灰土擠密樁加固濕陷性黃土地基的研究

Study on Reinforcement of Collapsible Loess Foundation by Lime Soil Compaction Piles

WANG Liang

摘要：采用灰土擠密樁加固濕陷性黃土具有高效、快捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。本文以蘭海高速公路臨洮至渭源段LW4標(biāo)段采用灰土擠密樁進(jìn)行濕陷性黃土加固處理的工程實(shí)例為依托，詳細(xì)闡述了灰土擠密樁各施工設(shè)計(jì)參數(shù)的選定方法和試驗(yàn)優(yōu)化過(guò)程。對(duì)處理過(guò)的復(fù)合地基進(jìn)行承載力檢測(cè)的結(jié)果證明，本項(xiàng)目采用的灰土擠密樁加固濕陷性黃土達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的良好處理效果。

Abstract： The use of lime-soil compaction piles to reinforce collapsible loess has the advantages of high efficiency， speed and economy. This paper relies on the engineering example of the limestone compaction pile for the collapsible loess reinforcement treatment in the LW4 section of Lintao to Weiyuan section of Lanhai Expressway and expounds the selection method and experimental optimization process of various construction design parameters of lime-soil compacted piles in detail. The results of bearing capacity test on the treated composite foundation prove that the lime-soil compaction pile used in the reinforcement of the collapsible loess achieves the good design effect.

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土;灰土擠密樁;地基加固;施工參數(shù);關(guān)鍵技術(shù)

Key words： collapsible loess;lime-soil compaction pile;foundation reinforcement;construction parameters;key technology

中圖分類號(hào)：TU472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0172-03

0? 引言

我國(guó)地域內(nèi)較為廣泛地分布著濕陷性黃土，黃土的濕陷性帶來(lái)了諸多不良工程地質(zhì)問(wèn)題。為了滿足建筑物對(duì)地基承載能力、安全穩(wěn)定性的要求，需對(duì)黃土濕陷性進(jìn)行有效的處理。目前對(duì)于濕陷性黃土的處理方法及措施較多，每種方法的處理技術(shù)效果各異，經(jīng)濟(jì)投入也差別較大。本文通過(guò)蘭海高速公路臨洮至渭源段LW4標(biāo)段所遇到的濕陷性黃土特征進(jìn)行分析，并對(duì)各種加固濕陷性黃土地基技術(shù)效果及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析說(shuō)明，以獲得高效、快捷、經(jīng)濟(jì)加固處理本項(xiàng)目濕陷性黃土的方法，為今后類似項(xiàng)目濕陷性黃土處理方法的選擇提供參考依據(jù)。

1? 工程概況

本工程為蘭州至海口國(guó)家高速公路臨洮至渭源段LW4合同段，包含正線7.358km，G212國(guó)道改移2.585km。本項(xiàng)目主要位于黃土高原區(qū)隴中（隴西）黃土高原亞區(qū)，地處隴西高原黃土高原西南邊緣的洮河、渭河分水嶺，縱跨黃河流域。地勢(shì)西北高東南低，地形相對(duì)復(fù)雜，有山梁、河谷、川臺(tái)地，本合同段線路平均海拔約2260m。

沿線濕陷性黃土主要分布于洮河河谷Ⅲ級(jí)階地及其以上階地、丘陵地帶的黃土與黃土狀土，厚度一般為5～8m，以黃色為主，有灰黃、褐黃等色;含有大量粉粒，具有肉眼可見(jiàn)的大孔隙，無(wú)層理，垂直節(jié)理發(fā)育，一般具有濕陷性。

根據(jù)土工試驗(yàn)檢測(cè)，沿線的濕陷性場(chǎng)地和濕陷等級(jí)分段為：標(biāo)段屬自重濕陷性場(chǎng)地，為Ⅲ（嚴(yán)重）～Ⅳ（很嚴(yán)重）。

由于黃土濕陷性會(huì)引起如下工程地質(zhì)問(wèn)題：路基沉陷、橋臺(tái)失穩(wěn)、邊坡變形破壞、黃土陷穴等。故需對(duì)本項(xiàng)目的濕陷性黃土進(jìn)行處理，確保高速公路路基、橋涵等各結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

2? 濕陷性黃土處理要求達(dá)到的目的及處理方法的比選

2.1 濕陷性黃土處理要求達(dá)到的目的

為了消除黃土濕陷性引起的路基沉陷、邊坡變形破壞、黃土陷穴等病害問(wèn)題，需消除黃土的濕陷性，提高地基土的承載強(qiáng)度，本標(biāo)段黃土濕陷性加固的要求如下：

①因本項(xiàng)目為自重式濕陷性黃土，為避免路基工后沉降過(guò)大，需處理基底以下的全部濕陷性土層。即本標(biāo)段黃土加固處理最深8m。

②濕陷性黃土地基經(jīng)處理后，樁間土達(dá)到中等密實(shí)，壓實(shí)系數(shù)λc≥0.95，復(fù)合地基承載力需滿足≥200kPa以上。

2.2 加固方案的比選

進(jìn)行濕陷性黃土的處理方法較多，也相對(duì)成熟，但在不同的地質(zhì)條件下，各類處理方法技術(shù)可行性、適用性、處理深度及處理效果各不相同。

故進(jìn)行處理方案選定時(shí)，需了解各類加固措施的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)本項(xiàng)目選擇一種技術(shù)可行、效果顯著及經(jīng)濟(jì)合理的加固方法。本項(xiàng)目針對(duì)濕陷性黃土處理加固常用的挖土換填、化學(xué)改良、灰土擠密樁、強(qiáng)夯法等不同方法進(jìn)行比選，以選定適合本項(xiàng)目施工條件，且技術(shù)可行、進(jìn)度可控、經(jīng)濟(jì)合理的處理方法。

2.2.1 換填

對(duì)于淺層地基采用灰土或是其他合格取土進(jìn)行換填的處理方法經(jīng)濟(jì)適用。但本項(xiàng)目最大處理深度達(dá)8m，換填法需進(jìn)行大量的棄方和取土分層碾壓回填，經(jīng)測(cè)算，如果采用灰土換填，綜合單價(jià)近37元/m3，故換填法不適合本項(xiàng)目。

2.2.2 化學(xué)改良

化學(xué)改良為采用水泥或石灰對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行改良，其施工工藝方法與換填類似，需開(kāi)挖所有濕陷性黃土進(jìn)行改良后再分層回填。

故也不適合本項(xiàng)目8m深度的濕陷性黃土處理。

2.2.3 強(qiáng)夯

本項(xiàng)目濕陷性黃土加固達(dá)8m，經(jīng)強(qiáng)夯設(shè)計(jì)計(jì)算，需8000kN·m能級(jí)方能達(dá)到有效加固深度。根據(jù)以上強(qiáng)夯能級(jí)，按擬采用的施工機(jī)械、夯錘、布點(diǎn)形式、夯擊遍數(shù)、置換深度等進(jìn)行測(cè)算，綜合單價(jià)近59元/m3，施工成本高，故強(qiáng)夯于本項(xiàng)目而言，施工成本高。

2.2.4 灰土擠密樁

相對(duì)于換填土，灰土擠密樁避免了開(kāi)挖及換填，故減少土方開(kāi)挖及換填的工程量，施工工期節(jié)約超50%。由于不受開(kāi)挖和回填的限制，灰土擠密樁可以深層加固，處理深度大，能夠很容易進(jìn)行本項(xiàng)目深度8m土層的加固處理。經(jīng)對(duì)灰土擠密樁的綜合單價(jià)進(jìn)行分析，綜合單價(jià)僅20.3元/m3，施工效益良好。

經(jīng)技術(shù)比較及經(jīng)濟(jì)分析，本項(xiàng)目濕陷性黃土采用最終采用灰土擠密樁進(jìn)行加固處理。

3? 灰土樁加固參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 樁孔直徑

當(dāng)設(shè)計(jì)樁徑d偏小時(shí)，則需增加樁數(shù)，即提高打樁和回填的工作量;但采用過(guò)大樁徑，則樁間土擠壓密實(shí)度不足，導(dǎo)致消除濕陷性效果不佳。且大樁徑對(duì)成孔設(shè)備要求高。故樁徑通常為300～450mm，根據(jù)本項(xiàng)目成孔方法及所選成孔設(shè)備，樁徑設(shè)計(jì)為0.4m。

3.2 處理深度及寬度

本項(xiàng)目為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，處理地基以下的全部濕陷性土層。

處理寬度超路基邊緣線、結(jié)構(gòu)物外緣線以外2m。

3.3 樁位及樁距

灰土樁的擠密效果與樁距有關(guān)。而樁距的確定又受原狀土的干密度和孔隙比影響。需通過(guò)試驗(yàn)或計(jì)算確定設(shè)計(jì)樁距。

①樁位呈等邊三角形布設(shè)，樁間距（s）通常為2.0～2.5倍樁徑;

②或按估算（m）。

—樁間土最大干密度（t/m3）;原狀土的平均干密度（t/m3）;—處理后樁間土平均擠密系數(shù)（不宜小于0.93），對(duì)一般工程不應(yīng)小于0.9;d為樁孔直徑（m）。將本項(xiàng)目土體物理力學(xué)指標(biāo)、處理要求及擠密樁參數(shù)等代入上式中，經(jīng)計(jì)算得樁徑0.96m。結(jié)合本項(xiàng)目施工所用機(jī)械設(shè)備及以往類似項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，擬采用的樁距為0.9m，按等邊三角形布設(shè)。

3.4 填料及壓實(shí)系數(shù)

孔內(nèi)的填料消石灰與土的體積配合比為3：7。

要求樁心土壓實(shí)系數(shù)λc≥0.95;樁間土ηc≥0.90。

并于樁頂標(biāo)高以上設(shè)計(jì)400mm厚灰土（消石灰與土的體積配合比為2：8）墊層，墊層壓系統(tǒng)lc≥0.95。

3.5 施工成樁工藝的選擇

本項(xiàng)目采用沉管成孔，即采錘擊打樁機(jī)將帶樁尖的特制管樁打入土層，達(dá)到設(shè)計(jì)處理深度后慢慢拔管而成孔。沉管法成孔的孔形規(guī)整、孔壁光滑，施工技術(shù)及擠密效果易于控制，質(zhì)量得到保證，且常用的沉管樁機(jī)與本項(xiàng)目樁管直徑、長(zhǎng)度等相適應(yīng)，能夠取得較好的加固質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。

4? 試樁

大面積黃土地基擠密樁處理前，先進(jìn)行試樁，并采用平板載荷試驗(yàn)，以驗(yàn)證經(jīng)處理后的復(fù)合地基承載力能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值fK≥200kPa的要求。

完成試樁后，選取了代表性的4組單位樁進(jìn)行復(fù)合地基平板靜力載荷試驗(yàn)。壓載荷板的面積為0.81m2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的P-S曲線見(jiàn)圖1和表1所示。

由圖1、表1的灰土樁處理濕陷性黃土復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果可得，灰土樁地基處理后的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fK達(dá)到≥200kPa的要求。

5? 施工質(zhì)量試驗(yàn)檢測(cè)

5.1 擊實(shí)試驗(yàn)

采用SJ-Q型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀進(jìn)行本項(xiàng)目的擊實(shí)試驗(yàn)。地基原狀土的最大干密度為1.67g/cm3，最佳含水量為19.5%。樁體灰土的最大干密度為1.73g/cm3，最佳含水量為18.6%。

測(cè)試數(shù)據(jù)于表2、表3所示。

對(duì)表2、表3的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析可得，采用以上設(shè)計(jì)參數(shù)的灰土擠密樁進(jìn)行地基加固的樁心填料、樁間土的壓實(shí)及擠密效果滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 處理后的黃土濕陷性試驗(yàn)

進(jìn)行灰土樁處理后的黃土濕陷性變化試驗(yàn)，以測(cè)定地基經(jīng)灰土擠密處理后是否還具有濕陷性。試驗(yàn)采用單線法進(jìn)行。具有代表性的測(cè)坑測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可看出，在不同壓力情況下，不同土層的濕陷系統(tǒng)數(shù)均小于0.015，按國(guó)內(nèi)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004）的要求，可判定經(jīng)灰土擠密樁處理后的地基土已消除了濕陷性，達(dá)到處理的目的。

6? 施工關(guān)鍵技術(shù)

①在夯填施工前應(yīng)進(jìn)行夯填工藝試驗(yàn)，確定合理的分次填料量和夯擊次數(shù)。

②成孔施工時(shí)地基土宜接近最優(yōu)含水量，若含水量低于15%，則采取增濕措施，即在擠密樁施工前4～6d，設(shè)置合適數(shù)量和深度的滲水孔進(jìn)行滲水增濕，使增濕水均勻地滲入原狀土層中。

③灰土擠密樁的施工處理順序。本項(xiàng)目灰土擠密樁處理的線路長(zhǎng)，總體采取分段施工。對(duì)于處理面積較大段落，從道路中線向外間隔1～2孔進(jìn)行。當(dāng)進(jìn)行局部小面積處理時(shí)，采取從外向里間隔1～2孔的順序進(jìn)行。

④成孔后需將孔底夯實(shí)，并按施工規(guī)范要求對(duì)樁孔的直徑、深度和垂直度進(jìn)行抽樣檢查，樁孔的垂直度偏差控制在1.5%內(nèi);樁孔中心點(diǎn)的偏差控制在樁距設(shè)計(jì)值的5%內(nèi)。

向孔內(nèi)填料前，孔底應(yīng)夯實(shí)，并應(yīng)抽樣檢查樁孔的直徑、深度和垂直度;樁孔的垂直度偏差不宜大于1.5%。成孔檢測(cè)合格后，按設(shè)計(jì)要求將拌制合格的灰土分層填入孔內(nèi)直至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并分層認(rèn)真夯實(shí)。

⑤處理時(shí)，全程安排專人對(duì)成孔、回填質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)做好施工記錄。當(dāng)原狀土與勘察、設(shè)計(jì)資料不符，需立即停工處理。查明原因并采取有效處理措施后，方能繼續(xù)施工。

⑥如成孔后的樁內(nèi)有滲水、涌水或是積水等現(xiàn)象時(shí)，可將孔內(nèi)水抽排干凈，或采用混凝土樁體、碎石樁替代水下部分的樁體，水上部分樁體還為灰土樁。

⑦施工中樁體出現(xiàn)堵塞、縮頸、孔內(nèi)土體坍塌、擠密成孔困難時(shí)，采取如下措施進(jìn)行處理：1）當(dāng)土體含水量過(guò)大，并發(fā)生較嚴(yán)重縮頸時(shí)，將塊狀生石灰、水泥干灰、粉煤灰、干砂、碎磚碴等填入孔內(nèi);當(dāng)含水量過(guò)小時(shí)，先浸水增濕，使土體達(dá)到或臨近最優(yōu)含水量后再繼續(xù)施工;2）遵守成孔順序，由外向里間隔進(jìn)行（硬土由里向外）;3）施工時(shí)成孔一個(gè)，夯填一個(gè)，或是隔幾孔跳打夯填;4）合理控制擠密樁的有效擠密范圍。

7? 結(jié)束語(yǔ)

①本項(xiàng)目竣工后，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的沉降觀測(cè)，地基穩(wěn)定無(wú)變形，工程實(shí)踐表明，灰土擠密樁用于濕陷性黃土地基時(shí)，不論是消除土的濕陷性還是提高地承載力都是效果明顯的。

②施工實(shí)踐表明，如果原狀土的含水量超過(guò)24%、飽和度大于65%，成孔和拔管施工時(shí)，容易出現(xiàn)樁孔縮頸和樁周土體隆起等問(wèn)題，達(dá)不到要求的擠密效果。故地下水位以下或是處于細(xì)飽和帶的土層不適合采用沉管成孔工藝。

③擠密效果受原狀土天然含水量的影響較大，當(dāng)原狀土接近最優(yōu)含水量時(shí)，土體呈塑性狀態(tài)，可達(dá)到最佳擠密效果。當(dāng)含水量過(guò)小時(shí)，土體堅(jiān)硬狀態(tài)時(shí)，則降低了有效擠密區(qū)。當(dāng)含水量過(guò)大時(shí)，由于擠壓會(huì)出現(xiàn)超孔隙水壓力，導(dǎo)致不能擠密土體，且擾動(dòng)降低了孔壁周邊土體強(qiáng)度，拔管時(shí)容易產(chǎn)生縮頸等質(zhì)量情況。

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作者簡(jiǎn)介：王亮（1985-），男，河北廊坊人，畢業(yè)于河北建筑工程學(xué)院，研究方向?yàn)槭┕ぜ夹g(shù)。