chǎng)資料可知，該區(qū)域自重濕陷性黃土層厚8 m，對(duì)應(yīng)的濕陷量總數(shù)、總自重濕陷量分別是ΣΔs（s為濕陷系數(shù)）=533.9 mm，ΣΔzs（zs為自重濕陷系數(shù)）=378.7 mm。針對(duì)黃土濕陷性的處理可以采用水泥土擠密樁，并且通過這種方式有助于提高地基水穩(wěn)定性。所以在地基加固中最終采用了上述方法，在采用水泥土擠密樁時(shí)需要對(duì)樁孔尺寸、數(shù)目以及中心距等參數(shù)進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)，確?？梢赃_(dá)到預(yù)期的效果[5-6]。

2.1.1 樁型選擇

當(dāng)前在水泥土擠密樁成孔方面主要采用先鉆孔后夯擴(kuò)和直接擠密成孔方式。二者存在一定的差異性，前者的優(yōu)勢(shì)在于解決了回淤現(xiàn)象等問題，然而應(yīng)用到濕陷性黃土區(qū)域時(shí)，受到土層壓縮性的影響，無法直接獲取到樁體直徑信息，所以難以保證較高的樁孔質(zhì)量。后者主要是將沉管強(qiáng)行壓入地層，然后拔出沉管，在擠壓之后即可形成樁孔，該方法可以保證較高的樁孔質(zhì)量。所以本次研究中采用了該方法對(duì)地基進(jìn)行處理。

2.1.2 樁孔直徑確定

在設(shè)計(jì)樁孔直徑時(shí)應(yīng)該將相關(guān)因素綜合考慮在內(nèi)，具體包括置換率、成孔方式以及施工成本等，通常情況下將其設(shè)置為40 cm，以此可以滿足設(shè)計(jì)的要求，并且達(dá)到較高的性價(jià)比。所以在本次設(shè)計(jì)中將水泥土擠密樁樁孔直徑設(shè)計(jì)為40 cm。

2.1.3 樁長(zhǎng)確定

受到上部荷載的影響，樁體在底部?jī)?nèi)會(huì)出現(xiàn)擠壓變形等問題，其破壞長(zhǎng)度主要處于（1.5～3）d。根據(jù)得到的資料可知，濕陷性黃土厚度處于6.9～8 m以內(nèi)，下承層主要是粉砂，并且有σ=190 kPa，所以不存在濕陷。結(jié)合上述分析確定水泥土擠密樁的長(zhǎng)度為8 m，可達(dá)到承載力要求。

2.1.4 樁間距確定

在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要保持合適大小的樁間距，如果其過大或者過小，均會(huì)產(chǎn)生不利的影響。其中在過大時(shí)則影響到了樁間土體的壓實(shí)性;而在過小時(shí)則會(huì)增大了成孔過程的復(fù)雜度。在設(shè)計(jì)中通常需要保證其高于樁孔直徑，基本為后者的2～3倍，而平均壓實(shí)系數(shù)高于0.93。在此次設(shè)計(jì)中選擇了等邊三角形布置方式，即各個(gè)樁孔的中心距是一致的，需要結(jié)合多方面的因素來確定合適的間距S，其公式表示：

S=0.95dcρdmaxρdmax-ρd

式中：ρdo、ρdmax分別代表復(fù)合地基樁間土干密度、最大值;ηc代表平均擠密系數(shù)，η=ρdoρdmax;d代表樁孔直徑;ρd代表地基土干密度均值。具體的布置方式如圖2所示。

綜上所述，確定水泥土擠密樁的樁長(zhǎng)L、直徑d、間距S以及行距H分別為8、0.4、1.2、1.04 m。另外，在樁頂鋪設(shè)混合料墊層，并且水泥摻量保持在6%以上。

2.2 水泥土擠密樁施工

在施工過程中選擇了履帶式打樁機(jī)，在成孔檢測(cè)結(jié)束之后自動(dòng)回填?yuàn)A桿錘邊填邊用錘夯打成樁[7]。成樁設(shè)備：主要包括自動(dòng)回填?yuàn)A桿錘、打樁機(jī)以及柴油錘等，其中柴油錘需要設(shè)置在鋼沉管中，便于沖擊地基成孔;而自動(dòng)回填?yuàn)A桿錘主要應(yīng)用到了成樁回填過程中。沉管底部設(shè)計(jì)為內(nèi)凹形狀，以此可以解決由于其質(zhì)量過大而導(dǎo)致的夾擊問題。另外，還需要對(duì)沉管吊高進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足試驗(yàn)精度的要求[8]。在成孔地層含水率過小的情況，則會(huì)增大成孔的難度，所以必須通過加水方式進(jìn)行處理。

2.2.1 成孔

1）成孔順序成孔時(shí)需要采用合適的順序，這里選擇外側(cè)向內(nèi)側(cè)隔排行成孔方式，對(duì)于同排需要間隔1～2個(gè)孔，具體施工順序如圖3所示。

2）成孔

在此次設(shè)計(jì)選擇了柴油錘擊、沉管成孔方式;針對(duì)沉管深度設(shè)置必要的長(zhǎng)度控制標(biāo)志。

（1）首先針對(duì)成孔機(jī)械進(jìn)行設(shè)置，確保達(dá)到牢固性的要求。將樁管吊起之后，通過對(duì)機(jī)械的調(diào)整使得樁點(diǎn)電位和沉管保持一致，然后通過錘擊方式將樁管壓入地層內(nèi);

（2）在樁頂入土的初始階段需要先錘擊土，在進(jìn)入土內(nèi)1～2 m之后對(duì)沉管進(jìn)行錘擊，直到滿足深度要求時(shí)結(jié)束此過程;

（3）在成孔時(shí)需要關(guān)注樁體斜度變化，如果傾斜度超過1.5%，則需要對(duì)傾斜原因進(jìn)行分析;如果確定與地質(zhì)因素有關(guān)，則需要進(jìn)一步根據(jù)得到的結(jié)果采取合適的措施。如果和地質(zhì)因素?zé)o關(guān)，則重新成孔;

（4）在沉管達(dá)到深度要求之后，逐步將其取出。然后對(duì)孔參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定內(nèi)容主要包括孔徑、孔深，前者允許誤差±5 cm;后者保持在±50 cm以內(nèi)。

針對(duì)樁位以及孔徑進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)，確保在達(dá)到設(shè)定的要求之后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的處理?？咨钚枰３衷谡７秶鷥?nèi)，如果孔深度過大，則可以采用回填素土并結(jié)合夯實(shí)的方式進(jìn)行處理;如果孔深度過小，則應(yīng)該進(jìn)行加深處理。另外，在成孔失敗時(shí)也需要詳細(xì)分析原因，并及時(shí)采取有效的改進(jìn)策略，一般需要對(duì)失敗的成孔進(jìn)行填土夯實(shí)，然后再次開孔。

2.2.2 填料成樁

1）填料拌制

在拌制填料時(shí)需要按照規(guī)范化的流程操作，確保各個(gè)材料用量合理。根據(jù)試驗(yàn)得到的配合比完成對(duì)水泥等原料的配制[9]，并達(dá)到最佳的含水率，偏差控制在±2%。拌合時(shí)需要保持均勻，避免土結(jié)塊尺寸超過2 cm。另外，混合而成的水泥土需要保持干燥，避免有水分進(jìn)入，否則會(huì)影響到后續(xù)的使用;

2）水泥土回填夯實(shí)

在回填夯實(shí)過程中，需要對(duì)改良土使用進(jìn)行及時(shí)溝通，確保滿足材料使用量的要求，并減少存在的浪費(fèi)問題。另外，在回填中需要設(shè)置適量的夾桿錘，確保錘徑低于孔徑，便于提升夯實(shí)的效果。除了上述要求之外，為了提高樁頭壓實(shí)度，在回填到樁頂時(shí)需要高于地面，并適當(dāng)提高夯擊次數(shù)。

回填夯實(shí)中，采用連續(xù)施工方式，避免存在施工間隔，否則會(huì)影響到樁基承載力。

夯實(shí)機(jī)的操作人員需要達(dá)到一定的要求，應(yīng)該具備相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，并且了解回填過程以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置。一般的水泥土擠密樁參數(shù)如表1所示。

3 方案構(gòu)建效果

3.1 水泥土擠密樁質(zhì)量檢驗(yàn)

本次研究分別在成樁14、28 d時(shí)進(jìn)行取芯檢測(cè)和復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。

3.1.1 鉆孔取芯檢測(cè)

在鉆孔取芯過程中，選擇了ZR型全液壓頂進(jìn)鉆機(jī)。取樣時(shí)將垂直度控制在1.5%內(nèi)，取芯管直徑則要求達(dá)到100 mm以上。另外，取芯時(shí)還需要將速度、用水量以及鉆孔壓力保持在適當(dāng)范圍內(nèi)。取芯時(shí)每1 m保留一個(gè)備用的樣本，以方便應(yīng)用到后續(xù)的檢測(cè)中。在完成取芯過程后，針對(duì)采集的樣本進(jìn)行檢測(cè);具體結(jié)果如表2所示。

3.1.2 單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)

將荷載等逐步從頂部施加，分析位移與荷載等因素之間的關(guān)系。該試驗(yàn)需要在成樁28 d之后進(jìn)行，其中承載力特征值要求不低于150 kPa。在此次試驗(yàn)中，選擇的樁號(hào)是S2-1#。通過以上方法，得到如圖4所示的單樁復(fù)合地基承載力荷載-沉降曲線。

由圖4可知，整個(gè)曲線屬于一個(gè)圓弧線，平滑度較高，不存在突變點(diǎn);最大荷載值為300 kPa，最大沉降量為9.71 mm。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到最大荷載時(shí)樁體未發(fā)生破壞;為此，可以認(rèn)為沒有達(dá)到荷載極限。由于此次研究采用的是水泥土擠密樁，結(jié)合最終的試驗(yàn)結(jié)果可知各個(gè)樁均滿足了設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語

本文以某高鐵項(xiàng)目為依托，對(duì)水泥土擠密樁處理濕陷性黃土地基加固機(jī)理和承載力計(jì)算進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

（1）通過鉆芯試驗(yàn)證實(shí)水泥土擠密樁的樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和樁身完整性均滿足施工要求;

（2）靜載試驗(yàn)的荷載-沉降曲線表現(xiàn)為平滑的漸變形態(tài)，在荷載增加的過程中，地基未出現(xiàn)擠壓破碎或局部剪切破壞的情況，這就證實(shí)復(fù)合地基在試驗(yàn)中并未達(dá)到極限狀態(tài);

（3）在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，因荷載無法達(dá)到復(fù)合地基承受荷載最大值，所以單樁復(fù)合地基承載力，滿足設(shè)計(jì)要求。

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