黃土場地?cái)D密地基處理深度的探討

崔金柱，常傳清，王睿

（國網(wǎng)甘肅省電力公司慶陽供電公司，甘肅 慶陽 745000）

1 引言

隨著國家重點(diǎn)項(xiàng)目“東數(shù)西算”項(xiàng)目落地甘肅慶陽，所配套的電網(wǎng)基建工程迎來跨越式的發(fā)展。慶陽地區(qū)大部分場地屬于黃土場地，且黃土層厚度較大，具有濕陷性，需進(jìn)行地基處理，該地區(qū)電力工程建設(shè)項(xiàng)目常用沉管擠密樁做地基處理，消除或部分消除地基土的濕陷性。以往的沉管擠密法施工深度一般不大于15 m，此處理深度對(duì)于大厚度濕陷性黃土場地，往往不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50025—2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[1]對(duì)處理后地基剩余濕陷量限值的要求。以往未打浸水孔的浸水試驗(yàn)資料表明，平面有限范圍的地表水自然向下滲透時(shí)，地基土達(dá)到飽和的時(shí)間隨深度增加而變長，即地基土所在位置越深越難達(dá)到飽和，而且似乎存在一個(gè)滲透下限，隨著地基土深度的增加，發(fā)生浸水的可能性降低，發(fā)生濕陷變形的可能或濕陷變形減小。

為尋求合理的地基處理深度，諸多學(xué)者做了試驗(yàn)研究。張?jiān)ゴǖ萚2]提出，單一的以剩余濕陷量作為地基處理深度的標(biāo)準(zhǔn)在經(jīng)濟(jì)上是不合理的,一定厚度處理土層所具有的剛度是能抵御濕陷引起的變形能力的。姚志華等[3]建議，將15～20 m 和10～15 m 分別作為大厚度自重濕陷性黃土地基乙、丙類建筑的最大處理深度。張世徑、朱彥鵬等[4-5]學(xué)者也在不同大厚度濕陷性黃土場地做了擠密樁法處理地基深度的試驗(yàn)研究。論文以甘肅慶陽試驗(yàn)場地的浸水試驗(yàn)為例，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該地區(qū)擠密地基處理深度問題做了探討。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)場地位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)什社鄉(xiāng)境內(nèi)，慶陽市西南約18 km。場地地貌屬于黃土塬地貌，地面高程1 245.2 m。地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積成因的馬蘭黃土和第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積成因的離石黃土組成。場地區(qū)地下水埋深大于50 m。

試驗(yàn)區(qū)擠密樁施工前，在試驗(yàn)區(qū)附近開挖3 口探井（圖1中TJ1、TJ2 和TJ3），做室內(nèi)土工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)區(qū)地基土干密度為1.25～1.52 g/cm3，最大干密度1.76 g/cm3，濕陷下限深度22.5 m，自重濕陷量計(jì)算值550.3～686.9 mm，屬Ⅲ級(jí)自重濕陷地基。

圖1 試驗(yàn)區(qū)平面布置圖（單位：mm）

本次試驗(yàn)采用沉管擠密樁復(fù)合地基，孔徑φ400 mm，正三角形布孔，孔填料為素土，孔深12 m，孔深孔心距l(xiāng)按式（1）計(jì)算得出0.924 m，取1.0 m。樁位布置如圖1 所示。

式中，l為孔心距，m；D為擠密填料孔直徑，取0.4 m；ρdmax為擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度，取1.76 g/cm3；ρd0為擠密前壓縮層范圍內(nèi)各層土的平均干密度，取1.36 g/cm3；為擠密填孔后，3 孔間土的平均擠密系數(shù)不宜小于0.93。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)土工試驗(yàn)

擠密地基施工完成后14 d，在圖1 中S1、S3、S5 點(diǎn)現(xiàn)場開挖探井，分別在三樁間形心位置處和距離孔中心2/3 孔半徑處?、窦?jí)土樣，做室內(nèi)土工試驗(yàn)。取樣豎向間距1 m，取樣深度12 m，共取三樁間土樣和樁身土樣各36 件。

三樁間形心位置處的36 件樣品的室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果表明：最小擠密系數(shù)均不小于0.86，其中34 件樣品不小于0.88；濕陷系數(shù)均不大于0.017，其中34 件樣品小于0.015。這說明擠密樁基本消除了三樁間的濕陷性，三樁間為整個(gè)樁間土區(qū)域最薄弱處，其他位置樁間土濕陷性應(yīng)已經(jīng)被消除。距離孔中心2/3 孔半徑處的36 件樣品室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)系數(shù)均不小于0.97，孔填料夯實(shí)質(zhì)量滿足要求。

上述結(jié)果表明，沉管擠密達(dá)到了擠密樁間土、消除樁間土濕陷性的目的。

3.2 現(xiàn)場浸水試驗(yàn)

施工完成后，按圖1 所示，沿最外側(cè)邊樁開挖深0.5 m、邊長12.4 m×10.5 m 的矩形試坑，在坑內(nèi)S1～S9 點(diǎn)位置-0.5 m 深度處埋設(shè)沉降觀測計(jì)。

擠密樁施工完成20 d 后開始浸水，浸水持續(xù)62 d，浸水期間一直保持水頭高度0.3 m，停水后觀測14 d。從開始浸水觀測至結(jié)束總計(jì)76 d，期間記錄了整個(gè)處理區(qū)域地面出現(xiàn)的沉降、塌陷、開裂等問題。

如表1 所列，試坑內(nèi)的9 個(gè)淺層沉降觀測點(diǎn)，在浸水期間的沉降量為30～47mm，平均39mm；停水后的沉降量為6～10mm，平均8 mm。整個(gè)試驗(yàn)觀測期76 d 內(nèi)的總沉降量37～53 mm，平均47 mm。

表1 各觀測點(diǎn)的沉降量

9 個(gè)觀測點(diǎn)按照其在試坑內(nèi)的平面位置可分為位于試坑中心的S3 號(hào)點(diǎn)； 距離試坑中心約3.5 m 位置的S2、S4、S7、S8號(hào)點(diǎn)；距離試坑邊約1.0 m 位置的S1、S5、S6、S9 號(hào)點(diǎn)。取3 個(gè)位置各自觀測點(diǎn)沉降量的平均值繪制變形-時(shí)間（s-t）關(guān)系曲線，如圖2 所示。沉降量最小的曲線為試坑中心點(diǎn)，其次為距離試坑中心約3.5 m 位置的點(diǎn)，距離試坑邊1.0 m 位置處的點(diǎn)沉降量最大。發(fā)生這種情況的主要原因是浸水坑邊在擠密地基處理區(qū)域邊緣，浸水過程中水分先滲透到擠密地基處理區(qū)域外的未處理土層，使土質(zhì)軟化，對(duì)擠密樁的約束作用減小，故而距離試坑邊緣越近發(fā)生的沉降量越大。隨著浸水時(shí)間的持續(xù)，水分沿著處理區(qū)域外圍先滲透到處理深度以下，并發(fā)生水平滲透，使得處理區(qū)域內(nèi)邊緣的深部土體發(fā)生濕陷變形，引起整個(gè)地基下沉。地基下沉過程中試坑中心點(diǎn)下的深部地基土被逐漸壓密，外圍水分向中心發(fā)生水平滲透的作用減小，試坑中心點(diǎn)下的深部地基土發(fā)生濕陷變形量也變小，故而試坑中心的變形最小。

圖2 s-t 關(guān)系曲線

本次試驗(yàn)，由室內(nèi)土工試驗(yàn)所測得的自重濕陷系數(shù)計(jì)算出擠密地基的剩余濕陷量計(jì)算值為142～158 mm，現(xiàn)場實(shí)測沉降量為47 mm，約為計(jì)算值的0.3 倍。這說明剩余濕陷量的計(jì)算值過于保守，地基經(jīng)擠密后，其滲透性得到了很好的改善，浸水期間地基的變形主要是地基土重度變化引起的壓縮變形、處理深度以下濕陷性土層產(chǎn)生的濕陷變形，以及浸水后地基土排水發(fā)生的固結(jié)變形。文獻(xiàn)[4]中，學(xué)者在蘭州市和平鎮(zhèn)采用打浸水孔的方法進(jìn)行深層浸水試驗(yàn)，浸水時(shí)間為171 d，12 m深度的擠密地基浸水坑地面的沉降量為109～143 mm，平均沉降量為126 mm。按照室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算其在自重條件下的沉降量為680 mm 左右，現(xiàn)場實(shí)測沉降量僅為此值的0.19 倍。其還在該場地12 m 深度擠密樁地基上設(shè)置承臺(tái)、 堆載200 kPa，在深層浸水171 d 的情況下，地基實(shí)測沉降量為196 mm，而按照室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的剩余濕陷量為829.5 mm，現(xiàn)場實(shí)測沉降量僅為此值的0.24，這表明處理深度范圍內(nèi)的土層形成了良好的承載層。文獻(xiàn)[5]中，學(xué)者在蘭州新區(qū)12 m 深度的灰土擠密樁地基上做浸水試驗(yàn)31d，試坑中心沉降總和為16.52 mm，該場地濕陷下限深度大于35 m，按室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算的剩余濕陷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于16.52 mm，究其原因是浸水深度未達(dá)到處理深度以下的土層，水分入滲的豎向深度約1 m，水平距離未達(dá)到1.5 m，處理深度以下土層未見水也就不發(fā)生濕陷，這說明黃土經(jīng)擠密地基處理后的滲透系數(shù)很小，可作為良好的隔水層。

綜上所述，大厚度濕陷性黃土地基經(jīng)12 m 深度的擠密樁處理后，地基在有限時(shí)間內(nèi)浸水產(chǎn)生的濕陷量均小于按照室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的值，實(shí)測值約為計(jì)算值的0.2～0.3 倍。實(shí)際工程應(yīng)用擠密樁地基時(shí)，須在樁頂做0.5～0.8 m 的墊層，此做法不僅解決樁土應(yīng)力比問題，還能形成良好的隔水層，進(jìn)一步減小了地基浸水的可能性，使得處理深度以下土層發(fā)生濕陷變形的概率更小，這對(duì)工程來說更安全。12 m 深度的擠密樁地基可消除處理深度范圍內(nèi)地基土的濕陷性，降低地基土的滲透系數(shù)，提高地基承載力，在非長期大面積浸水的情況下，此處理深度可滿足工程需求，降低地基處理的工程造價(jià)。

4 結(jié)語

電力工程項(xiàng)目的基底壓力一般不大于200 kPa，采取沉管擠密樁地基可滿足絕大多數(shù)工程對(duì)地基承載力的要求。建設(shè)在大厚度濕陷性黃土場地上的電力工程項(xiàng)目，在正常運(yùn)行時(shí)不使用水，也不產(chǎn)生水，在做好基本防水措施的基礎(chǔ)上，采用12 m 深度的沉管擠密樁復(fù)合地基，可有效地解決地基土濕陷變形的問題。采用沉管擠密樁處理濕陷性黃土地基時(shí)，須在樁頂設(shè)置0.5～0.8 m 厚度的素土或灰土墊層，以便加強(qiáng)地基防水效果，防止地表水下滲引起地基土濕陷和軟化。