自重濕陷性黃土地基處理方法及其參數(shù)的研究與應(yīng)用

武勝　趙亞平　王廣超

摘 要：本文重點(diǎn)對(duì)消除黃土自重濕陷性的地基處理方法、施工工藝及參數(shù)等進(jìn)行了分析研究，參照周邊同類(lèi)裝置地基處理的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合擬建場(chǎng)地地基土的構(gòu)成與特征進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)工藝比選、參數(shù)修正等手段，獲得了最適合本區(qū)域消除黃土自重濕陷性地基處理的施工工藝及參數(shù)，達(dá)到了滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求、縮短施工工期及節(jié)省投資的目的，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土；濕陷系數(shù)；沉管樁；DDC樁；擠密效果

中圖分類(lèi)號(hào)：TU444 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）08-108-02

1 項(xiàng)目概況

徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司150萬(wàn)t/a甲醇項(xiàng)目建于寶雞市鳳翔縣長(zhǎng)青煤化工工業(yè)園區(qū)內(nèi)，首期工程為60萬(wàn)t/a甲醇生產(chǎn)裝置及配套的輔助和公用工程設(shè)施，總投資約38.5億元。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地位置、地形地貌

擬建場(chǎng)地位于陜西省寶雞市鳳翔縣長(zhǎng)青工業(yè)園內(nèi)，南距寶雞市約35km，東距鳳翔縣城約15km。地形相對(duì)平坦，地面標(biāo)高介于677.89～689.87m之間。擬建場(chǎng)地長(zhǎng)1066.7m，寬500m，約53.3hm2，建筑物占地面積約16.4hm2。

2.2 水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地地處內(nèi)陸，夏季炎熱多雨，冬季干燥少雨，年內(nèi)降雨分布不均，主要集中在7～9月份，夏季降水量最高為235.1mm，年平均降水量610mm，且地基土垂直節(jié)理發(fā)育，多根孔、蟲(chóng)孔，滲透系數(shù)達(dá)5～6m/d，因而一般無(wú)地表水積存。

擬建場(chǎng)區(qū)勘探深度范圍內(nèi)未見(jiàn)地下水，含水層主要為50m以下的砂礫石層，水力坡度0.022左右，滲透系數(shù)12m/d，影響半徑300m，排泄暢通，徑流條件好，抽水降深好，單井涌水量為30m3/h左右。

2.3 擬建場(chǎng)地地基土的構(gòu)成及黃土濕陷性評(píng)價(jià)

2.3.1 擬建場(chǎng)地黃土濕陷性評(píng)價(jià)

擬建場(chǎng)地位于中國(guó)濕陷性黃土分布圖中的關(guān)中地區(qū)。據(jù)場(chǎng)地巖土勘察報(bào)告表述，場(chǎng)地土主要由耕土、黃土、古土壤及卵石組成，場(chǎng)地內(nèi)黃土層均具有濕陷性，如黃土②（Q32eol）、黃土③（Q32eol）、黃土⑤（Q31eol）等，而古土壤則沒(méi)有濕陷性或局部有輕微濕陷性，濕陷性由淺到深逐步減弱。場(chǎng)地內(nèi)地基濕陷性黃土平均埋深20.43m，最大深度為27.0m。濕陷系數(shù)δs在0.015～0.105之間，自重濕陷系數(shù)δzs在0.017～0.056之間，地基濕陷等級(jí)為I～I(xiàn)V級(jí)，屬典型的濕陷性黃土。根據(jù)各探孔濕陷性分布情況計(jì)算判定擬建場(chǎng)地濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)（中等），但場(chǎng)地濕陷分布不均勻，濕陷等級(jí)區(qū)劃無(wú)序可循，地基處理設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按濕陷等級(jí)Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）設(shè)計(jì)。

2.3.2 黃土濕陷性的危害

濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土，在一定的壓力下，受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加下沉。自重濕陷性黃土是在上覆的自重壓力下受水浸濕，發(fā)生顯著附加下沉的濕陷性黃土。濕陷性黃土地基的濕陷變形往往是不均勻的，屬于失穩(wěn)型的地基變形，一般在1～2d內(nèi)就可能產(chǎn)生20～30cm變形量。這種數(shù)量大、速度快、且又不均勻的地基變形是建筑物所難以適應(yīng)的，往往會(huì)造成水塔、煙囪等高聳構(gòu)筑物嚴(yán)重傾斜，房屋墻身破壞，梁、柱等承重結(jié)構(gòu)開(kāi)裂以及機(jī)器基礎(chǔ)傾斜等惡果。故在濕陷性黃土場(chǎng)地上進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性、地基受水浸濕可能性的大小和在使用期間對(duì)不均勻沉降限制的嚴(yán)格程度，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷性對(duì)建筑物、構(gòu)筑物產(chǎn)生危害。

3 地基處理方法的確定

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50025-2004）規(guī)定，在濕陷性黃土上進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，首先必須對(duì)濕陷性土層進(jìn)行地基處理。目前國(guó)內(nèi)常用的地基處理方法有墊層法、重錘夯實(shí)法、擠密樁法、預(yù)浸水法等。

由于本項(xiàng)目擬建場(chǎng)地濕陷性土層厚，處理深度深，墊層法和重錘夯實(shí)法處理深度較淺，預(yù)浸水法適用于空曠的獨(dú)立裝置，不適用于裝置密集區(qū)，而擠密樁法適用條件與擬建場(chǎng)地基本吻合，所以本工程擬采用擠密樁法進(jìn)行地基處理，即利用錘擊打入或振動(dòng)沉管的方法在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入素土或灰土等填充料；或者采用長(zhǎng)螺旋取土成孔，然后在樁孔中分層填入素土利用重錘夯擴(kuò)。在成孔及填料夯擴(kuò)的過(guò)程中，原來(lái)處于樁孔部位的土全部被擠入周?chē)馏w，通過(guò)這一擠密過(guò)程，從而徹底改變土層的濕陷性質(zhì)并提高其承載力?；彝翑D密樁和素土樁地基一般適用于地下水位以上含水量14%～22%的濕陷性或自重濕陷性黃土，此種地基處理方法適用范圍較廣。

4 擠密樁法施工工藝的分析與確定

4.1 擠密樁法施工工藝分析

擠密樁法通常有三種施工工藝：沉管擠密樁、孔內(nèi)深層強(qiáng)夯擠密法（DDC工法）、柱錘沖擴(kuò)樁法。

4.1.1 沉管擠密樁

利用打樁機(jī)或振動(dòng)器將鋼套管打入地基土層中并隨之拔出，或是利用炸藥爆擴(kuò)等方法，在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入素黃土或灰土并夯實(shí)而形成（灰）土樁。

4.1.2 孔內(nèi)深層強(qiáng)夯擠密法（DDC工法）

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯擠密法（也稱(chēng)DDC工法），是通過(guò)機(jī)具成孔，再向孔內(nèi)填充材料，用高動(dòng)能夯錘，分段進(jìn)行沖、砸、擠壓、夯擊，使地基土側(cè)向擠壓變形，從而達(dá)到地基土加固的目的。

4.1.3 柱錘沖擴(kuò)樁法

實(shí)施柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基主要采用直徑300～500mm、長(zhǎng)2～6m、質(zhì)量1～8t的柱狀細(xì)長(zhǎng)錘，提升5～10m高，自由下落對(duì)地基土層沖擊成孔，反復(fù)幾次達(dá)到設(shè)計(jì)深度；然后邊添料邊用柱錘夯實(shí)形成擴(kuò)大樁體，并與樁間土共同工作，形成柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基。

4.2 擠密樁施工工藝的確定

根據(jù)上述常用的三種擠密樁施工工藝自身的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合建設(shè)場(chǎng)地濕陷類(lèi)型、濕陷強(qiáng)度及本工程建筑物的類(lèi)別，本工程擬選用沉管擠密樁法處理丙類(lèi)建筑物地基黃土濕陷性；選用DDC工法處理甲類(lèi)和乙類(lèi)建筑、構(gòu)筑物地基黃土濕陷性；由于本工程各類(lèi)建筑物要求的復(fù)合地基承載力均大于180kPa，而柱鍾沖擴(kuò)樁法處理地基后的復(fù)合地基承載力特征值較小，一般不超過(guò)160kPa，所以不采用柱鍾沖擴(kuò)樁法。

5 擠密樁施工參數(shù)的研究

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50025-2004）規(guī)定，各類(lèi)建筑的地基處理應(yīng)符合下列要求：（1）甲類(lèi)建筑應(yīng)消除地基的全部濕陷量或采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性土層，或?qū)⒒A(chǔ)置在非濕陷性土層上；（2）乙、丙類(lèi)建筑應(yīng)消除地基的部分濕陷量。

根據(jù)上述規(guī)定，擬建場(chǎng)地內(nèi)甲類(lèi)建筑、構(gòu)筑物應(yīng)處理基礎(chǔ)底面以下的全部濕陷性黃土層；乙類(lèi)建筑物地基處理厚度不應(yīng)小于濕陷性土層深度的2/3，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應(yīng)大于150mm；丙類(lèi)建筑物當(dāng)?shù)鼗鶟裣莸燃?jí)為Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)時(shí)，對(duì)多層建筑宜采用整片處理，地基處理厚度分別不應(yīng)小于3m或4m，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量，單層及多層建筑均不應(yīng)大于200mm。因此，計(jì)算后的沉管擠密樁樁長(zhǎng)均將超過(guò)18m，而目前國(guó)內(nèi)普遍使用的成樁機(jī)樁管長(zhǎng)度不超過(guò)14m，所以沉管擠密樁樁長(zhǎng)一般應(yīng)小于14m，如超過(guò)14m，不僅下管、拔管困難，且機(jī)械穩(wěn)定性差，施工安全得不到保障。因此，如果完全按照規(guī)范要求根據(jù)剩余濕陷量來(lái)控制樁長(zhǎng)，沉管擠密樁法將不能用于本項(xiàng)目地基處理。DDC法雖然處理深度可滿(mǎn)足要求，但DDC法成孔采用的是向外取土，再使用重鍾進(jìn)行夯填的施工工藝，其擠密效果不如沉管擠密樁。如何調(diào)整擠密樁的參數(shù)（樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距），使地基處理后的擠密效果既符合規(guī)范要求，同時(shí)又施工簡(jiǎn)便、安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，是本文論述的重點(diǎn)。

5.1 擠密樁樁長(zhǎng)的確定

擠密樁的樁長(zhǎng)直接決定了地基處理的深度，通過(guò)對(duì)周邊長(zhǎng)武甲醇項(xiàng)目、咸陽(yáng)甲醇項(xiàng)目、興平化工項(xiàng)目等進(jìn)行走訪(fǎng)，收集整理這些項(xiàng)目的地質(zhì)資料和地基處理方法，與本項(xiàng)目擬建場(chǎng)地的地質(zhì)資料進(jìn)行比對(duì)，并邀請(qǐng)了多位國(guó)內(nèi)在濕陷性黃土地基處理方面的權(quán)威專(zhuān)家及設(shè)計(jì)、勘察、施工、檢測(cè)等單位相關(guān)人員進(jìn)行了專(zhuān)題研討，對(duì)本項(xiàng)目的擠密樁樁長(zhǎng)及外放范圍作了如下設(shè)計(jì)建議：（1）甲類(lèi)建筑和載荷較大的乙類(lèi)建筑，應(yīng)采用DDC素土擠密樁處理地基。素土擠密樁樁長(zhǎng)應(yīng)達(dá)到⑤黃土層底部，樁端應(yīng)穿透濕陷性土層置于非濕陷性土層；（2）對(duì)于載荷不大的乙類(lèi)建筑物，可采用灰土DDC樁法處理地基，樁身填料采用2：8灰土，樁長(zhǎng)應(yīng)達(dá)到⑤黃土層底部，處理范圍外放5～6m；（3）丙類(lèi)建筑采用灰土擠密樁處理地基，樁長(zhǎng)應(yīng)達(dá)到③黃土層底部，處理范圍外放3～5m。

5.2 擠密樁樁徑、樁間距的確定

樁長(zhǎng)確定后，地基處理范圍內(nèi)樁間土的擠密效果將取決于擠密樁的樁徑和樁間距，為獲得最佳的樁徑及樁間距，確定采用試樁確定擠密樁樁徑、樁間距。

根據(jù)擬建場(chǎng)地內(nèi)建筑物等級(jí)，試樁方案選擇其中的18個(gè)裝置區(qū)進(jìn)行試樁，為了保證工程質(zhì)量，得出可靠的試樁參數(shù)，18個(gè)試樁區(qū)域全部選在濕陷等級(jí)Ⅲ、Ⅳ級(jí)（即濕陷性為嚴(yán)重）的地段進(jìn)行。其中：DDC工法分別按照樁徑0.6m、樁間距1.5m；樁徑0.4m，樁間距0.9m；樁徑0.4m，樁間距0.8m，樁長(zhǎng)分別為16～24m，共6個(gè)裝置區(qū)進(jìn)行試樁；沉管擠密樁按照樁徑0.4m，樁間距0.9m，樁長(zhǎng)從6～14m，共13個(gè)裝置區(qū)設(shè)計(jì)試樁。

通過(guò)對(duì)試樁結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合《規(guī)范》要求，確定將載荷不大的乙類(lèi)、丙類(lèi)建筑的地基處理方法設(shè)計(jì)為沉管擠密樁法，沉管擠密樁樁徑0.4m，樁間距0.9m，樁長(zhǎng)6～14m；甲類(lèi)建筑及載荷較大的乙類(lèi)建筑地基處理方法采用樁徑0.4m夯擴(kuò)至0.55m，樁間距0.8m，樁長(zhǎng)17～24m的DDC擠密樁。

6 處理效果評(píng)價(jià)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，對(duì)本項(xiàng)目69個(gè)裝置區(qū)或單位工程的濕陷性黃土地基進(jìn)行了擠密樁施工，施工沉管擠密樁及DDC樁共計(jì)33.73萬(wàn)根，有效樁長(zhǎng)總計(jì)443.46萬(wàn)m。樁基工程完成后，嚴(yán)格按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)所有裝置區(qū)復(fù)合地基的承載力及擠密效果進(jìn)行了全面檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為：復(fù)合地基承載力全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，樁間土擠密效果良好，黃土濕陷性已消除或基本消除，達(dá)到了地基預(yù)處理的目的。

7 結(jié)語(yǔ)

本次自重濕陷性黃土地基處理方法、施工工藝及參數(shù)的研究，不失為一個(gè)成功的范例。在遵守規(guī)范原則的前提下，尋找了一條既保證建筑物的安全使用，又有利于施工、減少投資的成功道路，為今后同類(lèi)地質(zhì)條件下的地基處理積累了成功經(jīng)驗(yàn)，不僅為本工程節(jié)省了大量投資，縮短了建設(shè)工期，而且具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：武勝（1969-），男，江蘇徐州人，助理工程師，畢業(yè)于浙江長(zhǎng)興煤田地質(zhì)學(xué)校鉆探專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任徐州長(zhǎng)城基礎(chǔ)工程有限公司勘察公司經(jīng)理。