黃土區(qū)高鐵路基擠密樁樁間土擠密效果檢測(cè)與影響因素研究

韓 侃,趙永虎,李紅義,王秉勇

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000； 2.中國(guó)中鐵科學(xué)研究院有限公司,成都 611731)

引言

擠密樁處置地基是采用擴(kuò)孔設(shè)備將地基土體擠密成孔后，將灰土、水泥土等填料填入孔內(nèi)擠密成樁體而形成的復(fù)合地基，以承受上部荷載、控制地基變形[1]。目前針對(duì)各類擠密樁的加固承載機(jī)理[2-3]和適用性等[4-5]方面開展了較多研究。A. Ezoe研究出一種新型擠密沙樁，并對(duì)其在黏性土和軟土中的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究[6-7]。朱彥鵬等[8-9]對(duì)樁基負(fù)摩阻力影響因素進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)研究。米周林等[10]研究了水泥土擠密樁在高層建筑地基中的應(yīng)用效果。陳福江等[11-12]，研究了擠密樁在濕陷性黃土隧道基底處理中的應(yīng)用效果。付雄[13]結(jié)合鄭西客運(yùn)專線洛陽南站內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)高填方路基的設(shè)計(jì)方案、計(jì)算理論及現(xiàn)場(chǎng)沉降測(cè)試，對(duì)采用CFG樁聯(lián)合水泥擠密樁處理客運(yùn)專線鐵路黃土高路堤地基進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

然而在擠密樁樁間土擠密效果檢測(cè)方法與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面，各行業(yè)目前尚未形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，鐵路行業(yè)僅僅參照工民建行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定了相應(yīng)的路基驗(yàn)收規(guī)范，如TB10414—2018《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[14]中規(guī)定樁間土擠密效果用靜力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法在樁間土形心點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，規(guī)范中均未明確檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，只泛泛地要求應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。在TB10751—2018《高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[15]中規(guī)定樁間土擠密效果用鉆機(jī)取樣的方法是在孔之間形心點(diǎn)附近擠密深度內(nèi)每2 m測(cè)定一次干密度，再換算成最小擠密系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，但仍然未對(duì)樁間土擠密系數(shù)做明確規(guī)定，僅要求滿足設(shè)計(jì)規(guī)定即可。因此，目前尚未針對(duì)鐵路自身工程特點(diǎn)提出本行業(yè)的地基處理檢測(cè)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，而且擠密樁樁間土質(zhì)量檢測(cè)方法可操作性較差，現(xiàn)場(chǎng)大開大挖或鉆機(jī)取土的不規(guī)范性[16]，對(duì)工程進(jìn)度和質(zhì)量影響較大，給現(xiàn)場(chǎng)施工和質(zhì)量檢測(cè)造成諸多不便。

鑒于此，結(jié)合中衛(wèi)—蘭州高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱“中蘭高鐵”)濕陷性黃土區(qū)段，采用水泥土擠密樁處理后，通過開挖探井和洛陽鏟取樣的方式對(duì)試樁擠密效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)其施工工藝進(jìn)行了總結(jié)，以便為鐵路工程擠密樁處理效果評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)提供指導(dǎo)，并為鐵路行業(yè)樁間土擠密效果檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供相關(guān)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件

中蘭高鐵沿線黃土梁峁相間，黃土陷穴較發(fā)育。線路甘肅段所經(jīng)黃土寬谷區(qū)，地形較平坦，地表多為砂質(zhì)黃土，局部沖溝內(nèi)新近系和白堊系基巖出露。黃土成因復(fù)雜，類型多樣，主要以風(fēng)積和沖洪積砂質(zhì)黃土為主，粉粒含量高，具有黏聚力弱、濕陷性強(qiáng)烈及含水率低等特點(diǎn)，濕陷性黃土厚度多在20～35 m，局部濕陷厚度可達(dá)50 m。因此，需要對(duì)濕陷性黃土區(qū)段采取消除或減弱濕陷性等級(jí)的措施，以保證工后沉降量、滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。然而選擇適宜又經(jīng)濟(jì)的處理方式顯得尤為重要。

1.2 地基加固處理方式

中蘭高鐵黃土地基主要采用水泥土擠密樁和CFG樁進(jìn)行加固處理。一般路基地段采用水泥土擠密樁處理，擠密樁設(shè)計(jì)樁間距1.0 m，樁徑0.4 m，樁長(zhǎng)8.0～10.0 m，正三角形布置；高路堤及橋路過渡段采用CFG樁及水泥土擠密樁套打，擠密樁樁間距采用0.9 m，按正方形布置。設(shè)計(jì)樁間土擠密系數(shù)不小于0.93，濕陷系數(shù)小于0.015。

中蘭高鐵DK0+440～DK0+850段路基基底采用水泥擠密樁處理。為了準(zhǔn)確了解濕陷性黃土地區(qū)樁間土擠密效果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)不同深度、不同樁間距、樁徑方向不同位置處采用開挖探井和洛陽鏟取樣，對(duì)試樁擠密效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。相對(duì)于其他機(jī)械取樣方式，最大可能減小取樣過程對(duì)樁間土體大范圍的擾動(dòng)，保證測(cè)試結(jié)果的精確性，同時(shí)，對(duì)施工進(jìn)度和施工現(xiàn)場(chǎng)的影響減小到最低程度。

2 擠密效果檢測(cè)與主要影響因素分析

2.1 樁間土不同深度擠密效果研究

按照設(shè)計(jì)要求，擠密樁成孔直徑為0.4 m，樁間距1.0 m，樁長(zhǎng)8.0 m，按等邊三角形布置，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 試樁設(shè)計(jì)參數(shù)

在兩樁中心處開挖探井(圖1)，在深度范圍內(nèi)每隔1.0 m取樣，測(cè)定干密度并進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。

圖1 開挖探井取樣

現(xiàn)場(chǎng)共開挖6個(gè)探井，每個(gè)探井每米檢測(cè)1次干密度，共檢測(cè)8個(gè)點(diǎn)位的干密度值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。從表2可以看出，水泥土擠密樁樁間土擠密系數(shù)均大于0.93，且數(shù)據(jù)波動(dòng)不大，受土層影響小，擠密效果良好。擠密系數(shù)最大值為0.96，最小值為0.93，平均值為0.94；壓縮模量最大值為35.5 MPa，最小值為16.3 MPa，平均值22.3 MPa。沿樁長(zhǎng)方向不同深度的干密度測(cè)試值見圖2。

表2 水泥土擠密樁處理后樁間土參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 樁間土干密度隨深度變化曲線

從圖2可以看出，樁間土的擠密效果自上而下有逐漸增加的趨勢(shì)，地表附近受施工的影響擠密效果較差，樁底附近相對(duì)較好。

2.2 樁間土樁徑方向擠密效果研究

在3根樁的形心位置、樁外側(cè)0.1 m和樁外側(cè)0.3 m處采用洛陽鏟掏土的方式進(jìn)行取樣測(cè)定干密度，取樣點(diǎn)位置見圖3。

圖3 取樣點(diǎn)位置示意(單位：m)

圖5 不同樁間距試樁探井布設(shè)(單位：mm)

分別對(duì)樁徑方向3個(gè)位置的不同深度進(jìn)行取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，樁外側(cè)0.1 m處擠密系數(shù)最大值為0.95，最小值為0.92，平均值0.94；樁外側(cè)0.3 m處擠密系數(shù)最大值為0.93，最小值為0.90，平均值0.92；形心位置處擠密系數(shù)最大值為0.90，最小值為0.87，平均值0.89。

表3 樁徑方向不同位置擠密系數(shù)

結(jié)果表明，樁間土形心位置的擠密系數(shù)最小，距樁中心外側(cè)0.1 m的擠密系數(shù)大于樁外側(cè)0.3 m的擠密系數(shù)。以距樁中心的距離和擠密系數(shù)為坐標(biāo)，即(0.1，0.95)、(0.3，0.93)、(0.58，0.89)繪制折線圖，見圖4，可以看出擠密系數(shù)和距樁中心距離存在明顯的線性關(guān)系，即距樁中心距離越近，擠密效果相對(duì)較好，但樁間土形心位置受相鄰樁的影響，擠密效果較差。

圖4 距樁中心距離與擠密系數(shù)變化

2.3 不同樁間距樁間土擠密效果研究

將試樁的樁間距分別調(diào)為0.9，1.2，1.5 m，并在形心位置取樣進(jìn)行試驗(yàn)，試樁探井布設(shè)情況見圖5。擠密系數(shù)隨樁間距的變化規(guī)律如圖6所示。樁間土擠密效果隨著樁間距的增大而減小，當(dāng)樁間距為0.9 m和1.2 m時(shí)，其平均擠密系數(shù)均大于0.93，當(dāng)樁間距增大到1.5 m時(shí)，其平均擠密系數(shù)減小到0.90。根據(jù)濕陷性系數(shù)和擠密系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)要求，本工程建議將水泥土擠密樁樁間距調(diào)整為0.9～1.2 m。

圖6 樁間土平均擠密系數(shù)隨樁間距的變化曲線

2.4 天然土含水率對(duì)擠密效果的影響分析

試驗(yàn)表明，地基土的含水率對(duì)擠密樁樁間土的擠密效果影響較大。在西北干旱地區(qū)，濕陷性黃土層的含水量普遍比較低，土層呈比較堅(jiān)硬的狀態(tài)，樁間土擠密非常困難，不宜直接進(jìn)行路基地基處理。在中蘭高鐵前期試驗(yàn)段，普遍存在樁間土擠密系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求的情形，隨后經(jīng)多方溝通和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最后采取了地基土增濕的措施，使地基土平均含水量盡量接近最優(yōu)含水量，才確保了樁間土的擠密質(zhì)量。

2.5 成孔工藝和施工順序的影響

擠密樁施工中目前主要有擠密成孔法和預(yù)鉆孔夯擴(kuò)擠密法兩種。前者處理地基深度較小，且施工中易出現(xiàn)塌孔、孔壁不規(guī)整等問題；后者雖能處理深孔，但需要寬闊場(chǎng)地方能施工，在狹小空間其適用性受到限制。由于兩種方法的施工要求和成孔工藝不同，對(duì)擠密樁樁間土擠密的效果和影響也比較大，因此，在擠密樁施工過程中選擇適合的成孔工藝非常重要。

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的擠密順序?qū)堕g土的擠密效果影響也比較大。為保證擠密效果，現(xiàn)場(chǎng)一般采用隔排隔行跳打的方式，為了防止施工過程中各孔之間相互擠壓造成變形或坍陷的影響，成孔后需盡快回填，成片的擠密樁處理樁基一般由里向外進(jìn)行施工，對(duì)局部的地基處理樁基宜由外面向里面進(jìn)行擠密施工。

3 中蘭高鐵濕陷性黃土地基的擠密處理應(yīng)對(duì)措施

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的問題

在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水泥土擠密樁試樁過程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)施工完畢的擠密樁樁間土取樣檢測(cè)后，局部區(qū)段擠密系數(shù)為0.88～0.93，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，但是樁間土濕陷系數(shù)已小于0.015，濕陷性消除，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到處理效果。隨后，加大擠密樁試樁檢測(cè)頻率，從檢測(cè)、施工及設(shè)計(jì)三方面依次分析原因。經(jīng)分析，樁間土擠密系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求主要原因?yàn)?，局部區(qū)段地基黃土含水率較低且施工控制不足導(dǎo)致。

3.2 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)中蘭高鐵前期對(duì)黃土地區(qū)路基基底處理擠密樁樁間土擠密系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)的情況，參建各方組織召開會(huì)議進(jìn)行了論證，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試樁情況，優(yōu)化施工方案，調(diào)整樁間土設(shè)計(jì)擠密系數(shù)，局部黃土含水率較低地段采用注水增濕方案，提高地基土含水率后再進(jìn)行擠密樁施工。

在試驗(yàn)區(qū)預(yù)打增濕孔，通過加水增濕后重新鉆孔取樣，測(cè)定含水率情況見表4。其中1號(hào)孔距增濕孔0.2 m，2號(hào)孔距增濕孔0.5 m，3號(hào)孔距增濕孔0.8 m。

表4 增濕后含水率測(cè)定

從表4可以得出：受地基土增濕后勻質(zhì)性和增濕距離的影響，水平方向距離增濕孔近的含水率明顯高于遠(yuǎn)的；豎直方向在孔深5 m以上地基土平均含水率多數(shù)比最優(yōu)含水率高，在孔深5 m以下，地基土平均含水率要低于最優(yōu)含水率3%～5%，所以增濕后要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況重視對(duì)地基土平均含水率的檢測(cè)，只有多數(shù)地基土含水率接近最優(yōu)含水率，才能保證擠密效果并進(jìn)行下一步施工。

4 結(jié)語

依托中蘭高鐵某路基工程，通過對(duì)擠密樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出主要結(jié)論如下。

(1)樁間距對(duì)于擠密樁樁間土的擠密效果影響顯著，合理的樁間距可得到較好的擠密效果；通過濕陷性系數(shù)和擠密系數(shù)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合分析，本工程合理樁間距為0.9～1.2 m，設(shè)計(jì)樁間距為1.0 m。

(2)樁間土擠密效果在樁徑方向存在著明顯的線性關(guān)系，即距樁中心距離越近，擠密效果相對(duì)較好，但樁間土形心位置受相鄰樁的影響，擠密效果反而較差。

(3)樁間土擠密效果在豎直方向自上而下有逐漸增加的趨勢(shì)，地表附近受施工的影響擠密效果較差，樁底附近相對(duì)較好，所以現(xiàn)場(chǎng)要把控好擠密樁樁頂附近的施工質(zhì)量。

(4)重視對(duì)地基土實(shí)施增濕或減濕措施后的效果驗(yàn)證。只有當(dāng)測(cè)定的地基土含水率與最優(yōu)含水率相差不大時(shí)，才能保證擠密效果。

(5)天然含水率、成孔工藝、施工順序、取樣方法等因素均在不同程度上影響擠密樁的檢測(cè)效果。

(6)檢測(cè)取樣的方法直接影響土樣的原狀性和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議采用開挖探井或優(yōu)化鉆機(jī)取土器的方法取樣。