自重濕陷性黃土擠密處理后剛性樁側(cè)阻力的確定

張森安 曹程明 項(xiàng)龍江 龍 照

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州 730000)

0 引言

近年來，隨著蘭州市城市規(guī)模的迅速擴(kuò)大，工程建設(shè)場地逐步向南北兩山高階地、梁峁地帶及榆中、皋蘭等市區(qū)外圍發(fā)展。在城市外圍進(jìn)行大規(guī)模的土地開發(fā)與住宅小區(qū)、高層建筑等工程建設(shè)，如羅鍋溝、大沙溝、李麻沙溝等土地開發(fā)區(qū)的工程建設(shè)項(xiàng)目日益增多和彭家坪、晏家坪、五一山、白塔山、大青山等黃土坡麓住宅區(qū)及高層建筑陸續(xù)建設(shè)。工程場地具有大厚度濕陷性黃土、大填大挖等諸多復(fù)雜的工程地質(zhì)問題以及地基處理方法、復(fù)合地基工程特性參數(shù)確定等巖土工程問題。在詳細(xì)的工程地質(zhì)與工程特性參數(shù)評價(jià)基礎(chǔ)上，采用安全、適宜、經(jīng)濟(jì)地基方案，對此類工程的建設(shè)及安全使用具有重要意義。本文以我院近年來進(jìn)行工程為例，就蘭州自重濕陷性黃土擠密法處理后剛性樁側(cè)阻力確定進(jìn)行了探討。

1 擠密法地基處理

1．1 擠密法地基處理試驗(yàn)區(qū)

試驗(yàn)場地地基土分為人工填土(Qml4)、黃土狀粉土(Qeol3-4)和離石黃土(Qeol2)。其中，人工填土與黃土狀粉土的天然含水量介于6．0%～20．6%，平均值為 8．6%;孔隙比指標(biāo)變化為 0．706 ～1．041，平均值為0．925。其物性狀態(tài)表現(xiàn)為:稍濕、稍密狀態(tài)，各級壓力下壓縮系數(shù)平均值介于 0．08 MPa－1～0．16 MPa－1之間，壓縮模量平均值介于17．90 MPa～33．34 MPa之間，屬中 ～低壓縮性土，均為Ⅳ級自重(很嚴(yán)重)濕陷性場地。根據(jù)擬建建筑物基礎(chǔ)埋深，為了加大處理濕陷性土層深度，試驗(yàn)區(qū)試坑按擬定基礎(chǔ)埋深標(biāo)高進(jìn)行開挖，一般自現(xiàn)地面開挖8 m～11 m;對天然濕陷性土層進(jìn)行增濕，使含水量接近最優(yōu)含水量。設(shè)立試驗(yàn)區(qū)為:

1)沉管擠密試驗(yàn)區(qū):試驗(yàn)區(qū)范圍35 m×32 m，試坑以下濕陷性土層厚為18．35 m。擠密樁成孔直徑為450 mm，樁孔心距1．0 m，呈梅花形布設(shè)，置換率為0．184，擠密樁長12m。處理深度范圍增濕后含水量平均為13．5%;擠密樁孔回填料采用素土與2∶8灰土而使試驗(yàn)區(qū)形成兩個(gè)亞區(qū)。2)預(yù)成孔夯擴(kuò)擠密試驗(yàn)區(qū):試驗(yàn)區(qū)范圍35 m×30 m，試坑以下濕陷性土層厚為33．35 m。夯擴(kuò)擠密樁成孔直徑為700 mm，樁孔心距1．4 m，呈梅花形布設(shè)，置換率為0．426，擠密樁長12 m。處理深度范圍增濕后含水量平均為13．9%;夯擴(kuò)擠密樁孔回填料采用素土。

1．2 擠密法地基處理效果

1)沉管擠密復(fù)合地基。在沉管擠密樁施工完成15 d后，進(jìn)行樁身、樁間土與三樁間的壓實(shí)度、擠密系數(shù)以及濕陷性、壓縮性檢測，同時(shí)進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。檢測結(jié)果表明:

樁身壓實(shí)度在0．80～0．99間，平均為0．92，但素土樁身壓實(shí)度好于灰土;三樁間土最小擠密系數(shù) 0．81 ～0．95，平均為 0．90，灰土回填料擠密效果好于素土。消除樁間土濕陷性，使壓縮性降低，變?yōu)榈蛪嚎s性土。

2)夯擴(kuò)擠密復(fù)合地基。進(jìn)行樁身、樁間土與三樁間的壓實(shí)度、擠密系數(shù)以及濕陷性、壓縮性檢測，同時(shí)進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。檢測結(jié)果表明:

樁身壓實(shí)度在0．79～0．99間，平均為0．93;三樁間土最小擠密系數(shù)0．81～0．99，平均為0．89。消除樁間土濕陷性，使壓縮性降低，變?yōu)榈蛪嚎s性土。

處理前后樁間土干密度與壓縮模量變化見圖1，單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線見圖2。

圖1 沉管、夯擴(kuò)擠密處理前后樁間土干密度與壓縮模量變化

從圖1可見，沉管擠密后樁間土干密度、模量較夯擴(kuò)擠密增幅大，表明沉管擠密效果好;且其隨深度差異變化較小，均勻性較好;而夯擴(kuò)擠密差異變化較大，均勻性較差，在20 m以下壓縮模量與天然基本一致，表明處理效果差。從圖2擠密復(fù)合地基載荷試驗(yàn)可見:在最大加荷500 kPa壓力下，變形隨壓力增加而增大，基本呈直線形態(tài);沉管黃土灰土夯擴(kuò)樁復(fù)合地基變形量大，沉管灰土擠密復(fù)合地基變形量次之，沉管素土擠密復(fù)合地基變形量最小。復(fù)合地基變形模量均大于25 MPa。

圖2 擠密單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線

2 擠密處理后剛性樁側(cè)阻力確定

2．1 剛性試驗(yàn)樁布設(shè)

在沉管、夯擴(kuò)擠密樁處理區(qū)內(nèi)布設(shè)剛性空底樁，樁長10 m、樁徑1 000 mm，布設(shè)抗壓與抗拔剛性間距2 800 mm×2 800 mm，呈四邊形布設(shè);樁底空樁長度500 mm，剛性樁布設(shè)見圖3。

圖3 剛性試驗(yàn)樁布設(shè)示意圖

2．2 剛性樁側(cè)阻力分析

在不同擠密處理試驗(yàn)區(qū)空底剛性樁，進(jìn)行剛性樁的樁載荷試驗(yàn)與抗拔試驗(yàn);典型試驗(yàn)成果曲線見圖4～圖6。

圖4 沉管擠密剛性樁樁載與抗拔試驗(yàn)曲線

圖5 夯擴(kuò)擠密剛性樁樁載與抗拔試驗(yàn)曲線

圖6 不同狀態(tài)空底剛性樁載荷試驗(yàn)曲線

表1 空底剛性樁載荷試驗(yàn)樁側(cè)阻力成果表

表2 空底剛性樁抗拔試驗(yàn)樁側(cè)阻力成果表

從圖4～圖6以及表1，表2可見:樁側(cè)阻力與樁頂變形隨加荷增加而增大。沉管擠密試驗(yàn)區(qū)抗壓載荷試驗(yàn)的承載力對應(yīng)變形量為9．65 mm ～9．88 mm，樁側(cè)阻力64 kPa～81 kPa;而抗拔載荷試驗(yàn)的承載力對應(yīng)變形量為3．0 mm～5．89 mm，樁側(cè)阻力56 kPa～70 kPa。夯擴(kuò)擠密試驗(yàn)區(qū)抗壓載荷試驗(yàn)的承載力對應(yīng)變形量為5．90 mm ～6．71 mm，樁側(cè)阻力86 kPa～117 kPa;飽和狀抗壓載荷試驗(yàn)的承載力對應(yīng)變形量為8．04 mm～19．18 mm，樁側(cè)阻力51 kPa～54 kPa;而抗拔載荷試驗(yàn)的承載力對應(yīng)變形量為3．0 mm～6．97 mm，樁側(cè)阻力87 kPa～93 kPa。

圖7 擠密后剛性樁側(cè)土孔隙比變形

擠密處理后改良樁側(cè)土的物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)樁側(cè)阻力，也使樁側(cè)阻力得到充分發(fā)揮。夯擴(kuò)擠密區(qū)剛性樁樁側(cè)阻力大于沉管擠密區(qū)，由于夯擴(kuò)擠密置換率遠(yuǎn)大于沉管擠密，同時(shí)夯擴(kuò)擠密區(qū)剛性樁樁側(cè)與夯擴(kuò)擠密樁體面積大;使剛性樁樁側(cè)阻力提高40%;同時(shí)夯擴(kuò)擠密的剛性樁樁頂變形量小于沉管擠密的剛性樁的約50%，各試驗(yàn)樁抗壓變形大于抗拔變形;樁側(cè)阻力抗壓試驗(yàn)大于抗拔試驗(yàn);樁側(cè)土非飽和狀其樁側(cè)阻力是飽和狀1倍。

2．3 剛性樁側(cè)阻力確定

對擠密處理后樁間土進(jìn)行檢測，在10 m深度范圍內(nèi)，擠密前地基土孔隙比與不同擠密工藝樁間土孔隙比見圖7。

根據(jù)現(xiàn)行樁基規(guī)范與試驗(yàn)成果，剛性樁側(cè)阻力評價(jià)結(jié)果見表3。

表3 空底剛性樁側(cè)阻力評價(jià)表

從表3可見:沉管擠密后空底剛性樁側(cè)阻力與現(xiàn)行規(guī)范基本一致;而夯擴(kuò)擠密后空底剛性樁側(cè)阻力比現(xiàn)行規(guī)范增加1倍，其浸水飽和狀后空底剛性樁側(cè)阻力為50 kPa，接近現(xiàn)行規(guī)范。表明剛性樁側(cè)阻力不僅與擠密后樁間土狀態(tài)、孔隙比等密切相關(guān)，同時(shí)與擠密處理的加強(qiáng)樁體形狀、大小、置換率以及剛性樁布設(shè)也是密切相關(guān)，剛性樁側(cè)阻力與接觸面積直接相關(guān)。

3 結(jié)語

1)擠密法處理自重濕陷性黃土場地濕陷性是有效方法，擠密法處理后剛性樁側(cè)阻力為正摩阻力，其樁側(cè)阻力與擠密處理的加強(qiáng)樁體形狀、大小、置換率以及剛性樁布設(shè)也是密切相關(guān)，剛性樁側(cè)阻力與接觸面積直接相關(guān)。

2)擠密樁體對剛性樁有摩擦懸掛作用，同時(shí)對樁間土有約束限制作用，阻礙土的下沉變形和側(cè)向擠出，擠密處理的置換率大及剛性樁側(cè)阻力大。

3)擠密后剛性樁側(cè)阻力僅是試樁結(jié)果，建議對剛—柔樁復(fù)合地基應(yīng)通過大型現(xiàn)場試驗(yàn)、樁基試驗(yàn)與工程實(shí)例，對大厚度自重濕陷性黃土的剛性樁的承載性狀和摩阻力與剛—柔樁復(fù)合地基等問題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。

［1］錢鴻縉，王繼唐．濕陷性黃土地基［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985．

［2］GB 50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］．

［3］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［4］閆 昱，李卓凡．濕陷性黃土地區(qū)地基的施工方法［J］．山西建筑，2012，38(1):79-80．