灰土擠密樁法與砂石樁法于黃土填方地基處理中的應(yīng)用研究

岳鈺杰

（甘肅西苑勘察規(guī)劃設(shè)計有限公司，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

土地資源是人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障，隨著西北地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)如火如荼的進(jìn)行，現(xiàn)有的土地資源已無法滿足當(dāng)下的發(fā)展進(jìn)程[1]。為緩解上述問題，西北地區(qū)某些城市率先開展了“平山造地，上山建城”的措施，采用“水沖淤地”和“機(jī)械推運(yùn)”的手段將原黃土梁峁土體刨挖，然后夯填至溝谷處，達(dá)到均衡地表標(biāo)高的工程目的[2]。由于填土在夯填完成后需一定時間完成自重固結(jié)，并且根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]，填土具有特殊的巖土結(jié)構(gòu)及工程特性，因此對填方地區(qū)的應(yīng)用爭議頗大。根據(jù)調(diào)查，我國西北黃土地區(qū)城市在規(guī)劃建設(shè)時，將低層住宅及廠房規(guī)劃至低填方區(qū)域，而高填方區(qū)域則處于暫置狀態(tài)，局部區(qū)域規(guī)劃為公園用地，一定程度上浪費(fèi)了土地資源。

目前，黃土填方區(qū)主要的地基處理目的為減小地基土的壓縮性和消除濕陷性。李萍、朱彥鵬等[4]～[5]結(jié)合工程實(shí)例，闡述了強(qiáng)夯法在黃土高填方地基中的施工步驟及加固效果，通過對對濕陷性和密實(shí)度等指標(biāo)的檢驗(yàn)，研究該工法的合理性。張云龍[6]以高填方路堤工程為依托，提出了一種分層振動壓實(shí)和重錘補(bǔ)夯相結(jié)合的綜合壓實(shí)方法，并通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、現(xiàn)場施工評估分析等研究其加固效果。梅源[7]采用大型模型試驗(yàn)研究了黃土高填方的變形速率與特征，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)和巖土監(jiān)測研究了強(qiáng)夯、素土樁等處理方案的合理施工參數(shù)。甘厚義、周虎鑫[8]等從原地面地基處理、填料分層填筑設(shè)計、高填方分層填筑設(shè)計等方面提出地基處理施工方法、施工參數(shù)及評價方法。韋峰、姚志華[9]等針對黃土高填方地區(qū)，為尋求合理的虛鋪厚度和沖擊遍數(shù)，對3種虛鋪厚度進(jìn)行了沖擊碾壓試驗(yàn)，為同類工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

綜上，前人的研究重點(diǎn)大都著重考慮消除濕陷性，而針對土體內(nèi)后續(xù)水壓力的消散過程及地基土應(yīng)變的研究相對較少。黃土高填方區(qū)部分位于原黃土溝谷區(qū)，當(dāng)填土自重固結(jié)逐漸完成時，也應(yīng)注意水位的變化。由于填土夯填改變了原地表徑流的排泄渠道，地基土內(nèi)水位很可能呈上升態(tài)勢，因此，在填土區(qū)的地基處理時應(yīng)當(dāng)對地下水的排泄予以考慮，從排水方面減小地基濕陷的可能性。本文以實(shí)際案例出發(fā)，分析了黃土地基破壞機(jī)理，然后采用數(shù)值計算方法，分別研究了灰土樁法及砂石樁法加固方案，并對其加固效果進(jìn)行對比，以期對相似場地的地基處理提供借鑒。

1 案例分析

現(xiàn)以陜北某樓房為研究對象。根據(jù)勘察資料，該樓房位于原沖溝區(qū)域，經(jīng)填土夯填壓實(shí)成建筑場地，最大填筑高度達(dá)29m，場地地層剖面如圖。樓房共6層，采用條形基礎(chǔ)，設(shè)計建筑荷載220KPa?；A(chǔ)施工前，根據(jù)當(dāng)?shù)攸S土地區(qū)處理經(jīng)驗(yàn)采取了灰土墊層加固處理，墊層厚2.5m。

圖1 建筑場地剖面圖

場地內(nèi)填土大部分自重固結(jié)已完成，地下水位線近似直線形，在沖溝位置輕微下凹，基底平均地下水位18m。根據(jù)勘察資料，場地內(nèi)填土濕陷已在樓房建設(shè)前基本完成。由于地基內(nèi)填土厚度不均，再加上填土壓縮性高，樓房基底整體沉降及差異沉降較大，樓體局部出現(xiàn)裂縫，散水破裂，如圖2～3。

圖2 建筑樓體裂縫

圖3 樓體散水裂縫

采用數(shù)值分析手段對上述地基變形進(jìn)行分析研究，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，Midas gts/nx是一款利用尖端的計算機(jī)圖形處理和分析技術(shù)研發(fā)而成的具有全新理念的通用巖土有限元分析軟件，在計算分析中具有分析準(zhǔn)確、計算迅速等優(yōu)點(diǎn)，因此本節(jié)中采用該軟件進(jìn)行模擬分析，分析模型為二維模型，模型尺寸95m×40m，網(wǎng)格劃分如圖4。

圖4 灰土墊層分析模型示意圖

模型內(nèi)計算荷載為220KPa，基底地下水位18m。模型邊界條件分為力學(xué)邊界及排水邊界，網(wǎng)格兩側(cè)約束法向位移，底部約束雙向位移，兩側(cè)及底部設(shè)為排水邊界。計算參數(shù)選取如表1。

表1 模型計算參數(shù)

采用固結(jié)模塊分析，分析階段分為自重固結(jié)、墊層施工、加載荷載及工后穩(wěn)定等四個階段，計算結(jié)果如圖5～圖8。

圖5 固結(jié)完成后后沉降云圖

圖6 加荷結(jié)束后最大剪應(yīng)變云圖

圖7 加荷結(jié)束后超靜孔隙水壓力云圖

圖8 固結(jié)過程中滲流量云圖

y方向位移云圖如圖4所示，沉降趨勢基本呈正鍋底形，在填挖方交界處位移等值線輕微偏移，沉降最大值位于基底中心處，為-19.4cm，基礎(chǔ)邊緣沉降值為-12.1cm，差異沉降達(dá)7.3cm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范[11]中規(guī)定的差異限值。在上述沉降條件下，基礎(chǔ)上部建筑會由于變形值差異過大發(fā)生局部拉裂現(xiàn)象，與調(diào)查結(jié)果一致。位移計算結(jié)果表明，上述場地條件下采用灰土墊層法加固地基并不能有效的控制基底沉降。根據(jù)圖6，地基土的應(yīng)變呈半棗核狀，應(yīng)變最大值為1.2cm，位于基底中心處，且主要集中在填土區(qū)，基底壓力條件下地基土極易發(fā)生破壞。

加荷完成時，地基土體內(nèi)超靜孔隙水壓力達(dá)到最大，最大值為13kPa，位于基底中心地下水位上部。根據(jù)圖7，超靜孔隙水壓力等值線整體呈正鍋底狀，鍋底部位整體向高填方區(qū)偏移。由于Q2黃土結(jié)構(gòu)較填土更致密，滲透性更弱，因此超靜孔隙水壓力主要分布于填土區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果，工后100天后超靜孔隙水壓力基本消散，沉降基本完成。圖8為地下水滲流量云圖，即超靜孔隙水壓力消散途徑，根據(jù)模擬結(jié)果，大部分孔隙水向下運(yùn)移至黃土地基內(nèi)，少部分向上運(yùn)移至灰土墊層兩側(cè)排出地表。

2 灰土擠密樁法適用性分析

如前文所述，灰土擠密樁在地基加固、消除黃土濕陷性方面具有顯著效果，本節(jié)仍采用數(shù)值模擬手段對此方法的使用效果進(jìn)行模擬分析。地基模型為二維模型，尺寸同上節(jié)設(shè)定。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[12]～[13]，本次計算中，灰土樁直徑0.7m，長9m，樁距3.2m，地基處理范圍超出荷載范圍兩側(cè)一倍樁距，建模分析中考慮了樁間土的擠密作用，具體分析模型如圖9。

圖9 灰土擠密樁分析模型示意圖

本節(jié)分析中，模型兩側(cè)固定法向約束，底部固定雙向約束，地基周界及地表設(shè)為排水邊界；分析工況按地基初始固結(jié)、灰土樁施工、建筑荷載加載依次計算；另外，模擬中考慮了樁體與樁周土體的摩擦作用與端承作用，其作用通過樁界面模型實(shí)現(xiàn)，切向剛度與法向剛度參考相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)方法取值[14]。各項(xiàng)參數(shù)如表2、3所示。填土及黃土參數(shù)、地下水位及荷載大小均同上節(jié)中分析設(shè)定。

表2 灰土樁模型計算參數(shù)

表3 灰土樁界面參數(shù)

計算結(jié)果如圖10-13所示。

根據(jù)圖10，經(jīng)灰土擠密樁加固后，地基沉降最大值位于基底荷載中心處，值為-7.9cm，最小值位于基礎(chǔ)邊緣，值為-6.2cm，差異沉降1.7cm，小于規(guī)范限值。沉降曲線大致呈正鍋底狀，在樁體部位出現(xiàn)了錯折現(xiàn)象，說明灰土樁的樁體作用得到了充分利用 ，此外沉降曲線于填挖部位處出現(xiàn)輕微偏移。地基土最大剪應(yīng)變?nèi)鐖D10所示，最大剪應(yīng)變主要集中于加固區(qū)正下方填土區(qū)及樁間土，最大值為0.2cm，與灰土墊層法相比較，本次分析中最大剪應(yīng)變分布較分散，且值較均勻，說明地基土體尚未達(dá)到臨界破壞，有足夠的安全度。

圖10 加荷結(jié)束后沉降云圖

圖11 加荷結(jié)束后最大剪應(yīng)變云圖

圖12 加荷結(jié)束后超靜孔隙水壓力云圖

圖13 固結(jié)過程中滲流量云圖

圖12為超靜孔隙水壓力分布圖，最大值為11.8kPa，超靜孔隙水壓力等值線大致呈橢圓狀分布，整體略偏向高填方區(qū)域，由于灰土樁孔隙比小，滲透性差，因此樁體內(nèi)超靜孔壓明顯高于同一高度處的樁周土，孔壓等值線出現(xiàn)明顯彎折。根據(jù)模擬計算，工后90天左右沉降穩(wěn)定。根據(jù)圖13，地基土內(nèi)孔隙水主要向模型上下兩個方向運(yùn)移，加固區(qū)內(nèi)主要通過樁間土向上排泄至地表，樁體內(nèi)并無明顯運(yùn)移跡象；模型下部自原黃土沖溝邊緣至模型邊界運(yùn)移，呈倒鍋底狀，基底位置排泄量最大。

3 砂石樁法適用性分析

上節(jié)分析中，灰土擠密樁加固地基可在一定程度上提高地基承載力，有效減小基底荷載條件下的沉降。由于灰土擠密樁孔隙比小，滲透性差，因此超靜孔隙水壓力消散極慢，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),填土可能具有二次濕陷，因此，地基土的地下水賦存對其后期的沉降穩(wěn)定影響頗大。砂石樁法除了加固地基土體和減小沉降的作用外，其樁體可作為地下水的排泄渠道快速排出地表，地基土中超靜孔隙水壓力可在短時間內(nèi)消散。本節(jié)中，采用數(shù)值分析方法研究砂石樁法對填土的加固效果。

地基模型尺寸同上節(jié)中設(shè)定。根據(jù)相關(guān)規(guī)范試算[13]，同時也為與上節(jié)中加固效果對應(yīng)，砂石樁樁徑為0.6m，樁長9m，樁距3.2m，分析模型如圖14。

圖14 砂石樁樁分析模型示意圖

表4 砂石樁模型計算參數(shù)

該模型約束條件、排水邊界、分析工況設(shè)定等均同上節(jié)中所述。模擬計算中仍考慮樁界面的摩擦與端承作用。各項(xiàng)取值具體如表4、5。

表5 砂石樁界面參數(shù)

計算結(jié)果如圖15～圖18所示。

圖15 加荷結(jié)束后沉降云圖

圖16 加荷結(jié)束后最大剪應(yīng)變云圖

圖17 加荷結(jié)束后超靜孔隙水壓力云圖

圖18 固結(jié)過程中滲流量云圖

根據(jù)圖15，經(jīng)砂石樁加固后，地基沉降明顯減小，最大沉降位于荷載中心，為-5.9cm，基礎(chǔ)邊緣沉降最小，為-4.2cm，差異沉降1.7cm。沉降等值線呈正鍋底狀，由于填土、黃土壓縮性差異，在原沖溝處沉降出現(xiàn)輕微偏移。地基最大剪應(yīng)力云圖如圖16所示，地基內(nèi)最大剪應(yīng)力整體分布均勻，無較大突變，最大值為0.78cm，位于砂石樁樁底及加固區(qū)下部，說明經(jīng)砂石樁加固后地基內(nèi)應(yīng)力分布均勻，且安全度較大。

地基內(nèi)超靜孔隙水壓力主要集中在加固區(qū)內(nèi)及加固區(qū)下部，如圖17，壓力等值線整體呈橢圓形，集中在加固區(qū)下部，樁間土由于擠密作用孔隙變小，也賦存了一定的水壓力，而砂石樁由于其排水作用，并無超靜孔壓分布。根據(jù)計算，30天后，沉降可基本穩(wěn)定?？紫端疂B流云圖如圖18，地基內(nèi)孔隙水主要通過砂石樁排泄至地表，靠近高填方的樁體排泄量略大于低填方區(qū)，樁底位置存在孔隙水運(yùn)移集聚現(xiàn)象。

4 結(jié)語

1）以調(diào)查案例為分析對象，分析發(fā)現(xiàn)灰土墊層并未有效減小基底沉降，荷載中心與基礎(chǔ)邊緣差異沉降較大，并且超靜孔隙水壓力消散緩慢，排水渠道較為閉塞，固結(jié)時間長。上述條件下造成的建筑破壞與調(diào)查成果相符。

2）研究黃土填方區(qū)灰土擠密樁方案加固效果。分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)灰土擠密樁處理后，基底沉降最大值為-7.9cm，差異沉降為1.7cm，剪應(yīng)變分布均勻，最大值為0.2cm。超靜孔隙水壓力線呈橢圓形，分布于整個加固區(qū)，樁內(nèi)值大于樁間土，孔隙水排泄路徑主要為地表和模型底部，工后90天左右沉降穩(wěn)定。

3）研究黃土填方區(qū)砂石樁加固效果。分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)砂石樁處理后，基底沉降最大值為-4.2cm，差異沉降1.7cm，剪應(yīng)變分布均勻，最大值為0.78，地基可靠度仍處于安全范圍。超靜孔隙水壓力主要分布于加固區(qū)下部，樁間土賦存少許，由于砂石樁孔隙大，排水順暢，因此樁身內(nèi)無超靜孔隙水壓力聚集?？紫端饕ㄟ^砂石樁排泄至地表，工后30天沉降穩(wěn)定。

上述研究表明，在黃土填方區(qū)，灰土擠密樁和砂石樁加固方案均可采用。若地基內(nèi)地下水位較深，孔隙水不富集，那么兩種方案均可達(dá)到減小沉降、加固地基的目的；若地基內(nèi)地下水較淺，地基容易容易遭受水害時，采用砂石樁更為合理。