灰土擠密樁及在處理濕陷性黃土地基中的應用

何 斌 姜軍周

灰土擠密樁是加固地下水位以上濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基的一種方法?；彝翑D密樁一般適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基,處理深度宜為5 m～15 m。特別是對于以提高承載力、降低壓縮變形性能、消除濕陷性和提高水穩(wěn)定性為主的地基處理。但是,對于含水率大于23%及飽和度超過0.65的土層,由于成孔質(zhì)量不好控制,拔管后容易產(chǎn)生縮頸、沉管時容易對鄰近已回填夯實的樁體造成破壞,樁間土擠密效果差,不宜采用灰土擠密樁加固[1]。

1 灰土擠密樁的加固機理

1.1 土的側(cè)向擠密作用

當采用沉管成孔時,樁孔部位的土被強制擠向樁孔周圍的土體中,使樁周土被壓縮、擾動、重塑,土體孔隙減小,土中氣體逸出,土體密實度增大,壓縮性降低,承載力提高。樁周土體被擠密程度由孔壁依次向外逐漸降低,孔壁附近土的干重度可接近甚至超過土體的最大干重度,也即壓實系數(shù)λc可達到甚至大于1,而距孔壁1.5d～2.0d(d為樁孔直徑)處,土體的干重度將降低到接近原始干重度。樁間土擠密效果試驗表明,沉管對土體的擠密效果可以相互疊加,樁距越近,孔徑越大,疊加效果越顯著[2]。同時土的擠密效果還與土的天然含水率,土體的天然干重度有關。

1.2 灰土的物理化學反應

土體中摻入石灰后,首先,石灰中的Ca2+與土粒周圍吸附的一價金屬陽離子發(fā)生離子交換并吸附在粘粒周圍,改變了土粒表面的帶電狀態(tài),使土粒的吸水性能和膨脹性能大部分消除,土顆粒凝聚成團,增大了土粒的強度并使其粘性降低,改善了土的力學性質(zhì)。其次,由于土顆粒表面與其周圍介質(zhì)的化學和物理變化,土顆粒表面大多帶有負電,并在周圍的空間形成電場,將介質(zhì)中的水分子及游離的陽離子吸附于表面。同時,當散布在土顆粒表面或附近的氧化鈣微粒與水接觸時,氧化鈣微粒表面被溶解,與水中的膠態(tài)氧化硅反應。生成具有半透膜作用的硅酸鈣水合物包膜及其他復雜的水合物,包膜可優(yōu)先讓水滲入,氧化鈣繼續(xù)溶解。隨著膜內(nèi)滲透壓的不斷增加,包膜脹裂,鹽溶液流到含有膠態(tài)氧化硅的水溶液內(nèi),生成新的硅酸鈣膠凝物,形成放射狀的管狀纖維。硅酸鈣水合膠凝管的不斷生成,使周圍土顆粒纏繞在一起,產(chǎn)生膠結強度,使拌和的灰土的強度大大提高,這是灰土樁強度提高的主要原因。在荷載作用下,為了保持樁體同樁間土之間的變形協(xié)調(diào),應力向樁身發(fā)生集中,使復合地基承載力較原天然地基明顯提高,沉降量明顯減小[3]。

2 灰土樁的設計

2.1 樁孔直徑、樁距和排距

國內(nèi)目前擠密灰土樁施工大都采用沉管成孔工藝,樁管的直徑為0.3 m～0.6 m,所以,樁徑一般選用0.3 m～0.6 m。

樁距和排距通過計算或試驗確定。而設計樁距和排距的目的在于使樁間土擠密后達到一定的平均壓實度,樁間土的平均壓實度為0.90～0.93。根據(jù)大量測試結果,按等邊三角形布置與按正方形、梅花形布置相比,前者樁周土體擠密較均勻,有效擠密面積可達96%。因此,為了使樁間土得到均勻擠密,樁孔應盡量按等邊三角形布置排列。但有時為了適應基礎形式和尺寸,合理減少樁孔排數(shù)和孔數(shù)時,可適當采用正方形或梅花形布置。

2.2 處理范圍、樁孔深度

灰土擠密樁的布置范圍應超出基礎底面邊緣一定范圍以增加地基的穩(wěn)定性,防止基底下被處理土層在附加應力的作用下受水浸濕時產(chǎn)生側(cè)向變形,并使處理與未被處理交界面的天然土體保持穩(wěn)定。局部處理一般用于消除地基的全部或部分濕陷量或用于提高地基的承載力,通常不考慮防滲隔水作用。試驗和工程實踐表明對非自重濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基,每邊超出基底邊緣的寬度不小于0.25b(b為基礎短邊寬度),并且不小于0.5 m。在自重濕陷性黃土場地上,如要求完全消除地基土的濕陷量,每邊應超出基底邊緣的0.75b,并且不小于1 m。整片處理用于消除土層的濕陷性,同時還要求具有防滲隔水作用時,每邊超出建筑物外墻基礎外緣的處理寬度應大于基礎局部處理的寬度,通常按壓力擴散角或按處理土層厚度1/2確定,并且不小于2 m,以防止水從處理與未被處理土層的交界面滲入地基,提高整片處理地基的效果。

灰土擠密樁的處理深度應根據(jù)建筑物對地基的要求、地基的濕陷類型、濕陷等級、濕陷性土層的厚度,并結合打樁機械等條件綜合考慮確定,樁長自基底算起一般不宜小于3 m。當以消除地基濕陷性為主要目的時,對甲類建筑,對非自重濕陷性場地,應將基礎底面以下附加應力與上覆土的飽和自重壓力之和大于濕陷起始壓力的所有土層進行處理,或處理至地基壓縮層的深度止;對自重濕陷性場地,應處理基礎以下的全部濕陷性黃土層。乙類建筑,對非自重濕陷性場地,處理深度應不小于壓縮層厚度的2/3,且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不應小于100 kPa;對自重濕陷性場地,處理深度應不小于濕陷層厚度的2/3,并將未處理土層的濕陷量控制在150 mm以內(nèi)。當基礎寬度較大或濕陷性土層厚度過大,處理2/3壓縮層或2/3濕陷土層的厚度有困難時,在建筑物范圍內(nèi)應采取整片處理的方案,其處理深度對非自重濕陷性場地應不小于4 m,對自重濕陷性場地應不小于6 m。丙類建筑,對Ⅰ級濕陷性場地,地基最小處理深度應不小于1 m,且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于100 kPa;對Ⅱ級濕陷性場地,地基最小處理深度應不小于2 m,且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于100 kPa;對Ⅲ級和Ⅳ級濕陷性場地,自重濕陷性場地的最小處理深度分別不小于3 m和4 m,且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應大于200 mm[4]。

2.3 填料的選擇

灰土填料中的土料應選用含蒙脫石、高嶺石、伊利石、氯化物等礦物成分的黏土,且一般不允許含有機質(zhì)、磚、瓦及石塊,土料的pH值不宜小于7。當土料中小于60 μ m的顆粒含量小于35%時,應在石灰中添加適量的粉煤灰,而且土的顆粒不得大于15 mm?；彝林械氖?一般應采用新鮮的消石灰(CaO),其顆粒不得大于5 mm[6]。

3 灰土樁的優(yōu)點

與換土回填法相比無需開挖回填,因此,節(jié)約了開挖和回填土方的工作量,工期可以縮短大約一半。與鋼筋混凝土樁相比,由于填入樁孔的材料具有就地取材的特點,工程造價可以降低許多,能取得較好的經(jīng)濟效益。與強夯法相比,由于不受開挖和回填的限制,灰土擠密樁的處理深度可以比較大,強夯法一般不超過8 m,灰土擠密樁處理深度可提高到12 m～15 m。同時,強夯法有較大的噪聲污染而灰土擠密樁不產(chǎn)生噪聲。與預浸水法相比,預浸水法適宜于深層濕陷性黃土層,自重濕陷量的計算值不小于500 mm的場地土層,一般工期長,施工難度大,需確定浸水時間、耗水量和濕陷量等諸多參數(shù),而且6 m以上,尚應采用其他處理方法。與化學灌漿法相比,化學灌漿法處理地基成本高且處理后地基土的均勻性不好。

4 灰土樁處理濕陷性黃土地基的應用實例

4.1 工程概況及處理方案

西安市某5層綜合住宅樓(局部6層),底部為產(chǎn)品展銷大廳,上部4層為住宅,建筑物總長 72 m,建筑面積4 100 m2,底層為全框架結構,上層為磚結構,條形基礎,基底設計荷載200 kPa。建筑場地位于填實的舊皇城護城河上,地貌單元屬于渭河Ⅱ級階地,從現(xiàn)在地面往下4.45 m～5.25 m深度內(nèi)為雜填土,地下水埋藏于地面下3.46 m～3.63 m,地下水位以上的雜填土具有明顯的濕陷性。由于場地土具有明顯的濕陷性,并且地基承載力也低于設計要求,因此,必須進行地基加固。經(jīng)研究論證,決定采用灰土擠密樁進行處理?；彝翑D密樁按正三角形進行布置,間距2.5d(d為樁孔直徑)。樁長4 m,穿透雜填土層支撐于粉質(zhì)黏土層?；彝翑D密樁樁徑選用0.38 m。擠密的地基寬度為每邊超出基礎0.25b(b為基礎短邊寬度)?；彝翑D密樁的樁身填料在地下水位以上采用2∶8灰土;地下水位以下采用3∶7灰土,并摻以適量水泥,以提高灰土的早期強度。

4.2 處理結果

本工程采用灰土擠密樁加固地基,處理效果良好,土體的物理力學指標有了明顯的改善,濕陷性基本消除,地基承載力提高了近一倍。同時,本工程地基處理的工期為30 d,僅為一般地基處理工期的1/3左右。工程建成半年,通過沉降觀測總沉降量約為20 mm,兩柱間差異沉降小于1/1 000,遠小于規(guī)范的要求。

5 結語

1)灰土擠密樁在成孔和夯實過程中,原處于樁孔部位的土體全部被擠入樁周土層中,可使樁周一定范圍內(nèi)的地基土得到擠密,承載力得到提高,濕陷性消除。適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基。2)灰土擠密樁與換填法、鋼筋混凝土樁、強夯法、預浸水法、化學灌漿法相比,在處理濕陷性黃土地基時有許多優(yōu)點,值得大力推廣。

[1]龔曉南.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[2]劉景政.地基處理與實例分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[3]GB 50025-2002,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[4]周新湘.濕陷性黃土地段路基填筑措施[J].山西交通科技,2003(12):7-8.

[5]齊志強.濕陷性黃土地基的處理方法[J].山西建筑,2009,35(11):106-107.

[6]吳軍帥.灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基的試驗研究[J].電力勘測,1997(9):1-4.