擠密樁處理濕陷性黃土地基的現(xiàn)場試驗研究

米海珍，楊 鵬

（蘭州理工大學 土木工程學院，蘭州 730050）

1 引 言

目前，對于復合地基機制的理論研究還在不斷深入，其中包括對石灰和軟土間的相互作用原理[1]、對擠密樁體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[2]、從化學角度研究灰-土的反應(yīng)機制[3]、擠密樁擠密前后黃土的結(jié)構(gòu)性變化和黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[4]等方面。從20世紀90年代中期開始，許多學者就對復合地基數(shù)值分析進行了研究[5－6]。龔曉南[7]對包括灰土樁在內(nèi)的復合地基技術(shù)的新發(fā)展和工程應(yīng)用，以及發(fā)展中存在的問題做了較全面地論述。雖然對灰土樁處理地基的機制進行了大量的試驗研究和數(shù)值分析[8－10]，但仍有許多問題尚未得到完全解決，例如，對樁徑、樁心距和處理深度的具體的定量關(guān)系及界限值仍不夠確切。本文通過8個試驗點的現(xiàn)場試驗，重點研究了樁心距、處理深度、處理范圍以及樁孔填料等對濕陷性黃土地基的處理效果，得到了具有工程實用價值的結(jié)論。

2 試驗?zāi)康募皥龅馗攀?/h2>

2.1 試驗方案設(shè)計

試驗地區(qū)多層建筑的地基為黃土，厚度大多在10～20 m之間，所存在的主要問題是承載力低（一般在90～120 kPa之間）和濕陷性問題，不能滿足基礎(chǔ)對地基的要求，因此，必須對地基進行處理。對處理后地基的要求是：消除濕陷性，承載力達到200 kPa。為此，本試驗在對地基進行不同處理后，在各試驗點處用載荷板（各點載板大小不同）加上200 kPa的荷載，進行了小面積（小坑）浸水試驗，之后，再對整個試驗場地進行大面積浸水，以檢驗擠密樁在實際工程中最不利情況下的處理效果。

通過本次試驗，預(yù)測試擠密樁在不同樁心距、樁孔填料（有素土、灰土兩種）、處理范圍、處理深度以及浸水面積等因素下消除地基土濕陷性的情況。現(xiàn)場試驗點布置情況見圖1。表1為現(xiàn)場試驗中各試驗點處設(shè)計狀況表。為此作如下試驗設(shè)計：H點未做處理，以測得原始濕陷量；F點的樁心距大于其余各點；G點樁孔填料為灰土，其余各點為素土；A點的處理范圍大于其余各點；處理深度方面，E點和D點分別為2 m和4 m，其余各點為6 m。

試驗步驟為：場地布點，對各點按設(shè)計進行地基的土樁擠密處理，處理完成后做荷載試驗，加200 kPa壓力，之后各點做小坑浸水試驗，最后做全場地的大坑浸水試驗。

圖1 現(xiàn)場試驗點布置概況圖（單位：mm）Fig.1 Sketch of the field experiment sites (unit: mm)

2.2 試驗場地土的物理力學性質(zhì)

本試驗場地位于天水某河流的Ⅱ級階地上，是被平整過的一片梯田，面積約為4000 m2。地層主要為侵蝕堆積的次生黃土，平均厚度約為15 m，大孔結(jié)構(gòu)明顯，結(jié)構(gòu)疏松，含鐵銹斑跡。現(xiàn)場選取兩處探井測試原狀土層的基本物理參數(shù)，1、2號探井的濕陷深度分別為17.2、13.2 m。因為擠密樁處理最大深度為6 m，所以表2為地面以下6 m深度范圍內(nèi)的地層土的物理力學性質(zhì)指標。

3 試驗觀測及數(shù)據(jù)分析

試驗分3個階段進行，即200 kPa載荷試驗、小坑浸水試驗和大坑浸水試驗。通過原位試驗，檢驗經(jīng)處理后地基密實度及濕陷性的變化情況。

3.1 地基土密實度的變化

試驗點A～H地基處理孔位及取樣點布設(shè)位置如圖2所示，其中樁孔直徑為325 mm，樁心距用X表示，在兩樁間等距離取1、2、3號點，在3樁間等距離取a、b、c、d、e共5點，測試擠密樁在不同樁心距擠密后地基土天然重度變化情況，天然重度變化曲線見圖3，所測數(shù)據(jù)列于表3。

由圖3可以看出，在靠近樁體的1點和a點，土體天然重度的增長基本都超過30%，在其他點處的增長隨樁心距的減小變化明顯。

表1 場地試驗設(shè)計狀況表Table1 Case parameters of field experiment

表2 地層土的物理力學性質(zhì)表Table2 Physico-mechanical indices of field ground

圖2 擠密樁處理基本單元及試驗取樣點位置示意圖Fig.2 A basic unit of compaction piles and measured points

圖3 各試驗點密實度變化曲線Fig.3 Change curves of soil compactness at every point

表3 各試驗點密度及密度增加系數(shù)Table3 Values of density and increasing coefficient for measured points

根據(jù)樁間土密實度平均增長系數(shù)，將樁間土劃分為充分擠密區(qū)（擠密處理后重度增長超過30%）、有效擠密區(qū)（擠密處理后重度增長在10%～30%之間）和擠密影響區(qū)（擠密處理后重度增長在10%以下）。

充分擠密區(qū)：出現(xiàn)在樁體周圍，當樁心距小于2.25d時，處理單元內(nèi)全部為充分擠密區(qū)。

有效擠密區(qū)：主要集中在三角形處理單元中心處，其條件為在樁心距2.25d～2.50d之間，并隨著樁心距的進一步增加，該區(qū)域的范圍呈環(huán)狀擴大。

擠密影響區(qū)：當樁心距大于2.50d時，將首先出現(xiàn)在三樁間土體處理單元中心附近（即 c點附近），并隨著樁心距的增大而擴展，當X＞3d時，這一區(qū)域范圍比較大，并逐步擴展到處理單元的 3號點位置。

從本次試驗資料看，筆者將各擠密影響范圍大致劃分如圖4所示。

圖4 單樁樁周土不同擠密程度區(qū)域圖Fig.4 Zone with different compaction extents round a single compaction pile

3.2 地基承載力的變化

3.2.1 單樁樁周土的壓縮系數(shù)

單樁樁周土在天然濕度及飽水狀態(tài)下的壓縮系數(shù)沿徑向的變化規(guī)律及相應(yīng)的擠密系數(shù)如圖 5所示，從圖中可以看出，飽水狀態(tài)下地基土的壓縮系數(shù)和擠密系數(shù)均大于天然狀態(tài)。

隨著國家建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，我國在村鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)方面的步伐不斷推進，在提升村鎮(zhèn)建設(shè)質(zhì)量的同時，也為其規(guī)劃建設(shè)管理工作帶來了相應(yīng)的挑戰(zhàn)，而面對這種發(fā)展形勢，需要相關(guān)部門做好實際調(diào)查、統(tǒng)籌規(guī)劃等工作，堅持“因地制宜”的原則，落實各項操作，確保村鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)能夠滿足社會發(fā)展的實際需求，并且要從長遠利益出發(fā)，確保社會主義新農(nóng)村建設(shè)的穩(wěn)步推進，因此，需要針對農(nóng)村規(guī)劃建設(shè)方面的相關(guān)問題進行深入的研究，以此為基礎(chǔ)，進一步推動國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展。

圖5 壓縮系數(shù)隨樁心距離的變化曲線Fig.5 Change curves of compression coefficients with the distances of pile center

由圖中曲線可知：天然濕度下，當X＞1.5d時，樁周土的a1-2＞0.5 MPa-1，為高壓縮性土；X在0.5d～1.5d之間時，a1-2在0.1～0.5 MPa-1之間，為中低壓縮性土。壓縮系數(shù)隨距樁心距的增大而增大，近似呈線性關(guān)系。

對于飽水狀態(tài)而言，X＞1d時，壓縮系數(shù)都大于0.5 MPa-1，為高壓縮性土；樁心距在0.5d～1.0d之間時，壓縮系數(shù)在0.1～0.5 MPa-1之間，為中低壓縮性土。

這說明在天然濕度下，單樁擠密效果的影響范圍應(yīng)該在1.5d范圍內(nèi)。而對于飽水狀態(tài)，擠密樁只在1.0d范圍內(nèi)有擠密效果。

3.2.2 群樁樁間土的壓縮系數(shù)

圖6 最大壓縮系數(shù)與樁心距的變化曲線Fig.6 Change curves of maximum compression coefficients with the distance of pile center

圖7 群樁間擠密系數(shù)和壓縮系數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationships of compression coefficients with compaction coefficients among pile group

3.2.3 載荷試驗的結(jié)果（干壓縮階段）

圖8為各試驗點在200 kPa壓力下的下沉量條形圖。由圖可知，未經(jīng)處理的H點下沉量最大，為12.01 cm，下沉量最小的G點為0.38 cm，其余6個試驗點下沉量均在 0.95～1.96 cm之間，差別不大。這說明灰土擠密樁相對于素土樁具有更好的處理效果。F點下沉量為2 cm，是各素土擠密樁處理點中下沉量最大的，它的樁心距比其余各點略大，這也證明了樁心距越大，處理效果越差。盡管各點處下沉量不同，但可以看出，擠密樁處理過的地基較原始地基H點而言，能有效減少下沉量，下沉量減小到原狀地層的 1/6，且各處理點的承載力均能達到200 kPa。

圖8 200 kPa壓力下各點的下沉量Fig.8 Settlement of every point at 200 kPa compression

3.3 消除濕陷性的效果

3.3.1 單樁樁周土濕陷系數(shù)變化規(guī)律

圖9 單樁樁周土擠密后濕陷系數(shù)水平向的變化Fig.9 Radial change of collapse coefficients after compaction around a single pile

3.3.2 兩樁間和三樁間土的濕陷系數(shù)變化規(guī)律

圖10給出了200 kPa下群樁間土濕陷系數(shù)與樁心距的關(guān)系。從圖可知，在處理單元內(nèi)，當c點X＜2.25d，3號點當X＜2.5d時，其濕陷系數(shù)都不大于0.015，呈現(xiàn)非濕陷性，試驗中還發(fā)現(xiàn)甚至在靠近樁體處呈現(xiàn)輕微的膨脹性；對于c點處 X＞2.25d和3號點處X＞2.5d時，濕陷系數(shù)都隨著樁心距的增加而幾乎呈線性增長，其濕陷系數(shù)都大于0.015，呈現(xiàn)不同程度的濕陷性。這說明當X＜2.5d時，擠密樁可在其處理單元內(nèi)全部消除地基濕陷性。

圖10 200 kPa下群樁間土濕陷系數(shù)與樁心距的關(guān)系Fig.10 Relationships of collapse coefficients with The distance between pile’s center

3.3.3 小坑浸水試驗檢驗處理效果

8個試驗點在地面壓力為200 kPa的情況下，小坑浸水96 h變形穩(wěn)定后的濕陷量見圖11、12所示。在小坑浸水階段，沒有發(fā)現(xiàn)自重濕陷的情況。

圖11 小坑浸水各點濕陷量圖Fig.11 Every point′s settlement after small area immersion

圖12 H點中點處不同深度小坑浸水時的濕陷量圖Fig.12 Collapse settlement at variant depth after small area immersion at point H

從圖看出，未經(jīng)處理的H點地基下沉量最大，達49.5 cm，其他經(jīng)過處理的各點僅濕陷0.5～6.9 cm，濕陷量為天然地基的1%～14%，樁孔填料為3:7灰土的G點和處理范圍最大的A點濕陷量最小，樁心距最大的 F點濕陷量相對于其他各試驗點明顯偏大，為 6.9 cm。

3.3.4 大面積浸水試驗區(qū)處理效果檢驗

在各試驗點載荷試驗未卸載情況下，對場地進行大面積（28 m×16 m）浸水，在不同深度設(shè)立了測桿來測試不同深度的濕陷量，結(jié)果見圖13。

圖13(a)表明，B點和F點的處理范圍（相對于載荷板）較小，仍有較大濕陷性，這說明了處理范圍的主要影響。圖13(b)表明，2～4 m未處理地層的濕陷量全部表現(xiàn)出來了（E點），也反應(yīng)了小坑浸水并未能釋放地層全部的濕陷量，這證明了小范圍浸水與大范圍浸水的濕陷影響深度是完全不同的。圖13(c)表明，5 m以下地層的濕陷情況基本相同，因為該場地最大處理深度只有6 m，5 m以下各點的情況基本相同。說明濕陷性的處理深度應(yīng)該是有要求的。同時，發(fā)現(xiàn)灰土樁較素土樁效果要好。

圖13 大面積浸水情況下不同地基總濕陷量比較Fig.13 Comparisons of the total collapse settlement at every point after large area immersion

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場試驗，對土擠密樁處理濕陷性地基的效果有了一些更確切的認識，初步結(jié)論如下：

（1）樁心距：不論是兩樁間還是三樁間土，即X＜1.75d時，可保證擠密區(qū)間內(nèi)的土都達到充分擠密，重度比原始地基增加30%，承載力提高一倍以上；X=1.75d～2.5d之間可保證樁間土達到有效擠密，重度增長10%～30%，承載力提高幅度仍需進一步研究確定。對于浸水情況，對濕陷性黃土地基控制X=2.5d較為合適。

（2）處理深度：通過分析試驗結(jié)果可知，在處理深度較淺的情況下，處理地層以下土層的濕陷性并未發(fā)生變化，所以在深度上不存在影響范圍。

（3）處理范圍：在小坑浸水試驗中，地基發(fā)生濕陷，幾乎全部屬于外荷濕陷；大面積浸水試驗顯示，地基處理范圍達到載荷板面積2倍時，即可解決外荷濕陷、側(cè)向擠出問題。這里似乎與濕陷深度無關(guān)。規(guī)范[9]中規(guī)定處理寬度超出基底不宜小于處理土層厚度的1/2，在此試驗中未得到證實。

（4）樁孔填料：灰土填料顯然優(yōu)于素土填料。在主要持力層范圍內(nèi)，應(yīng)該用夯填灰土填料作為適當減小處理寬度的替代手段。但對于主要持力層以下，或自重濕陷和側(cè)向擠出都不嚴重的部位，強調(diào)使用灰土是不必要的，一般夯填素土即可。

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