淺析灰土擠密樁工藝性試驗(yàn)方案優(yōu)化方法

王洪航

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730030）

在工程建設(shè)中，為了消除黃土濕陷性，提高地基承載力，常采用強(qiáng)夯、重夯和擠密樁等方法。擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基，是濕陷性黃土地基常用的處理方法之一。擠密樁屬于一種橫向擠密，能達(dá)到所要求加密處理后的密實(shí)度指標(biāo)，并提高地基承載力、降低壓縮性，處理后的地基均勻，與換土墊層相比無(wú)需開(kāi)挖回填，因此節(jié)約了土方開(kāi)挖和回填的工作量，比開(kāi)挖換填法縮短約一半工期。由于擠密樁施工不受開(kāi)挖、回填及場(chǎng)地的限制，一般處理深度較大，可達(dá)5～15 m，填入樁孔的材料是素土，屬就地取材的廉價(jià)材料，通常比其他深層處理濕陷性黃土和人工填土的造價(jià)低2/3。因此，擠密樁處理地基在我國(guó)西北及華北等黃土地區(qū)已廣泛應(yīng)用。擠密樁分為原土擠密樁、灰土擠密樁和水泥土擠密樁等。

灰土擠密樁是利用打樁機(jī)錘擊沉管擠壓成孔，使樁間土得以擠密，將灰土填入樁孔內(nèi)分層夯實(shí)形成灰土樁?；彝翗冻蓸稙槭状螖D密，填筑夯實(shí)時(shí)再次擠密周邊土體可以提高其密實(shí)度，降低土體的壓縮性，更好地達(dá)到提高土體復(fù)合承載力和水穩(wěn)性的目的。

在灰土擠密樁施工過(guò)程中，施工前要進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，來(lái)確定孔內(nèi)填料的厚度、擊實(shí)錘的錘重、落距及擊實(shí)的錘擊次數(shù)，使之在滿(mǎn)足填筑質(zhì)量的前提下保證工程施工的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

大山頂泵站工程位于甘肅省靜寧縣，泵站地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土（黃土狀粉土），場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷性等級(jí)綜合評(píng)定為Ⅳ級(jí)。工程采用灰土擠密樁進(jìn)行地基處理，消除地基土的濕陷性。擠密樁采用正三角形布置，樁徑d=0.4 m，孔中心間距為1.0 m，樁長(zhǎng)約15 m，樁身填3∶7灰土，施工分層回填夯實(shí)，樁的平均壓實(shí)系數(shù)不小于0.97，樁間土平均擠密不小于0.93。設(shè)計(jì)明確要求通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定最優(yōu)施工參數(shù)，以期指導(dǎo)后續(xù)施工，保證擠密樁施工質(zhì)量，確保地基處理效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 灰土擠密樁概況

1.1 灰土擠密樁的定義

灰土擠密樁利用錘擊將鋼管（沉管）通過(guò)強(qiáng)力擊打釘入待處理的地基土中，使之向周邊擠密成孔，沉管拔出后，在樁孔中分層回填三七灰土夯實(shí)而成?；彝翑D密樁與擠密的樁間土共同組成復(fù)合地基，承受上部荷載。

1.2 灰土擠密樁的特點(diǎn)

灰土擠密樁與其他地基處理方法相比具有以下特點(diǎn)：灰土擠密樁成樁時(shí)對(duì)周邊土體施加橫向擠密，可達(dá)到所要求加密處理后的設(shè)計(jì)干密度指標(biāo)，能消除地基土的濕陷性，提高承載力，降低壓縮性。相比其他地基處理方式而言，灰土擠密樁適合于加固地下水位以上、天然含水率12%～25%、厚度5～15 m的新填土、雜填土、濕陷性黃土以及含水率較大的軟弱地基。具有用材低廉易取得、工程造價(jià)較低、機(jī)具簡(jiǎn)單、施工方便、工效高等特點(diǎn)。當(dāng)?shù)鼗看笥?5%或土體飽和度大于0.65時(shí)，易造成打管成孔質(zhì)量不好，且對(duì)鄰近已回填的樁體造成破壞，拔管后容易縮頸、回淤，此時(shí)不宜采用灰土擠密樁進(jìn)行地基加固處理。

灰土擠密樁成樁后由于灰土強(qiáng)度較高，樁身強(qiáng)度大于周?chē)鼗?，可以分?dān)較大部分荷載，使樁間土承受的應(yīng)力減小，而深度2～4 m以下則與土樁地基相似。因此，為了消除地基濕陷性或提高地基的承載力和水穩(wěn)性，降低周邊土的壓縮性，宜選用灰土樁。

當(dāng)灰土擠密樁適用地層合適、成樁方法得當(dāng)、施工成孔后不淤孔不回縮時(shí)，其整體質(zhì)量便取決于成樁時(shí)的填筑質(zhì)量和合理的樁心距[1]。灰土樁成樁時(shí)強(qiáng)行擴(kuò)孔成樁對(duì)周邊土體進(jìn)行首次擠密，孔內(nèi)填料填筑的夯擊能再次擠密周邊土體從而進(jìn)一步提高其密實(shí)度，降低土體的壓縮性，達(dá)到提高土體復(fù)合承載力和水穩(wěn)性的目的。

2 試驗(yàn)方案

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)，基礎(chǔ)部位待處理土體含水率為13.3%～17.0%，天然含水率平均值15.2%。因此，地基土無(wú)須特殊處理便非常適合成樁和擠密，施工過(guò)程中只要密切關(guān)注成樁情況，避免回淤和縮樁便可取得較好的擠密效果[1]。

本工程處理地基設(shè)計(jì)樁心距為1.0 m，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012），灰土擠密樁樁孔之間的中心距離可通過(guò)下面的公式計(jì)算得出。

現(xiàn)場(chǎng)取待處理地基的不同部位、不同深度天然干密度75組，天然干密度分布區(qū)間為1.36～1.56 g/cm3，天然干密度平均值為1.46 g/cm3。樁直徑d=0.4 m，樁間土成孔擠密后的平均擠密系數(shù)ηc＝0.93（規(guī)范規(guī)定不宜小于0.93，方案中取設(shè)計(jì)要求的擠密度0.93進(jìn)行驗(yàn)算），現(xiàn)場(chǎng)土樣擊實(shí)試驗(yàn)取得的輕型擊實(shí)最大干密度pdmax=1.79 g/cm3及地基土處理前的天然平均干密度pd=1.46 g/cm3。將以上數(shù)據(jù)代入上式可得，S計(jì)算=1.1 m＞S設(shè)計(jì)=1.0 m。因此，本工程樁心距設(shè)計(jì)指標(biāo)1.0 m是合理可行的，并保證了一定的安全冗余度。施工過(guò)程中只要樁孔的成孔及填筑質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，樁間土的擠密度理論上是有保障的?；彝翑D密樁的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)就是成孔質(zhì)量（位置、孔的垂直度）和灰土樁的填筑質(zhì)量。成孔質(zhì)量可以在施工過(guò)程中加以控制，確定合理的填筑工藝參數(shù)保證灰土樁的填筑質(zhì)量是本次工藝性試驗(yàn)的主要目的。

3 影響灰土擠密樁填筑質(zhì)量的因素

根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，本工程灰土擠密樁填筑的三七灰土最大干密度為1.61 g/cm3，相應(yīng)的最優(yōu)含水率為20%。要保證樁體填筑質(zhì)量，必須確保填料拌和均勻，含水率精確。在施工過(guò)程中要嚴(yán)加控制填料含水率，以確保填筑質(zhì)量。除此以外，填筑質(zhì)量與孔內(nèi)填料的厚度、擊實(shí)重錘的錘重、落距及擊實(shí)的錘擊次數(shù)密切相關(guān)，且成正相關(guān)關(guān)系。因此，本次工藝性試驗(yàn)的重點(diǎn)是確定上述三個(gè)參數(shù)，以保證施工經(jīng)濟(jì)、合理、高效。

3.1 錘重W的影響

試驗(yàn)錘重根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)擊實(shí)機(jī)械實(shí)際配制，為了滿(mǎn)足施工便利性要求和擊實(shí)效率，本次試驗(yàn)錘重W=1500kg。

3.2 重錘落距H的影響

孔內(nèi)填料夯擊時(shí)重錘的錘重W與落距H的乘積就是對(duì)土體或填筑體的擊實(shí)功，其大小與擊實(shí)效果成正比關(guān)系，值越大擊實(shí)效果越好。因此，錘越重越好，落距越大越好，但考慮到落距越大施工中提錘越困難，且落距大重錘下落過(guò)程中受到孔邊土的阻滯和干擾的可能性越高，再加上落距增加會(huì)加大施工控制難度，提升安全風(fēng)險(xiǎn)，因此落距控制在2 m以?xún)?nèi)是安全合理的。本次試驗(yàn)確定重錘落距為1.5 m。

3.3 孔內(nèi)填料厚度（體積）的影響

擠密樁成孔后孔內(nèi)填料厚度或擊實(shí)前散料的體積與擊實(shí)效率成反比例關(guān)系。當(dāng)散料的填料厚度增大（體積增大）時(shí)，在相同擊實(shí)功下不易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，甚至填料厚度過(guò)厚時(shí)可能出現(xiàn)僅依靠加大錘重，提高落距（即提高夯擊能）都無(wú)法夯實(shí)底部填料的情況，這種情況在制定工藝性試驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)盡量避免，以提高試驗(yàn)方案的有效性和針對(duì)性。因此，提前通過(guò)合理方法確定限定最大填料厚度對(duì)優(yōu)選合理的填料厚度具有重要意義。孔內(nèi)填料的擊實(shí)與強(qiáng)夯地基處理相同，均以動(dòng)力密實(shí)理論為基礎(chǔ)，在此采用強(qiáng)夯動(dòng)力密實(shí)影響深度公式試算樁體填筑最大影響深度，以避免采用不合理的填料厚度增加工作量。

強(qiáng)夯法加固深度的計(jì)算方法有Menard計(jì)算法、BILLAM計(jì)算法、費(fèi)香澤室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸健埰絺}(cāng)計(jì)算法等。張平倉(cāng)計(jì)算法是基于施工實(shí)踐提出的經(jīng)驗(yàn)公式[2]，該公式考慮了單位面積夯擊能量及土體的含水情況，適合本次工藝性試驗(yàn)。采用該公式計(jì)算夯擊影響深度以確定合理的填料厚度。

式中，H為影響深度（m）；M為重錘重量（kN）；A為錘底面積（m2），此處重錘直徑25 cm，面積0.05 m2；νd為填料干重度（kN/m3），土的干重度為12～18 kN/m3，此處取灰土的松散干重度12 kN/m3；ω為填料的含水率（%）；h為重錘落距。

3.4 孔內(nèi)填料夯擊次數(shù)的影響

以上分析已經(jīng)確定了夯擊功大?。ㄥN重與落距的乘積）和填料厚度合理范圍（0.5～1.0 m），只要再確定每層的夯擊數(shù)，就可以選擇簡(jiǎn)便易行的工藝性試驗(yàn)方案。根據(jù)動(dòng)力密實(shí)理論，在現(xiàn)場(chǎng)夯實(shí)時(shí)對(duì)單位體積的土體其擊實(shí)功達(dá)到輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，理論上填筑土體就可以達(dá)到與室內(nèi)最大干密度試驗(yàn)相同的密實(shí)效果，因此制定方案時(shí)可參照室內(nèi)輕型擊實(shí)單位體積計(jì)算錘擊數(shù)?？紤]到輕型擊實(shí)試驗(yàn)的周邊約束為剛性約束，且現(xiàn)場(chǎng)施工存在諸多外在和人為影響，為保證施工效果，適當(dāng)加大夯實(shí)功是必要的，列表計(jì)算時(shí)以室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)功592.2 kJ/m3為基準(zhǔn)，成樁擊實(shí)倍數(shù)取1.25～2.5倍，每層填土干重按體積與室內(nèi)擊實(shí)最大干密度計(jì)算。單位體積擊實(shí)功=錘重×落距×9.8×每層擊實(shí)數(shù)/體積。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)計(jì)算，當(dāng)孔內(nèi)填料厚度為1 m時(shí)，以1.25倍的室內(nèi)輕型擊實(shí)功的擊實(shí)沖擊能量對(duì)樁體進(jìn)行擠壓，最小錘擊次數(shù)為43次，從施工角度來(lái)看顯然是不合理的，因此選擇填料厚度每層0.5 m。可以從表1中選擇方案2、方案4和方案6的參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際工藝性試驗(yàn)，并取樣檢測(cè)含水率、干密度等，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制不同擊實(shí)功下測(cè)得的樁體干密度，對(duì)比選擇確定簡(jiǎn)便高效易行的錘擊數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1所列方案，確定按方案2、4、6進(jìn)行樁體夯填工藝性試驗(yàn)，最終一次成功。方案2所計(jì)算出的參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)，其樁體干密度、樁間土擠密度及復(fù)合樁基承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 單孔填料擊實(shí)效果方案

5 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明：灰土擠密樁施工工藝性參數(shù)必須通過(guò)工藝性試驗(yàn)來(lái)確定；灰土擠密樁施工工藝性試驗(yàn)方案可通過(guò)前期工作和公式計(jì)算來(lái)簡(jiǎn)化，使之指向更加明確；本文所述方法可用于同類(lèi)工程，可作為工藝性試驗(yàn)方案選定、機(jī)械遴選的方法。