灰土擠密樁加固濕陷性黃土地基效果分析

杲 斐 呂擎峰

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000;2.中鐵二十一局集團(tuán)第五工程有限公司，甘肅蘭州 730000)

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔隙和垂直節(jié)理，地基在正常含水量情況下，其承載力一般能夠滿足結(jié)構(gòu)荷載要求，但在浸水時(shí)它的荷載能力會(huì)急劇下降消失，致使地基大幅度的快速下沉產(chǎn)生濕陷。這種變形往往是在局部或突然發(fā)生的，而且很不均勻，對(duì)結(jié)構(gòu)物破壞性很大，危害極其嚴(yán)重，所以消除黃土的濕陷性成為濕陷性黃土地層中路基工程施工的重點(diǎn)。當(dāng)前國內(nèi)外采用的地基處理的途徑主要有三個(gè)方面:土體加密、土體加固和荷載傳遞方法，灰土擠密樁法加固濕陷性黃土地基為典型的土體加密法［1］。本文通過對(duì)蘭州至重慶鐵路工程蘭州市榆中縣境內(nèi)的濕陷性黃土地基的加固，分析采用灰土擠密樁加固大厚度自重濕陷性黃土場地地基的效果。

1 工程地質(zhì)概況

蘭州至重慶鐵路是西部大開發(fā)、全面建設(shè)小康和諧社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是連接西北和西南的鐵路大動(dòng)脈，按照時(shí)速200 km/h的客貨共線設(shè)計(jì)。我公司承擔(dān)的DK20+000～DK22+000段路基工程位于蘭州市榆中縣金崖鎮(zhèn)宛川河南岸階地，地形相對(duì)平緩，路堤最大填土高度16 m，鉆探揭示工點(diǎn)范圍內(nèi)地層自上而下分別為①第四系上更新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土，厚度5 m～31 m，淺黃色，顆粒成分以粉粒為主，具孔隙，土質(zhì)均勻，潮濕，稍密。Ⅱ級(jí)普通土，σ0=120 kPa;②細(xì)圓粒土，層狀分布于砂質(zhì)黃土底部，厚度大于10 m，夾有砂質(zhì)黃土薄層，青灰色，礫石成分多為粒巖、石英巖，渾圓狀為主，粒徑大于20 mm約占20%，2 mm～20 mm約占50%，余為砂土填充，中密、潮濕，Ⅱ級(jí)普通土，σ0=450 kPa。第四系上更新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土為自重濕陷性黃土，濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)，濕陷層厚20 m，為典型的大厚度自重濕陷性黃土場地。根據(jù)靜力觸探成果分析，地面以下12 m的Ps＜3 MPa，為松軟土。地表水不發(fā)育，勘查探孔內(nèi)未見地下水。取工點(diǎn)范圍內(nèi)110個(gè)點(diǎn)位做黃土層的物理力學(xué)試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)(見表1)。

2 技術(shù)要求及施工情況

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

為消除黃土的濕陷性和提高地基承載力，設(shè)計(jì)對(duì)路基地段黃土地基采用灰土擠密樁處理，樁徑0.4 m，樁間距1.0 m，樁長8 m，樁位呈梅花形布設(shè)，路堤地段處理范圍為坡腳外2 m～3 m，路塹地段處理范圍為路肩以外2 m～3 m(見圖1)，樁孔內(nèi)夯填二八灰土，地基處理范圍填筑5%水泥改良土作為上承層。樁內(nèi)二八灰土壓實(shí)系數(shù)(K)不小于0.97，樁間土擠密系數(shù)(nc)不小于0.93，并且消除濕陷性。處理后復(fù)合地基承載力不小于180 kPa。

圖1 灰土擠密樁樁位平面布置示意圖（單位：m）

2.2 加固機(jī)理

灰土擠密樁在施工過程中因沖擊振動(dòng)而對(duì)樁周土體充分?jǐn)_動(dòng)，使大孔隙黃土的原有結(jié)構(gòu)受到破壞，樁間土受到很大側(cè)向擠壓力變得結(jié)構(gòu)緊密，形成了強(qiáng)制擠密區(qū)、擠密區(qū)以及擠密影響區(qū)，提高了樁周土體模量，減小了地基整體壓縮變形［2］。又因?yàn)闃扼w是由石灰和土拌和夯填而成，其作用原理是石灰和土拌合物通過離子交換、凝硬反應(yīng)，以及石灰的碳化與結(jié)晶等物理化學(xué)反應(yīng)形成具有高強(qiáng)度和大模量的灰土樁，相鄰兩樁或三樁成孔擠密后，使樁周土體干密度進(jìn)一步增大，樁體與樁間共同組成人工復(fù)合地基，從而改善土質(zhì)，降低土體原始孔隙比，使土體由高壓縮性變?yōu)榈蛪嚎s性，以達(dá)到消除濕陷性提高承載力的目的。

2.3 灰土擠密樁施工

根據(jù)地層和試樁情況，施工選用DD2A5型履帶式柴油打樁機(jī)成孔，樁管采用熱軋無縫鋼管，直徑400 mm，壁厚10 mm。成孔后選用夾桿式偏心輪夯實(shí)機(jī)，錘重約260 kg，分層回填灰土。

2.3.1 樁體材料

1)土料:選用純凈的黃土，有機(jī)質(zhì)含量小于2%。使用前過篩，粒徑不得大于15 mm，含水量控制在最優(yōu)含水量的3%左右。2)石灰:采用二級(jí)石灰，石灰中活性 CaO，MgO含量不應(yīng)低于50%，粒徑應(yīng)小于5 mm，夾石量不大于5%，未消解的殘?jiān)坎淮笥?1%。使用前24 h加水粉化。3)灰土:用質(zhì)量合格的消石灰和純凈黃土，按2∶8體積比配制，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)最大干密度ρdmax為1.55 g/cm3，最優(yōu)含水率Wopt為17%。施工時(shí)在接近最優(yōu)含水量(15%～19%)的情況下拌和均勻，隨拌隨填，不得隔日使用。

2.3.2 施工準(zhǔn)備

施工前檢測地基土的含水量、飽和度，當(dāng)?shù)鼗恋暮啃∮?2%或大于24%、飽和度大于65%時(shí)不能施工。處理區(qū)段地基土的含水量宜接近最佳含水量，當(dāng)土的含水量低于12%時(shí)，對(duì)處理范圍內(nèi)的土層進(jìn)行增濕。增濕處理應(yīng)在地基處理前4 d～6 d完成，需增濕的水通過一定數(shù)量和一定深度的滲水孔均勻地滲入處理范圍的土層中。

2.3.3 施工工藝

1)定樁位:首先將控制軸線引至工作面，打木樁固定，防止偏移，然后按設(shè)計(jì)要求樁間距進(jìn)行布點(diǎn)，樁點(diǎn)布置完畢，用石灰標(biāo)記樁位。2)樁機(jī)就位:根據(jù)樁基軸線標(biāo)出樁位線并復(fù)測后，移動(dòng)樁機(jī)至樁孔位置，機(jī)身應(yīng)平穩(wěn)，管樁應(yīng)對(duì)樁孔對(duì)正，并確保施工中不發(fā)生傾斜、位移。3)成孔:采用沉管法成孔，隔行、隔排跳打法施工(見圖2)，每個(gè)樁位成孔前必須保證樁機(jī)平整、穩(wěn)固，沉管垂直，沉管尖對(duì)準(zhǔn)樁位點(diǎn)，并在沉管上用紅漆標(biāo)明成孔深度指示線。樁位水平偏差不得超過樁距的5%，樁孔垂直度偏差不得超過樁長的1.5%。成孔施工順序先外排后內(nèi)排，同排樁間隔進(jìn)行。4)灰土拌制:灰土按要求配比，采用機(jī)械拌制至顏色均勻一致，邊拌邊加水至含水量達(dá)其最優(yōu)。5)樁孔回填夯實(shí):根據(jù)試樁數(shù)據(jù)，選用夾桿式夯實(shí)機(jī)，錘重約260 kg，夯機(jī)就位后，使夯錘尖對(duì)準(zhǔn)孔中心，保證夯錘自由落入孔底，避免孔口及孔壁的碰撞。就位后先底夯8次，再填料夯實(shí)，嚴(yán)格控制填料速度，按照每鍬灰土夯擊5次的頻率施工，填料從下向上依次完成。

圖2 灰土擠密樁隔排隔行跳打法施工示意圖

3 地基處理效果分析

灰土擠密樁加固處理成樁后，采用靜載試驗(yàn)確定地基的承載力，現(xiàn)場樁體開剖做樁體的干密度試驗(yàn)以評(píng)價(jià)樁身的夯填質(zhì)量［3］。樁間土開剖檢測全部處理深度內(nèi)的干密度，并將其分別換算成平均壓實(shí)系數(shù)和平均擠密系數(shù);同時(shí)測定全部處理深度內(nèi)樁間土的壓縮性和濕陷性［4］。目的是檢驗(yàn)場地經(jīng)灰土樁加固處理后，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否滿足TB 10414-2003鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

3.1 復(fù)合地基承載力試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)圖紙的要求，復(fù)合地基承載力不應(yīng)小于180 kPa，采用堆載、慢速維持荷載法逐級(jí)加載［5］，試驗(yàn)最大加載量按照復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值的2倍加載達(dá)到360 kPa，分9級(jí)加載，第一級(jí)加載量為48 kN，總堆載量480 kN，承載板采用正方形剛性承壓板，邊長 1.15 m，面積 1.322 5 m2，現(xiàn)場抽取 DK21+150，DK21+260，DK21+370三個(gè)斷面6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制P—S曲線(見圖3)。

圖3 復(fù)合地基承載力試驗(yàn)P—S曲線圖

試驗(yàn)的P—S曲線均無明顯的比例極限，加載至設(shè)計(jì)承載力的2倍即360 kPa(480 kN)均未發(fā)生極限破壞現(xiàn)象。25+150左檢測點(diǎn)終級(jí)荷載下總沉降33.7 mm，P—S曲線平緩光滑。25+150右檢測點(diǎn)終級(jí)荷載下總沉降28 mm，P—S曲線平緩光滑。25+260左檢測點(diǎn)終級(jí)荷載下總沉降37.7 mm，P—S曲線平緩光滑。25+260右檢測點(diǎn)終級(jí)荷載下總沉降37mm，P—S曲線仍平緩光滑。25+370左檢測點(diǎn)終級(jí)荷載下總沉降33.3 mm，P—S曲線平緩光滑。25+370右檢測點(diǎn)終級(jí)荷載下總沉降30.47 mm，P—S曲線仍平緩光滑。各點(diǎn)試驗(yàn)曲線尾部均無明顯拐點(diǎn)出現(xiàn)。根據(jù)TB 10014-2003鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程規(guī)定的方法來進(jìn)行計(jì)算，取相對(duì)沉降S/b值所對(duì)應(yīng)的荷載強(qiáng)度為σ0，地層為砂質(zhì)黃土，稍密，故S/b取0.016，計(jì)算的 S為18.4 mm，P—S圖顯示所對(duì)應(yīng)值均大于極限荷載的一半(240 kN)，240 kN處對(duì)應(yīng)承載力為180 kPa。由此可知，6臺(tái)靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)復(fù)合地基極限承載力均大于360 kPa，承載力特征值均大于180 kPa。

3.2 樁體灰土壓實(shí)效果試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，樁體2∶8灰土壓實(shí)系數(shù)不小于0.97，施工過程中及時(shí)取出樁身灰土原狀試樣，測試其干密度。由于樁長8 m，采用開剖的方式挖探井進(jìn)行檢測，分別在樁頂、樁頂以下每1 m范圍內(nèi)取土樣測定干密度，每根樁取樣8個(gè)點(diǎn)，6根樁總共取樣48個(gè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2)。

表2 樁身2∶8灰土的干密度及壓實(shí)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了每根樁的最大值、最小值，計(jì)算了平均值，其中4點(diǎn)的壓實(shí)系數(shù)小于0.97，最小為0.95，占總數(shù)的8%，壓實(shí)系數(shù)大于0.97的點(diǎn)位44個(gè)，占總數(shù)的92%，壓實(shí)效果良好，能夠滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

3.3 樁間土處理效果試驗(yàn)

樁間土試驗(yàn)，采用開挖探井的方式取樣，自樁頂以下每1 m取土樣測定干密度，進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)，計(jì)算擠密系數(shù)、濕陷系數(shù)和壓縮模量，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表3)。

工點(diǎn)范圍內(nèi)黃土的最大干密度ρdmax為1.74 g/cm3，最優(yōu)含水率Wopt為16%。擠密系數(shù)為干密度與最大干密度的比值，檢測6個(gè)探井共計(jì)48個(gè)點(diǎn)位擠密后的干密度經(jīng)灰土擠密樁處理后樁間土的擠密系數(shù)最大值為0.98，最小值為 0.93，平均為0.95;壓縮模量最大值為 35.1 MPa，最小值為 15.2 MPa，平均值為 21.9 MPa;濕陷性系數(shù)最大值為0.013，最小值為0.003，平均值為 0.007;自重濕陷性系數(shù)最大值為0.014，最小值為0.002，平均值為0.006。繪制分布狀態(tài)圖見圖4。

表3 灰土擠密樁處理后樁間土主要物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

圖4 樁間土干密度散點(diǎn)分布圖

4 結(jié)語

1)6個(gè)點(diǎn)位的單樁復(fù)合地基試驗(yàn)均加載到設(shè)計(jì)值的2倍以上，由P—S曲線可見，曲線平緩光滑，在各級(jí)荷載作用下，隨著荷載的增加，承壓板沉降量增加較均勻，且能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。在最大荷載作用下，累計(jì)沉降量均小于69 mm，通過分析承載力特征值不小于180 kPa，滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。2)樁體2∶8灰土的壓實(shí)系數(shù)不小于0.97的占總數(shù)的90%以上，滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。個(gè)別樁位樁體的灰土壓實(shí)系數(shù)偏小，分析原因?yàn)閵A桿式夯實(shí)機(jī)擺放不平整，導(dǎo)致夾桿傾斜，使得夾桿和錘體在自由下落時(shí)碰撞孔壁影響了夯實(shí)效果，在后續(xù)施工中要保證場地的平整度和確保夾桿式夯實(shí)機(jī)的整平。3)通過分析樁間土的干密度分布規(guī)律，可知樁間土擠密效果自下而上衰減，臨近地表附近的擠密效果最差，樁底附近的樁間土擠密效果最好，在進(jìn)行樁間土檢測時(shí)可利用此規(guī)律，著重檢測樁間土地表附近的擠密效果，施工時(shí)注意卡控樁頂部位的施工質(zhì)量。4)經(jīng)灰土擠密樁處理后，樁間土的擠密系數(shù)、壓縮模量、濕陷系數(shù)、自重濕陷性系數(shù)均符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，干密度增加了14.2%，壓縮模量增大了102%，濕陷性系數(shù)降低了91.8%，自重濕陷性系數(shù)降低了68%，達(dá)到了預(yù)期的處理效果。5)我公司承擔(dān)的蘭渝鐵路DK20+000～DK22+000段路基工程采用灰土擠密樁加固濕黃土地基的施工是成功的，施工各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足TB 10414-2003鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求?；彝翑D密樁加固大厚度濕陷性黃土地基加固效果好，工藝簡單、經(jīng)濟(jì)，應(yīng)在濕陷性黃土地區(qū)鐵路工程地基加固中廣泛推廣。

［1］李時(shí)寧.石灰樁膨脹法加固濕陷性黃土的理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2005:4-5.

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［4］TB 10414-2003，鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］TB 10041-2003，鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程［S］.