水泥土擠密樁在大厚度濕陷性黃土地區(qū)渠道地基處理中的應(yīng)用研究

孫章平

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

引洮二期供水工程是172項(xiàng)重大水利工程項(xiàng)目之一，是甘肅中部干旱區(qū)會(huì)寧、通渭、安定、隴西、靜寧、武山、甘谷、秦安等八縣區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的唯一水源工程，工程以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水為主。工程區(qū)地處隴西黃土高原，海拔在1500～2620m，相對高差一般<300m。工程所在地分布有不同時(shí)代、不同成因的黃土。渠道大部分位于濕陷性黃土地基上，主要有馬蘭黃土及洪積黃土狀土，以及全新統(tǒng)洪積黃土狀土。濕陷厚度變化較大，一般為10～20m，局部可達(dá)30m左右。

在濕陷性黃土地基中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于渠道滲漏、雨水沖刷等原因造成渠基濕陷破壞的現(xiàn)象。甘肅地區(qū)渠道濕陷性破壞的工程實(shí)例有：靖會(huì)工程甘溝干渠地基分布最廣的為上更新統(tǒng)馬蘭黃土，分布厚度一般為3～10m，最厚達(dá)15m以上，地基處理采用原土翻夯1.5～2m，其上設(shè)水泥土墊層300mm，運(yùn)行過程中由于渠道滲漏，造成基礎(chǔ)沉陷，變形嚴(yán)重；引大入秦工程東二干某隧洞連接段明渠，表層為4m厚粉質(zhì)黃土狀土，設(shè)計(jì)時(shí)采用原土翻夯，運(yùn)行不到10年，渠身開始裂縫，渠道變形等。各種工程實(shí)例表明，工程出現(xiàn)滲漏破壞的薄弱地段，主要發(fā)生在明渠、暗渠、隧洞連接段等施工條件相對簡單而容易被忽視的渠段，而不是施工條件復(fù)雜的隧洞、渡槽等建筑物。因此，濕陷性地區(qū)渠道設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視，選擇經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方式，對渠道安全運(yùn)行至關(guān)重要。

本文以引洮二期工程總干渠末端渠道為例，介紹了水泥土擠密樁主要設(shè)計(jì)方法及處理效果的檢驗(yàn)，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 黃土濕陷性機(jī)理及評價(jià)

1.1 黃土地基濕陷性機(jī)理

濕陷性黃土具有結(jié)構(gòu)疏松、孔隙比大、遇水濕陷等特性。目前國內(nèi)外學(xué)者對黃土濕陷性機(jī)理提出了許多假說，欠壓密理論主要認(rèn)為濕陷性黃土由于氣候干燥少雨，土中水分不斷減少，鹽類析出，膠體凝結(jié)，產(chǎn)生了粘聚力，形成以粗粉粒為主的大孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)土體濕度不大時(shí)，在自重或外力的情況下，不足以克服土中粘聚力。當(dāng)土體受水侵濕時(shí)，結(jié)合水滲入顆粒之間，粘聚力減小或消失。在自重或外力作用下，土體發(fā)生下沉濕陷。

1.2 地基濕陷性評價(jià)

根據(jù)引洮二期工程總干渠末端試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判定該段地基濕陷性等級，并以此為依據(jù)，選擇經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方式。濕陷性黃土地基濕陷等級應(yīng)根據(jù)自重濕陷量和濕陷量計(jì)算值綜合確定，由表1計(jì)算值可得，Δzs為1212mm，Δs為1332mm，該地段為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅳ級(很嚴(yán)重)。

式中，δzsi—第i層土的自重濕陷系數(shù)；hi—第i層土的厚度，mm；βo—隴西地區(qū)取1.5；

表1 濕陷性黃土地基的濕陷等級判定表

式中，δsi—第i層土的濕陷系數(shù)；hi—第i層土的厚度,mm；β—考慮基底下地基土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù)，基底下0～5m深度內(nèi)，β=1.5；5～10m深度內(nèi)，β=1；10m以下至非濕陷性黃土層面，在自重濕陷性黃土場地，取工程所在區(qū)βo。

自重濕陷量計(jì)算深度自天然地面算起，至非濕陷性黃土層頂面為止，其中自重濕陷性系數(shù)δzsi<0.015土層不計(jì)。濕陷量計(jì)算深度自基礎(chǔ)底面(基底標(biāo)高不確定時(shí)，自地面下1.5m)算起；在自重濕陷性黃土場地，累計(jì)至非濕陷性黃土層頂面為止，其中濕陷系數(shù)δsi<0.015土層不計(jì)。

2 地基處理方案比選

目前，因不同地質(zhì)條件，不同構(gòu)筑物形式，地基處理方式不同，地基處理主要有預(yù)浸水法、墊層法(灰土墊層、水泥土墊層等)、強(qiáng)夯處理、灌注樁、擠密樁等方法[5]。預(yù)浸水法是將黃土濕陷性地基預(yù)先用水浸濕，以達(dá)到消除濕陷性目的。該方法可消除地面6m以下地基土全部濕陷性，操作簡單，然而該方法處理時(shí)間長，水量浪費(fèi)大，對工期緊、水資源匱乏工程，不宜適用。墊層法為渠道常用淺層處理方法，該方法一般處理厚度為1～3m，處理厚度有限，對于大厚度濕陷性黃土而言，剩余濕陷量大，渠道安全系數(shù)較低。強(qiáng)夯法是利用夯擊能克服土顆粒摩擦力做功，使土顆粒密實(shí)，從而消除濕陷性，該方法可處理深度一般為3～12m，在成片構(gòu)筑物、施工場地較大時(shí)應(yīng)用較多。對渠道而言，一般離村莊、山坡較近，不宜采用。灌注樁法進(jìn)行地基處理時(shí)，建筑荷載可通過灌注樁直接傳至穩(wěn)定地基，該方法成本高、工期長。擠密樁法采用機(jī)械成孔，然后利用填料分層夯填，在造孔及成樁過程中，對樁間土有一定的擠密作用。由于樁間土受較強(qiáng)側(cè)限、擠密作用，孔隙率減小，滲透系數(shù)降低，可形成阻止渠道滲漏水、雨水等浸入深層地基土的阻斷層，提高地基土的防水抗?jié)B性。因水泥土具有良好的隔水防水和提高地基承載力雙重作用，本工程選用水泥土擠密樁。水泥土擠密樁處理深度可達(dá)5～15m，目前較廣泛應(yīng)用于建筑、交通等行業(yè)，在水利行業(yè)渠道地基中應(yīng)用較少。

3 水泥土擠密樁方案設(shè)計(jì)

3.1 地基處理深度確定

目前，GB 50025—2004《濕陷性黃土地基規(guī)范》及JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》主要針對建筑及整片構(gòu)筑物，而類似渠道狹長型的構(gòu)筑物設(shè)計(jì)，只能參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。引洮二期工程供水對象重要性為重要，且渠道地基受水浸濕可能性較大，因此渠道屬于丙類構(gòu)筑物。根據(jù)規(guī)范要求當(dāng)?shù)鼗鶟裣莸燃墳棰艏墪r(shí)，下部未處理濕陷性黃土的剩余濕陷量不應(yīng)大于200mm。

本工程的濕陷性黃土厚度達(dá)18m，當(dāng)渠道地基處理深度為5m時(shí)，剩余濕陷量為325mm，大于規(guī)范要求。如滿足規(guī)范要求，則處理深度達(dá)8～10m。較大的地基處理深度，將增加施工難度和工程投資。以本段暗渠(長610m)為例，采用水泥土擠密樁處理，處理深度10m比5m約增加投資60多萬，渠道投資增加10%左右，顯然不夠經(jīng)濟(jì)合理。當(dāng)丙類建筑剩余濕陷量大于《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》要求但不大于2倍時(shí)，應(yīng)采取防水措施、結(jié)構(gòu)措施和維護(hù)措施；當(dāng)大于2倍時(shí)，應(yīng)專門研究。因此渠道地基處理深度可適當(dāng)放寬，建議剩余濕陷量控制以不大于規(guī)范規(guī)定值的2倍為宜。由于暗渠基礎(chǔ)挖深一般大于5m，綜合考慮后，地基處理深度為5m。

3.2 水泥土擠密樁樁徑及樁距設(shè)計(jì)

為更好增加樁間土密實(shí)度，消除地基濕陷性，宜采用沉管擠密施工法，而不采用預(yù)鉆孔夯擴(kuò)擠密(DDC)。渠道設(shè)計(jì)時(shí)為減少濕陷性地基處理深度、防止暗渠凍脹破壞，應(yīng)適當(dāng)加大埋深。該段渠頂覆土厚度一般在2.5～3m左右，另外考慮車輛等荷載，設(shè)計(jì)地基承載力不小于200kPa。根據(jù)施工方法、工期要求及工程經(jīng)驗(yàn)，本工程采用樁直徑為400mm。擠密樁間距可按以下方法初步確定。

式中，λ—單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，λ可取1；fsk—根據(jù)試驗(yàn)資料，該段樁間土承載力特征值為0.13～0.15MPa；β—樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.9～1；Ap—樁截面積；fcu—根據(jù)試驗(yàn)得出，該基土10%水泥土28d齡期強(qiáng)度為2.9～3.1MPa；m—面積置換率。

經(jīng)計(jì)算，樁間距在800～900mm之間可滿足承載力要求，為保守起見，采用樁間距800mm。

3.3 結(jié)構(gòu)與排水措施

擠密樁處理深度為5m，未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量325mm，大于規(guī)范要求，暗渠設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、排水措施。由于夯實(shí)水泥土樁變形模量大于樁間土變形模量，為調(diào)整基礎(chǔ)應(yīng)力分布，保證樁、土共同作用，在樁頂鋪設(shè)500mm水泥土墊層。在側(cè)墻內(nèi)側(cè)加設(shè)30×30cm貼角，以減小轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中，避免暗渠產(chǎn)生裂縫。為防止暗渠不均勻沉降，每8m設(shè)一道伸縮縫，縫寬20mm，縫內(nèi)距迎水面12cm設(shè)橡膠止水帶，迎水面填縫材料采用雙組份聚硫密封膠；為防止伸縮縫失效內(nèi)水外滲，在暗渠底部及左右側(cè)墻鋪設(shè)復(fù)合土工膜(兩布一膜，500g/m2)加強(qiáng)防滲。暗渠回填盡量恢復(fù)至原地面，在開挖深度較大，采用部分回填，在回填頂面設(shè)排水溝，將雨水排到渠外。

4 擠密樁處理效果檢驗(yàn)

4.1 復(fù)合地基承載力檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)復(fù)合地基承載力，對處理后地基進(jìn)行單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，承壓板采用圓形鋼板，如圖1所示，面積為一根樁承擔(dān)面積。由計(jì)算可得面積置換率m為0.1256，單樁承擔(dān)面積為0.554m2，選擇承壓板直徑為0.84m。

圖1 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到單樁復(fù)合地基的P-S關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 單樁復(fù)合地基P-S曲線

分析圖2可知，該P(yáng)-S關(guān)系曲線無明顯拐點(diǎn)，為緩變型曲線，最大加載力為設(shè)計(jì)值2倍。地基相對變形值s=0.008b(6.72mm)所對應(yīng)的荷載306kPa，最大加載力一半為200kPa，兩者取小值，該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值為200kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。處理前天然地基承載力特征值為130～150KPa，由此可見，水泥土擠密樁可顯著提高地基承載力。

4.2 樁體及樁間土擠密試驗(yàn)

樁體及樁間土干密度采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆芯取樣，在樁長處理范圍內(nèi)，每隔1m取原狀土樣。樁體試驗(yàn)結(jié)果見表2，壓實(shí)系數(shù)隨深度變化如圖3所示。

分析表2可知，樁體土含水率為11.4%～16.9%，干密度為1.62～1.67g/cm3，壓實(shí)系數(shù)為0.97～1.0，滿足規(guī)范要求。由圖3可知：樁體內(nèi)不同深度壓實(shí)系數(shù)較均勻。由此可見，水泥土擠密樁施工時(shí)，通過合理控制分層厚度、夯實(shí)擊數(shù)等施工參數(shù)，樁體內(nèi)壓實(shí)系數(shù)均可達(dá)到理想效果。

表2 樁體填料試驗(yàn)結(jié)果

圖3 樁體填料不同深度壓實(shí)系數(shù)曲線

在樁間布置三個(gè)探井，每隔1m取原狀土樣。樁間土含水率、擠密系數(shù)及濕陷性等試驗(yàn)結(jié)果見表3。

分析表3可知，樁間土含水率在15.5%～18.0%之間，最小干密度為1.58g/cm3，最小擠密系數(shù)為0.929，δs最大值為0.012，δzs最大值為0.009。由此可見，采用樁徑400mm、間距800mm擠密樁，地基處理范圍內(nèi)樁間土濕陷系數(shù)及自重濕陷性系數(shù)均小于0.015，黃土濕陷性全部消除，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求；總體規(guī)律為干密度與濕陷性系數(shù)成負(fù)相關(guān)。結(jié)合本地區(qū)大量試驗(yàn)可得，黃土地基一般干密度ρd≥1.5g/cm3時(shí)，基本上無濕陷性，此結(jié)論為快速判定黃土濕陷性提供一定依據(jù)。

已建引洮一期工程中采用擠密樁處理暗渠段，通水運(yùn)行4年多，運(yùn)行情況良好。在本工程中，擠密樁地基處理深度5m，剩余濕陷量為325mm，大于規(guī)范要求，但處理范圍內(nèi)地基濕陷性全部消除，地基性質(zhì)得到明顯改善，加上結(jié)構(gòu)及防水措施，工程安全度大大提高，工程可正常運(yùn)行。

表3 樁間土試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過對地基濕陷性等級判定，采用水泥土擠密樁，水泥土墊層和復(fù)合土工膜防滲等綜合處理方式，取到了良好的經(jīng)濟(jì)質(zhì)量效果。建議在大厚度濕陷性黃土中，渠道地基處理深度可適當(dāng)放寬，以剩余濕陷量不大于規(guī)范要求值2倍為宜，同時(shí)采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、排水措施。剩余濕陷量具體控制值有待進(jìn)一步研究確定。在今后渠道工程中，應(yīng)根據(jù)工程重要性、濕陷性黃土厚度、濕陷等級、施工場地等實(shí)際情況，采用一種或幾種組合方式進(jìn)行處理，以找到更加經(jīng)濟(jì)合理的處理方案。