不同深度DDC樁處理自重濕陷性黃土浸水載荷試驗(yàn)研究

張廣平,黃雪峰,朱殿之,奚增紅

(1.國(guó)家電網(wǎng)甘肅省電力設(shè)計(jì)院,甘肅蘭州730050;2.解放軍后勤工程學(xué)院建筑工程系,重慶401331)

0 引 言

DDC(Down Hole Deep Compaction)又稱(chēng)孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法,該方法由北京長(zhǎng)城建筑新技術(shù)研究所司炳文[1-2]提出,它的作用機(jī)理是把渣土(碎磚瓦、石、砂、土、碎混凝土塊、工業(yè)廢料以及它們的混合物等)用于地基處理,既能滿足上部建筑物對(duì)地基承載力的要求,同時(shí)又達(dá)到節(jié)約成本的目的。

DDC工法作為一種處理深厚濕陷性黃土地基的有效方法,能充分提高濕陷性黃土地基抵抗?jié)裣菽芰?有其廣闊的應(yīng)用前景。該項(xiàng)技術(shù)在多項(xiàng)地基處理工程中得到應(yīng)用[3-10],消除了深厚黃土地基的濕陷性,大幅度提高了地基承載力,降低地基壓縮性,處理效果顯著。為規(guī)范DDC工法,中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)2006年制定了《孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法技術(shù)規(guī)程》[11]。

孔內(nèi)夯實(shí)擠密法是借鑒擠密法變革而來(lái)的,它先是用長(zhǎng)螺旋轉(zhuǎn)機(jī)、人工挖孔或沉管打樁機(jī)成孔,在向孔內(nèi)填入素土、灰土等填料,在以重錘(1.5 t～2.5 t)在孔內(nèi)分層夯實(shí),使填料向孔周側(cè)向擠出,一般成孔直徑0.4 m,夯擴(kuò)至成樁直徑0.55 m～0.60 m,形成一種擠密的復(fù)合地基?；彝?素土)擠密樁成孔不使用螺旋鉆機(jī),直接使用成孔設(shè)備或爆炸能量所產(chǎn)生的橫向擠壓作用形成樁孔。較之素土和灰土擠密樁,孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法處理后的復(fù)合地基的承載力更高且均勻,處理深度更深(一般可達(dá)25m～30 m),處理黃土濕陷性的效果更為理想。

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法近年來(lái)得到廣泛的應(yīng)用,但其理論和試驗(yàn)研究卻滯后于實(shí)際工程,關(guān)于DDC樁長(zhǎng)合理控制問(wèn)題也鮮有報(bào)道。樁長(zhǎng)的合理控制直接關(guān)系到地基承載能力的提高和工程造價(jià)的降低等問(wèn)題。樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng),基礎(chǔ)承載能力會(huì)顯著增加,但同時(shí)也會(huì)提高相應(yīng)的工程造價(jià)。另外黃土地基處理后,遇水情況下,地基仍然發(fā)生破壞,也就是對(duì)地基的影響很大。因此有必要就合理選擇樁長(zhǎng)問(wèn)題以及荷載作用下水分對(duì)地基沉降的影響進(jìn)行深入的探討,本文針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行大規(guī)模浸水載荷試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于蘭州市和平鎮(zhèn),北臨蘭天高速,東、南臨金川科技園,交通便利。場(chǎng)地地勢(shì)較平坦,經(jīng)勘查場(chǎng)地地貌單元屬黃河南岸Ⅳ級(jí)階地,地貌單元單一。據(jù)當(dāng)?shù)厣罹Y料,該場(chǎng)地地下穩(wěn)定水位大于70 m,場(chǎng)地黃土層總厚度大于38 m,其中濕陷性黃土層厚度約36.6 m,全厚度黃土層均有濕陷性。根據(jù)勘探點(diǎn)揭露,黃土由第四系馬蘭黃土組成,其巖土工程特性,現(xiàn)自上而下列于表1。

1.2 場(chǎng)地布置

場(chǎng)地地基處理前需對(duì)土體進(jìn)行增濕,使土體含水率接近最優(yōu)含水率后方可進(jìn)行地基處理。經(jīng)過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到場(chǎng)地最優(yōu)含水率為15.9%。

試驗(yàn)場(chǎng)地共布置3個(gè)區(qū)域,樁長(zhǎng)分別為15 m、20 m和25 m,樁間距統(tǒng)一為1.1 m。處理區(qū)域先用步履式樁架ZKL-20型長(zhǎng)螺旋鉆(圖1)預(yù)成孔直徑40 cm,等邊三角形布置,成樁直徑大于0.6 m,用DE5型夯實(shí)機(jī)(圖2)進(jìn)行夯實(shí),夯錘重 1.6 t,夯擊能800 kJ～2 000 kJ,夯實(shí)材料選用場(chǎng)地中素土?？變?nèi)深層強(qiáng)夯法現(xiàn)場(chǎng)圖和剖面圖分別見(jiàn)圖3和圖4。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地的土層特征

圖1 步履式樁架ZKL-20型長(zhǎng)螺旋鉆

圖2 DE5型夯實(shí)機(jī)

圖3 地基處理后現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 不同樁長(zhǎng)處理區(qū)剖面圖

場(chǎng)地處理結(jié)束后,在處理區(qū)域中心處開(kāi)挖2 m×2 m的正方形空間,用C30混凝土澆注承臺(tái)。承臺(tái)具體尺寸參見(jiàn)圖5和圖6。承臺(tái)自身重量為20 t,承臺(tái)上加載60 t荷載,荷載采用編織袋裝土稱(chēng)重的辦法,使承臺(tái)單位面積荷載達(dá)到20 t。在承臺(tái)中心處以及不同地表位置設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn),沉降觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)造如圖7。荷載施加前,先移除混凝土承臺(tái)下方土體,開(kāi)挖深度為0.5 m,寬度為0.8 m,開(kāi)挖區(qū)作為此次試驗(yàn)的浸水坑,以保證浸水水頭達(dá)到0.3 m～0.5 m。

圖5 承載臺(tái)配筋圖

圖6 承載臺(tái)剖面圖

1.3 試驗(yàn)沉降點(diǎn)觀測(cè)

三個(gè)處理區(qū)總共22個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn),3個(gè)承臺(tái)中心觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖 8所示,圖中DDC15N1,表示15 m區(qū)正北面第一個(gè)觀測(cè)點(diǎn),其余依次類(lèi)推;DDC15-20表示15 m區(qū)與20 m區(qū)之間沉降觀測(cè)點(diǎn)。沉降觀測(cè)使用高精度精密水準(zhǔn)儀SETL ATO-28ATO-32,每天早9點(diǎn)定時(shí)量測(cè)。整個(gè)試驗(yàn)共進(jìn)行了137個(gè)晝夜,包括浸水期71 d以及停水期66 d兩個(gè)階段。

圖7 沉降觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)造圖

1.4 濕陷性的測(cè)定

濕陷性測(cè)定主要包括0.2 MPa壓力濕陷系數(shù)和飽和自重壓力濕陷系數(shù)下測(cè)定兩方面內(nèi)容。采用單線法進(jìn)行濕陷系數(shù)測(cè)定,同一土樣取5個(gè)環(huán)刀試樣,試樣均在天然濕度下分級(jí)加荷,加至不同的規(guī)定壓力,下沉穩(wěn)定后,各試樣浸水飽和,附加下沉穩(wěn)定,試驗(yàn)結(jié)束。

場(chǎng)地處理完后,對(duì)處理趨于擠密效果進(jìn)行檢驗(yàn)。3個(gè)樁體之間進(jìn)行探井開(kāi)挖,從上到下依次每延米三樁間、兩樁間和樁身取原狀土樣,分別用單向壓縮固結(jié)儀量測(cè)不同深度的土樣0.2 MPa壓力濕陷系數(shù)δs0.2和飽和自重壓力濕陷系數(shù) δzs。

圖8 沉降觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)示意圖

0.2 MPa壓力濕陷系數(shù) δs0.2按式(1)[12]計(jì)算:

式中:hp為保持天然的濕度和結(jié)構(gòu)的土樣,加壓至0.2 MPa時(shí),下沉穩(wěn)定后的高度;h′p為上述加壓穩(wěn)定后的土樣,在浸水作用下,附加下沉穩(wěn)定后的高度;h0為土樣的原始高度。

自重濕陷系數(shù)值按式(2)[12]計(jì)算:

式中:hz為保持天然的濕度和結(jié)構(gòu)的土樣,加壓至土的飽和自重壓力時(shí),下沉穩(wěn)定后的高度;h′z為上述加壓穩(wěn)定后的土樣,在浸水作用下,附加下沉穩(wěn)定后的高度;h0為土樣的原始高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從現(xiàn)場(chǎng)承臺(tái)下部浸水坑滲水情況來(lái)看,處理效果對(duì)滲水有著很強(qiáng)的阻礙作用,承臺(tái)底部注水1次,水分入滲的時(shí)間較長(zhǎng),向四周擴(kuò)散也十分緩慢。孔內(nèi)夯實(shí)擠密效應(yīng)發(fā)揮作用,對(duì)周邊土起到了擠密作用;密實(shí)度提高對(duì)滲水的影響較大;所以浸水載荷試驗(yàn)結(jié)束時(shí),承臺(tái)周邊沒(méi)有很明顯由于水分入滲而引起的濕陷沉降,也沒(méi)有裂縫的出現(xiàn)。承臺(tái)下方浸水試坑沒(méi)有大量沉降發(fā)生,只有試坑邊緣由于濕化引起的土壤塌陷。

2.1 處理區(qū)域擠密性和濕陷性分析

對(duì)處理后的DDC不同樁長(zhǎng)區(qū)域,選擇15 m和20 m區(qū)進(jìn)行挖設(shè)探井,檢驗(yàn)樁體即樁周土擠密和濕陷情況情況。探井深度均為10 m,對(duì)三樁間、二樁間和樁身進(jìn)行取樣。由室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)可知該區(qū)域土體最大干密度為1.67 g/cm3、最優(yōu)含水率為15.9%。

限于篇幅本文中只將擠密區(qū)最薄弱環(huán)節(jié)三樁間土樣進(jìn)行分析。15 m和20 m區(qū)域取得三樁間沿徑向擠密系數(shù)如圖9所示,規(guī)范要求樁間土擠密系數(shù)最小不小于0.88,平均不小于0.90。15 m區(qū)域三樁間平均擠密系數(shù)為0.91,20 m區(qū)域三樁間平均擠密系數(shù)為0.92,且兩個(gè)區(qū)域每延米處擠密系數(shù)均大于最低限度要求。

圖9 DDC樁15 m區(qū)和20 m區(qū)域三樁間擠密系數(shù)

圖10～圖11是兩個(gè)區(qū)域不同壓力作用下的濕陷系數(shù)沿徑向變化曲線。三樁間土濕陷系數(shù)均小于0.015下限,甚至4 m以上土體濕陷系數(shù)為0,這說(shuō)明DDC樁完全消除了土體的濕陷性。整體來(lái)看不同壓力下的濕陷系數(shù)沿徑向增大,也就是說(shuō)上部土體處理的效果更好些,這與擠密系數(shù)變化趨勢(shì)一樣,擠密系數(shù)較大的地方,則濕陷系數(shù)較小。

三樁間為整個(gè)擠密區(qū)域最薄弱的環(huán)節(jié),如果三樁間達(dá)到良好的擠密效果,則整個(gè)處理區(qū)域濕陷性等指標(biāo)也能較好達(dá)到要求。在本次試驗(yàn)條件下,選擇樁間距1.1 m的素土樁體,達(dá)到了消除濕陷性的目的,這也反映處理達(dá)到了消除濕陷性的目的。

2.2 承臺(tái)沉降觀測(cè)分析

圖12～圖14分別是15m、20 m和25 m DDC區(qū)域承臺(tái)沉降觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化圖。同樣施加80 t荷載,樁長(zhǎng)越長(zhǎng),承臺(tái)沉降越小。15 m區(qū)域承臺(tái)累計(jì)下沉87 mm;20 m區(qū)域累計(jì)下沉62mm;而25m區(qū)域累計(jì)下沉44 mm。3個(gè)承臺(tái)沉降主要發(fā)生在前20 d,浸水前20 d沉降占整個(gè)沉降量的70%左右,后期50 d浸水發(fā)生沉降較小,僅占20%;停水后觀測(cè)中3個(gè)承臺(tái)沉降逐漸趨于穩(wěn)定,但樁長(zhǎng)較短的區(qū)域如15 m區(qū)域,沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間較其他稍長(zhǎng)。25 m承臺(tái)浸水40 d后,沉降逐漸穩(wěn)定,之后一直維持到試驗(yàn)結(jié)束。

2.3 地表沉降觀測(cè)分析

地表沉降一共22個(gè),本文中只分析了三個(gè)處理區(qū)域部分地表沉降變化,其余觀測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律與文中羅列的觀測(cè)點(diǎn)幾近相同,未全部羅列。另外試驗(yàn)中地表沉降在浸水40 d左右時(shí)依然很小,故停止了地表沉降觀測(cè)。

15 m區(qū)共有 6個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)。編號(hào)為DDC15-20(圖15)的地表沉降在6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中沉降表現(xiàn)最為突出,累計(jì)沉降僅有4 mm,其余地表沉降觀測(cè)點(diǎn)只有2 mm的沉降。15 m區(qū)域沉降亦出現(xiàn)沉降量曲線減小的趨勢(shì),如圖16。出現(xiàn)這種情況一方面由于受天氣影響,秋冬季蘭州地區(qū)刮風(fēng)較多;另一方面,還有試驗(yàn)在冬季進(jìn)行,出現(xiàn)地表的凍脹。

圖10 DDC樁15 m區(qū)和20m區(qū)域三樁間濕陷系數(shù)δs0.2

圖11 DDC樁15 m區(qū)和20 m區(qū)域三樁間濕陷系數(shù)δzs

圖12 15 m DDC樁承臺(tái)沉降觀測(cè)曲線

圖13 20 m DDC樁承臺(tái)沉降觀測(cè)曲線

圖14 25 m DDC樁承臺(tái)沉降觀測(cè)曲線

圖15 DDC15-20沉降量變化曲線

采用15 m的DDC樁進(jìn)行地基處理后,對(duì)承臺(tái)進(jìn)行浸水,承臺(tái)歷經(jīng)137 d累計(jì)沉降僅有87 mm;而周邊地表沉降觀測(cè)點(diǎn)最大沉降也僅有4 mm,應(yīng)該說(shuō)采用樁間距1.1 m,樁長(zhǎng)15 m對(duì)大厚度自重濕陷性黃土進(jìn)行處理,抵抗20 t/m2的荷載效果良好。

圖17～圖20是20 m區(qū)域部分地表沉降觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化曲線。從這些曲線可以看出20 m承臺(tái)周邊沉降依然是很微小,最大沉降是點(diǎn)號(hào)DDC20W2僅有3 mm(圖20)。DDC20N1(圖19)出現(xiàn)上升階段,而且上升幅度較大,向上隆起7 mm。地表沉降是由于濕陷引起,地面隆起則由于凍脹因素造成。

圖16 DDC15N1沉降量變化曲線

圖17 DDC20S1沉降量變化曲線

圖18 DDC20S2沉降量變化曲線

圖21和圖22是25 m區(qū)兩個(gè)地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線。25 m沉降曲線變化總體與15 m和20 m區(qū)域變化類(lèi)似,累計(jì)沉降量較小,存在回彈現(xiàn)象。點(diǎn)號(hào)DDC25E2 46 d記錄中累計(jì)發(fā)生了6 mm的沉降;DDC25W2地表沉降在46 d觀測(cè)中,沒(méi)有發(fā)生任何沉降(文中未羅列)。25 m區(qū)在浸水過(guò)程中,80 t的荷載下對(duì)承臺(tái)西面8.5 m距離處土體沒(méi)有任何影響?？傮w來(lái)說(shuō)25 m區(qū)域承受了20 t/m2,周邊沒(méi)有出現(xiàn)裂縫以及大面濕陷沉降等問(wèn)題。

圖19 DDC20N1沉降量變化曲線

圖20 DDC20W2沉降量變化曲線

圖21 DDC25E2沉降量變化曲線

圖22 DDC15-25沉降量變化曲線

從DDC 15 m、20 m和25 m處理區(qū)域沉降觀測(cè)變化曲線來(lái)看,地表浸水對(duì)承臺(tái)影響不大,而且在周邊滲水的情況下,較大荷載并沒(méi)有引起處理區(qū)域的過(guò)大變形。樁長(zhǎng) 15 m、20 m和 25 m,樁間距1.1 m能滿足20 t/m2荷載要求。因此在樁間距1.1 m條件下,選用15 m樁長(zhǎng)可有效節(jié)約地基處理成本以及降低工程造價(jià)。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)自重濕陷性黃土典型場(chǎng)地進(jìn)行不同DDC樁長(zhǎng)的浸水載荷試驗(yàn),主要結(jié)論有:

(1)DDC工法處理后,浸水試坑中水分入滲緩慢;

(2)3個(gè)處理區(qū)域沒(méi)有發(fā)生較大沉降,凍脹作用引起的地表膨脹大于由于承臺(tái)下降和土體濕陷引起地表沉降;

(3)3個(gè)不同DDC樁長(zhǎng)處理后的地基都能抵抗20 t/m2的荷載,選用DDC樁長(zhǎng)15 m和樁間距1.1m的樁間距可以有效節(jié)約成本,降低工程造價(jià)。

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