土擠密樁法消除黃土濕陷性的試驗分析

賈淑敏，曹竹良

（1.河北省水利科學研究院，石家莊050057；2.河北省水利工程局，石家莊050000）

土擠密樁法首創(chuàng)于前蘇聯(lián)，主要用于消除黃土地基的濕陷性，至今仍是俄羅斯和東歐諸國處理濕陷性黃土的主要方法之一。

我國自20世紀50年代中期在西北黃土地區(qū)開始試驗應用，長期以來，逐步在陜、甘、晉、豫等省區(qū)推廣應用，取得了顯著的技術經(jīng)濟效益，已是我國工程領域處理軟弱地基和濕陷性黃土地基的主要方法。

1 基本原理

土擠密樁法是利用沉管、沖擊或爆擴等方法在地基中擠土成孔，然后向孔內(nèi)夯填素土成樁，通過成孔過程中的側(cè)向擠壓作用，樁孔內(nèi)的土被擠向周圍，使得樁間土得以擠密，然后將備好的素土分層填入孔內(nèi)，并夯實，形成的樁體稱為土擠密樁。

用土擠密樁加固地基是一種人工復合地基，屬于深層加固處理地基的方法，主要作用是提高地基承載力，降低地基壓縮性。用于濕陷性黃土，則可以部分或全部消除黃土的濕陷性，這種施工方法可以就地取材，以土治土，原位處理，深層加固，并且費用較低，在西北及華北地區(qū)有比較廣泛的應用。

2 設計與計算

2.1 采用土擠密樁法消除黃土濕陷性

宜按正三角形布樁，根據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的有關規(guī)定，孔心距可以按式（1）計算：

式中S為孔心距（m）；D為擠密填料孔直徑（m）；d為預鉆孔直徑（m）；ρdo為地基擠密前壓縮層范圍內(nèi)各層土的平均干密度（g/cm3）；ρdmax為擊實試驗確定的最大干密度（g/cm3）；η軍c為擠密填孔（達到D）后，3個孔之間土的平均擠密系數(shù)不宜小于0.93。

2.2 成孔方法

考慮施工方便，處理深度不超過12m時，宜直接成孔，不宜預鉆孔，擠密孔直徑宜為0.35～0.45m，當擠密處理深度超過12m時，可以預鉆孔，其直徑宜為0.25～0.3m，擠密填料孔直徑宜為0.5～0.6m。

2.3 最小擠密系數(shù)的計算

正三角形中心孔間土的最小擠密系數(shù)，可以按式（2）計算：

式中ηdmin為土的最小擠密系數(shù)：甲、乙類建筑不宜小于0.88，丙類建筑不宜小于0.84；ρdo為擠密填孔后，3個孔之間形心點部位土的干密度（g/cm3）。

2.4 孔內(nèi)填土的壓實系數(shù)

壓實系數(shù)不宜小于0.97。

3 工程實例

南水北調(diào)中線工程永年縣段，樁號74+500～75+095段屬于Ⅰ（輕微）級～Ⅱ（中等）級濕陷性場地，需進行處理，由于該渠段距離村莊很近，采用強夯法處理，可能會給附近的民居造成一定的破壞，所以初步選擇土擠密樁法進行加固處理，處理范圍一般至堤身外坡腳外側(cè)5m。為達到設計文件和技術規(guī)范的質(zhì)量要求，在渠道地基進行素土擠密樁施工前，在樁號74+500～75+095段內(nèi)先選200m長的渠段，進行了施工試驗。

3.1 試驗目的

根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況、工程的使用要求、施工設備能力及經(jīng)驗，通過現(xiàn)場試驗，判定擠密樁加固地基能否滿足設計要求，以及正確選取擠密樁施工參數(shù)，為施工提供可靠的依據(jù)。

3.2 工程地質(zhì)情況

3.2.1 樁號74+500～74+700段

3.2.2 樁號74+700～75+055段

3.2.3 樁號75+055～75+095段

Q4壤土（局部夾粘土、砂壤土），地表至深度5.3～11.2m具有濕陷性，自重濕陷系數(shù)001～0.062，濕陷系數(shù)0.001～0.119，無～強濕陷性。渠道中部挖除后，該段場地自重濕陷量27～170 mm，濕陷量46～669 mm，屬于Ⅰ（輕微）級非自重濕陷性場地～Ⅱ（中等）級自重濕陷性場地，濕陷性土主要分布于地表至深度5.3～8.5m。

3.2.4 試驗區(qū)選擇

由于樁號75+055～75+095段擠密樁范圍較小不具有代表性；樁號74+700～75+055段濕陷系數(shù)小，不能代表其他段；樁號74+500～74+700段避免了以上兩段的弊端；共布置2個試驗區(qū)。左堤內(nèi)坡為A試驗區(qū)，樁號74+660～74+700；右堤內(nèi)坡為B試驗區(qū)，樁號74+660～74+700。

3.3 試樁選擇位置

A試驗區(qū)選擇左堤內(nèi)坡74+660～74+700段渠道內(nèi)坡，B試驗區(qū)選擇右堤內(nèi)坡74+660～74+700段，渠道內(nèi)坡設置2段試驗區(qū)，由于該段已填筑至渠頂高程，在試樁前先搭設打樁施工平臺，平臺搭設與頂樁齊平，平臺頂寬7m。施工完畢后將平臺土拆除移至外坡搭建施工平臺，再進行渠底段擠密樁施工。

3.4 試驗布樁參數(shù)的選取

3.4.1 孔間距的選取

孔間距是土擠密樁設計的最主要參數(shù)，孔間距直接決定了擠密效果的大小。在黃土的各個試驗參數(shù)之間，濕陷系數(shù)和干重度、孔隙比、壓縮模量之間的關系比較密切，相關性很好，在樁號段310個勘察階段原狀土樣的實驗結(jié)果分析中，177個樣本具有濕陷性，平均干重度14.56g/cm3，平均孔隙比0.821，平均壓縮模量4.12MPa-1，平均濕陷系數(shù)0.0373，133個樣本不具濕陷性；平均干重度15.08g/cm3，平均孔隙比0.768，平均壓縮模量10.48MPa-1，平均濕陷系數(shù)0.0075。本渠段用強夯法（3000kN·m）和翻壓法處理后的土體的平均干重度要求在17.0g/cm3以上，處理后的土體不再具有濕陷性。可以看出處理以后的非濕陷性土樣的平均干重度比具有濕陷性的原土樣的平均干重度高出17%，理論上講，通過擠密施工，如果能讓孔間土的干重度提高17%以上，就可以消除其濕陷性，根據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的有關規(guī)定，以ρdo=1.45和帶入公式中，可以求得設計樁間距為0.99m，試驗施工時取1.0m。

試驗時，選擇樁間距1.3m和1.0m2種布置方式。

3.4.2 A試驗區(qū)

A試驗區(qū)試樁根數(shù)為270根，樁直徑0.4m，平面呈正三角形布置，樁間距為1.3m，沉管成孔方法擠密成樁，分兩序施工。

3.4.3 B試驗區(qū)

B試驗區(qū)試樁根數(shù)為418根，樁直徑0.4m，平面呈正三角形布置，樁間距為1.0m，沉管成孔方法擠密成樁，分兩序施工。

3.4.4 孔內(nèi)填土

孔內(nèi)填土分層夯實，壓實系數(shù)不小于0.97。

4 試驗檢測

4.1 檢測內(nèi)容

688根土擠密樁試驗施工完成后，在土擠密樁形成強度7d后進行檢測。從處理面起至設計高程深度內(nèi)每隔1m取樣進行室內(nèi)土工試驗，檢測項目有：土的含水量、密度、比重、飽和度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、抗剪強度、濕陷系數(shù)。

4.2 主要參數(shù)檢測結(jié)果分析

4.2.1 A試驗區(qū)

4.2.1.1 施工前的主要參數(shù)

4.2.1.2 施工后的主要參數(shù)

樁間土擠密后處理深度范圍內(nèi)濕陷性黃土濕陷系數(shù)0.001～0.028，部分大于0.015的界限值，依據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)的建筑規(guī)范》有關規(guī)定，該土層未消除濕陷性；樁間土平均擠密系數(shù)均小于0.93 的界限值，不滿足JGJ79—2002《建筑地基處理技術規(guī)范》要求；該試驗區(qū)樁體，夯填壓實系數(shù)均不小于0.97。該試驗區(qū)不合格。

4.2.2 B試驗區(qū)

4.2.2.1 施工前的主要參數(shù)

4.2.2.2 施工后的主要參數(shù)

樁間土擠密后處理深度范圍內(nèi)濕陷性黃土濕陷系數(shù)0.001～0.013，均小于0.015的界限值，依據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)的建筑規(guī)范》有關規(guī)定，該土層已不具濕陷性；樁間土平均擠密系數(shù)均不小于0.93的界限值，滿足JGJ79—2002《建筑地基處理技術規(guī)范》的要求。該試驗區(qū)樁體，夯填壓實系數(shù)均不小于0.97。樁距為1.0m×1.0m的擠密樁滿足設計及規(guī)范要求。

4.2.2.3 現(xiàn)場試樁和室內(nèi)試驗對比

樁直徑0.4m、平面呈正三角形布置、樁間距為1.3m布樁未能消除黃土狀壤土地基的濕陷性；樁直徑0.4m、平面呈正三角形布置、樁間距1.0m布樁可消除黃土狀壤土地基的濕陷性，可不再進行減小樁間距試樁。因此施工過程中采用樁直徑0.4m、平面呈正三角形布置、樁間距1.0m布樁控制施工參數(shù)。

5 結(jié)語

擠密樁處理濕陷性黃土地基的深度大，施工速度快。擠密樁施工對附近已有建筑物的影響小，因此擠密樁施工適用范圍大，施工干擾小。但其施工費用相對較高，因此在施工或設計前，在現(xiàn)場進行試樁、原位測試和室內(nèi)試驗，總結(jié)取得試驗成果，根據(jù)試驗成果，在滿足地基處理要求的前提下選擇合理的施工或設計參數(shù)，可將擠密樁施工費用降至最低。

［1］GB50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］.

［2］JGJ79—2002，建筑地基處理技術規(guī)范［S］.

［3］《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊（第四版）［K］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［4］河北省水利水電第二勘測設計研究院.南水北調(diào)中線漳古段SG3標濕陷性黃土處理技術要求［R］.2011.

［5］河北省水利工程局.SG3標濕陷性黃土土擠密樁試驗報告［R］.2012.

［6］GB/T50123—1999，土工試驗方法標準［S］.