水泥土擠密樁復(fù)合基礎(chǔ)處理研究

劉福春

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼陽(yáng) 111010）

水泥土擠密樁法是軟土地基加固處理的方法之一，是指用沖擊或振動(dòng)方法，把圓柱形鋼質(zhì)樁管打入原地基，拔出后形成樁孔，然后進(jìn)行水泥土物料的回填和夯實(shí)，從而形成直徑增大的樁體，并同原地基一起形成復(fù)合地基[1]。通常在強(qiáng)度低、易變形的濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用較廣[2]，以往工程實(shí)例表明摻入水泥土擠密樁后能改善地基承載能力[3]。

選擇某客運(yùn)專線DK663+209.07～DK665+839.75段作為研究對(duì)象，對(duì)不同里程的路基段進(jìn)行相應(yīng)的路基處理，包括施工工序及方法，對(duì)路基進(jìn)行沉降檢測(cè)。在參考擠密樁在隧道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中改善黃土濕陷性的運(yùn)用的基礎(chǔ)上，采用水泥土擠密樁加固地基[4]。

1 工程概況及水泥土擠密樁原理

1.1 工程簡(jiǎn)介

某客運(yùn)專線DK663+209.07～DK665+839.75線路位于山西省運(yùn)城市鹽湖區(qū)、臨猗縣和永濟(jì)市境內(nèi)，線路東起運(yùn)城北出站端（DK653+500），向西跨越河津至運(yùn)城公路（規(guī)劃），在永濟(jì)市北設(shè)永濟(jì)北站后至標(biāo)段終點(diǎn)（DK701+924.11），標(biāo)段全長(zhǎng)47.683 km。

1.2 工程地質(zhì)

沿線地貌單元位于涑水河一級(jí)階地、黃河三級(jí)階地。地勢(shì)開(kāi)闊，地形較平坦，總體西高東低，北高南低。沿線出露地層主要有第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)為主，上部以第四系全新統(tǒng)沖積、上更新統(tǒng)沖湖積砂質(zhì)黃土和黏質(zhì)黃土為主，下部為第四系沖湖積粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂土、細(xì)砂層。

沿線所經(jīng)地區(qū)水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，主要分為地表水和地下水，地下水主要有第四系孔隙潛水、承壓水兩種類型。涑水河一級(jí)階地區(qū)：地下水位主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于全新統(tǒng)沖積砂類土和黃土層中，地下水位埋深2～10 m。黃河三級(jí)階地區(qū)：地下水位主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于上更新統(tǒng)沖積砂類土中，地下水位埋深一般大于10 m。沿線各河流地表水水質(zhì)較好，對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性。

1.3 水泥土擠密樁施工

1.3.1 水泥土擠密樁的作用機(jī)理

水泥土擠密樁是將水泥和土料在孔外充分拌勻然后回填孔內(nèi)并強(qiáng)力夯實(shí)形成具有一定強(qiáng)度的水泥土加固體，在此過(guò)程中，水泥和土體發(fā)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，起到了夯實(shí)擠密作用[5-6]。

（1）膠結(jié)作用

水泥和土體攪拌后，通過(guò)水解和水化反應(yīng)生成可持續(xù)硬化的水化產(chǎn)物，有的顆粒通過(guò)離子交換使小顆粒凝結(jié)，其余則通過(guò)水泥自身水解增強(qiáng)吸附性而進(jìn)一步膠結(jié)。

（2）夯實(shí)擠密作用

在夯擊動(dòng)力作用下土體結(jié)構(gòu)會(huì)重新進(jìn)行排列，體積壓縮，密度增大，形成夯實(shí)水泥土的密實(shí)強(qiáng)度。

1.3.2 樁間地基土的作用機(jī)理

水泥土擠密樁按照樁的成孔方式可分為擠土水泥土擠密樁和排土水泥土擠密樁兩種。類似灰土擠密樁的側(cè)向擠密[7]，水泥土擠密樁是利用振動(dòng)沉管或沖擊成孔，由于成孔時(shí)的側(cè)向擠壓作用，使得樁間土得到第一次擠密，然后在樁孔內(nèi)用水泥土拌合料分層夯填密實(shí)，夯填過(guò)程中，又對(duì)樁間土進(jìn)行第二次擠密。排土水泥土擠密樁是采用人工洛陽(yáng)鏟或鉆機(jī)成孔，在成孔過(guò)程中并未對(duì)樁間土造成擠密。然后在孔內(nèi)分層回填水泥土拌合料并夯擊密實(shí)，僅在夯填過(guò)程中對(duì)樁間土形成擠密效應(yīng)。

2 水泥土擠密樁的施工工藝

施工之前對(duì)各土層及夾層的強(qiáng)度仔細(xì)勘測(cè)，有針對(duì)性地選擇施工方式。水泥土擠密樁施工工藝流程為：成孔—制備水泥土一夯填成樁[8-11]。

2.1 成孔

成孔是水泥土擠密樁加固地基的第一步。根據(jù)成孔過(guò)程中取土與否，成孔可分為排土法成孔和擠土法成孔兩種，其中排土法成孔又包括洛陽(yáng)鏟成孔、長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔兩種，擠土法成孔又包括錘擊沉管成孔、振動(dòng)沉管成扎、沖擊成孔3種。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體土質(zhì)及巖層情況，本著針對(duì)突出、靈活結(jié)合原則，文章綜合探討洛陽(yáng)鏟成孔與沖擊成孔。

2.2 水泥土回填夯實(shí)

在向孔內(nèi)填料前，先夯實(shí)孔底。水泥土分層回填夯實(shí)，逐層以量斗定量向樁孔內(nèi)下料，每層回填厚度280～320 mm，采用電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)提升式夯實(shí)機(jī)分層夯實(shí)。

(2015年徐州市中考數(shù)學(xué)卷第26題)如圖1，在矩形OABC中，OA=3，OC=5，分別以O(shè)A、OC所在直線為x軸、y軸，建立平面直角坐標(biāo)系，D是邊CB上的一個(gè)動(dòng)點(diǎn)(不與C、B重合)，反比例函數(shù)的圖象經(jīng)過(guò)點(diǎn)D且與邊BA交于點(diǎn)E，連接DE．

在滿足密實(shí)度和夯實(shí)系數(shù)的要求下，通過(guò)工藝試驗(yàn)確定施工機(jī)具的參數(shù)。夯填前測(cè)量成孔深度、孔徑。回填夯實(shí)采用連續(xù)施工，各樁孔一次性分層回填夯實(shí)，不得間隔停頓或隔日施工以免降低樁的承載力。

應(yīng)保證在碾壓面以下1 m范圍內(nèi)，壓實(shí)度不低于0.9或地基系數(shù)K30≥80 MPa。沖擊碾壓中，保證最后5遍的沉降量不得大于1 cm；強(qiáng)夯施工中，為滿足夯實(shí)系數(shù)要求，由試夯所得夯擊次數(shù)與夯沉量關(guān)系曲線確定最佳夯擊次數(shù)，同時(shí)應(yīng)滿足最后兩擊的平均夯沉量不大于50 mm，夯坑周圍不發(fā)生大的隆起。

2.3 褥墊層施工

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)樁頭破除后的基底進(jìn)行測(cè)量放樣，基底標(biāo)高為-7.450 m，人工清理到設(shè)計(jì)標(biāo)高，基底為卵石層。

（2）第一階段完成后，一次鋪設(shè)330 mm厚級(jí)配碎石，用壓路機(jī)一次壓實(shí)成型，壓實(shí)后標(biāo)高為-7.150 m。碾壓時(shí)適當(dāng)澆水濕潤(rùn)，以利于密實(shí)，每層碾壓最后兩遍的沉降差應(yīng)小于1mm。在基坑?xùn)|面、南面、北面擋墻處，從550 mm高墻頂45°放坡回填級(jí)配碎石至壓實(shí)后褥墊層上面，嚴(yán)格控制好坡度。褥墊層壓實(shí)后，復(fù)核標(biāo)高，統(tǒng)一到達(dá)設(shè)計(jì)要求-7.150 m后，方可進(jìn)行下道工序施工。

3 地基處理數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)路基處理前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，初步判斷路基的處理效果。路基試驗(yàn)斷面共有4個(gè)，分別是DK664+160斷面、DK664+020斷面、DK663+400斷面、DK663+214斷面，文章僅對(duì)DK664+160斷面和DK663+400斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括飽和度、含水率、孔隙比、密度、塑限、液限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、壓縮模量、固結(jié)孔隙比、壓縮系數(shù)、粘聚力、內(nèi)摩擦角、濕陷系數(shù)、干密度、顆粒分析。對(duì)于這些數(shù)據(jù)都進(jìn)行了分析處理，此處只舉出幾個(gè)處理效果比較明顯且具有代表性的分析結(jié)果，包括含水率、塑限與濕陷性。

3.1 含水率

由圖1、圖2可知，斷面DK664+160土體取樣總體處理后的土體在各深度的含水率都有明顯的提高，平均幅度為3%。以3m深土體為例，該處的含水率提高幅度達(dá)到5%。在10m以下的較深的土層，含水率基本保持不變，處理前后的數(shù)值只有2%左右的波動(dòng)。

圖1 DK664+160處各深度含水率

圖2 DK663+400處各深度含水率

在DK663+400斷面處理前后各深度土體取樣含水率基本不變，在12 m深的取樣區(qū)間，其含水率呈現(xiàn)出一種略微波動(dòng)性的持平。含水率平均變化幅度大致為1%。以7 m深土體取樣為例，處理后的含水率比處理前高2%，3 m深土體取樣的含水率相比較處理后的含水率，反而比處理前的低1%。

3.2 塑限

由圖3、圖4可以看出，斷面DK664+160 m各個(gè)深度的塑限在處理前后變化很小，以4.5 m深為例，變化幅度僅1%左右。以6 m深度的取樣數(shù)據(jù)為例，處理前后塑限變化值達(dá)到最大的3%。整體分析塑限數(shù)值的變化，呈現(xiàn)較為一致的上下略微浮動(dòng)，變化不大。

斷面DK663+400各個(gè)深度的塑限在處理前后變化很小，以5m深為例，變化幅度僅1%左右。以6 m深度的取樣數(shù)據(jù)為例，處理前后塑限變化值達(dá)到最大的2%。整體分析塑限數(shù)值的變化，呈現(xiàn)較為一致的上下微小浮動(dòng)，取樣數(shù)值基本持平變化不大。

3.3 濕陷性

類似灰土擠密樁的改善效果[12]，由圖5、圖6可以看出，斷面DK664+160在較淺深度土體的濕陷系數(shù)有一定的降低，總體降低大致在0.03。以3m深的土體取樣為例，土體濕陷系數(shù)由處理前的0.06，降低0.02，濕陷系數(shù)的降低達(dá)到工程中對(duì)不良地基處理的目的。在6m及其以下較深土層濕陷系數(shù)的變化不明顯，幾乎為0。特別指出的是，該斷面在深度分別為1.5m、4.5m和7.5m處，由于缺少一些數(shù)據(jù)，參考價(jià)值不高。

圖3 DK664+160處各深度塑限

圖4 DK663+400處各深度塑限

圖5 斷面DK664+160處各深度濕陷性

圖6 斷面DK663+40處各深度濕陷性

斷面DK663+400在較淺深度土體的濕陷系數(shù)有一定的降低，約為0.05。以6 m深的土體取樣數(shù)據(jù)為例，土體濕陷系數(shù)由處理前的0.07，降低到處理后的0.01，濕陷系數(shù)的降低達(dá)到工程中對(duì)不良地基處理的目的。在7.5 m及其以下土體濕陷系數(shù)出現(xiàn)一些波動(dòng)，數(shù)值為0.02左右，這可能是由于地基處理時(shí)的擾動(dòng)引起的。特別指出的是，該斷面在深度分別為3 m、4.5 m、10.5 m和12 m處，由于缺少一些數(shù)據(jù)，參考價(jià)值不高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)處理前后地基含水率、塑限、濕陷性數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可知：

（1）由水泥土擠密樁處理過(guò)的復(fù)合地基對(duì)濕陷性黃土的強(qiáng)度有明顯提高，能夠有效增強(qiáng)黃土地基的抗變形能力，但對(duì)塑限、地基深層的含水率影響不大，滿足了工程要求。

（2）豐富了在黃土地區(qū)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)研究濕陷性黃土地質(zhì)特性具有一定的參考價(jià)值。

（3）水泥土擠密樁處理地基應(yīng)用廣泛，但對(duì)特殊環(huán)境、不同地質(zhì)條件并存的情況還需更多探索。

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