素土擠密樁在關中平原濕陷性黃土施工中的應用

□□ 李紅現(xiàn)，任寧昌，左凱宇，鄒洪亮，趙元超，齊鵬舉

(中國建筑第八工程局有限公司西北公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

1.1 工程地質概況

該工程擬建場地為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅱ(中等)～Ⅳ(很嚴重)級。根據(jù)勘探揭露，場地的地層從上至下依次為人工填土(Qml)、第四系上更新統(tǒng)風成黃土(Q32eol)、殘積古土壤(Q31el)、中更新統(tǒng)晚期風成黃土(Q22eol)、殘積古土壤(Q22el)、中更新統(tǒng)早期風成黃土(Q21eol)，具體如圖1所示。各層土的特征描述如下：

①素填土(Q4ml)：以粉質黏土為主，含少量生活、建筑垃圾，局部為夯實灰土；該層含有①雜填土層，以建筑垃圾為主。北一指廊靠近停車坪區(qū)域表層1.0～1.5 m為灰土。

②黃土(Q3eol)：黃褐色，硬塑，針孔及蟲孔發(fā)育，部分勘探點該層頂部分布厚度不均的黑壚土，局部由于取土而缺失。層厚為0.50～11.20 m，層底深度為7.40～13.50 m，層底標高為460.39～465.24 m。

③古土壤(Q3el)：紅褐色，硬塑，團塊狀結構，含鈣質條紋及鈣質結核。巖性均一。層厚為1.50～4.00 m，層底深度為10.40～16.70 m，層底標高為457.61～462.64 m。

④黃土(Q2eol)：黃褐色，硬塑，針孔發(fā)育，含少量鈣質條紋，偶見蝸牛殼碎片。層厚為1.20～4.20 m，層底深度為12.50～19.40 m，層底標高為455.21～461.04 m。

⑤黃土(Q2eol)：黃褐色，硬塑，針孔發(fā)育，含少量鈣質條紋，偶見蝸牛殼碎片。局部層底為2～3 m含水量較大。層厚為4.00～7.70 m，層底深度為18.60～25.90 m，層底標高為449.36～454.37 m。

⑥古土壤(Q2el)：紅褐色～黃褐色，硬塑，團塊狀結構，含鈣質條紋及鈣質結核。該層頂部、底部為古土壤，中間夾約1 m厚黃土(俗稱“紅二條”)。層厚為2.40～5.00 m，底深度為22.80～29.80 m，層底標高為445.30～451.27 m。

⑦黃土(Q2eol)：黃褐色，可塑，含少量鈣質條紋，偶見蝸牛殼碎片。層厚為2.80～5.40 m，層底深度為25.80～33.00 m，層底標高為441.36～447.07 m。

⑧古土壤(Q2el)：黃褐色，可塑、局部軟塑，團粒狀結構，含鈣質條紋及鈣質結核，局部富集。層厚為1.10～3.60 m，層底深度為28.10～35.70 m，層底標高為439.26～445.11 m。

從以上工程地質勘查情況可以看出，該場地屬于典型的以黃土為主的土質條件，且含水量比較大，符合濕陷性黃土的特點。

1.2 水文地質概況

勘察期間，實測地下水穩(wěn)定水位埋深為27.50～40.50 m，相應的水位高程為436.84～439.88 m，屬潛水類型。地下水的補給主要為雨水下滲及地下徑流，地下水的排泄主要為地下徑流，擬建場地地下水位如圖2所示。地下水補給對該場地地下水無影響。擬建場地南側約8 km為渭河，北側5 km為涇河。根據(jù)周邊資料收集可知，此區(qū)段涇河、渭河河漫灘地下水水位標高分別約為385 m、368 m，該場地地下水位高程為436.84～439.88 m。綜合分析地下水補給涇河及渭河，涇河、渭河對該場地地下水無影響。擠密樁的成孔深度未達到地下水埋深，所以可以不用考慮地下水對擠密樁成孔施工的影響。

圖2 擬建場地地下水位示意圖

2 素土擠密樁設計方案

2.1 擠密樁的設計布置

該場地為自重濕陷性黃土，采用靜壓沉管成孔工藝素土擠密樁對場地進行濕陷性預處理[1-2]?，F(xiàn)場擠密樁分為擠密樁試樁和擠密樁正式樁兩種，其樁徑均為560 mm，樁間距均為1 200 mm，正三角形布樁樁位布置圖如圖3所示，擠密樁試樁布置如圖4所示。樁孔回填材料采用素土，分層回填，分層夯實。為消除樁身長度范圍內地基土的濕陷性，設計要求樁體內壓實系數(shù)≮0.97，樁間土壓實系數(shù)≮0.93。

圖3 擠密樁樁位示意圖

圖4 擠密樁試樁樁位示意圖

該施工場地內擠密樁種類總共有11種，除了擠密樁11有一定的地基承載力要求，需要在樁基成孔之后挖除上部土體及土層做500 mm厚的3∶7灰土墊層且壓實系數(shù)≮0.95之外[3-4]，其他擠密樁無地基承載力要求，擠密樁1～11的各種成樁參數(shù)與檢測目標詳見表1。

表1 擠密樁成樁參數(shù)

2.2 擠密樁的施工方案與工藝流程

擠密樁施工采用靜壓沉管成孔如圖5所示，再在孔內分層回填素土用打夯機強夯至設計標高樁頂500 mm以上[5-6]。施工時成孔和回填夯實的施工順序，應從內到外梅花間隔進行。成孔后應及時檢測樁孔的直徑、深度及垂直度，樁孔的垂直度偏差不得>1%，孔中心距偏差不得>0.25D(D為樁直徑)。向孔內填料時應先夯實孔底，然后分層回填素土進行夯實，夯實機具采用卷揚機提升式夯實機，錘重≮1.5 t。樁內平均壓實系數(shù)≮0.97，樁間土的平均壓實系數(shù)≮0.93。

圖5 靜力壓樁機實物圖

擠密樁施工工藝[7]：場地平整、樁位放樣→樁機就位、調整→成孔→成孔檢查→樁機移位→夯機就位、孔底夯實→素土分層回填→分層夯實→抽樣檢驗→清除樁間土→褥墊層施工。

2.3 擠密樁施工要點

2.3.1樁位放樣

(1)根據(jù)樁位布置圖，以工程樁樁位放線準確、方便為原則，設置一部分樁位作為工程樁控制樁。

(2)根據(jù)施工現(xiàn)場坐標系統(tǒng)，按照設計圖紙采用全站儀測放出工程樁控制樁位，用直徑約為20 mm的鋼釬打孔，孔深≮30 cm，并向其中灌注白灰做好標記。

(3)樁位控制樁測放結束后，應由施工員先自檢，質檢員再復檢樁位。合格后，報請監(jiān)理工程師驗收，經監(jiān)理工程師驗收合格后方可進行下道工序。

2.3.2樁機就位

樁機擺放應順著打樁方向，機身調平、夾樁器應垂直于地面，讓鉆桿自然垂直，對準樁位緩緩落下，樁位偏差應≤0.25 cm。準備工作完成后，啟動壓樁油缸。在成孔過程中，如發(fā)現(xiàn)樁機傾斜，應及時調整補救，確保成孔垂直度。

2.3.3靜壓樁機調整及成孔

(1)經選定的靜壓樁機安裝調試后，行至樁位處，使樁管中心(即樁機夾樁器鉗口中心)與地面上標識樁位的小木棍基本對準，調平靜壓樁機，再次校核無誤后，將長步履(長船)落地受力。

(2)樁身對中調直。樁管由靜壓樁機自帶的16 t吊車吊入夾樁器鉗口后，緩慢將樁尖降到離地面10 cm左右為止，然后由液壓油缸驅動夾樁器夾緊樁身，微調壓樁機使樁尖對準樁位，并將樁管壓入土中0.5～1.0 m，暫停下壓，再從樁的兩個正交側面校正樁身垂直度，當樁身垂直度偏差<0.5%H時才可正式壓樁[8]。

(3)壓樁是通過主機的壓樁油缸伸程的力將樁管壓入土中，壓樁油缸的最大行程為2.2 m，所以每一次下壓，樁入土深度約為2.2 m，然后松開夾樁器→油缸回程、夾樁器上升→再夾緊樁管→再下壓，如此反復進行。當樁管被壓入標注的尺寸深度(即設計深度)時，便可終止下壓。

(4)拔樁。為避免真空負壓造成縮徑、坍孔現(xiàn)象，在拔管前應停頓10 s左右，然后通過液壓油缸反復伸程、回程將樁管拔出來，拔管速度不宜過快，油缸每次伸出(2.2 m)控制在20～23 s，每回程控制在38～42 s。

2.3.4成孔要求

(1)設計樁徑為560 mm，允許誤差為-20 mm，間距為1 250 mm，成孔深度不小于設計孔深，允許誤差為+500 mm，孔口中心偏差不大于樁距的5%。

(2)施工中孔深必須達到設計深度，應認真進行成孔檢查并填寫成孔記錄。

(3)成孔過程中，應經常用線錘檢查樁孔的垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時調整，保證成孔垂直度≤1%H(H為樁高)[9]。

(4)如有落土、縮孔等異?，F(xiàn)象，應使用洛陽鏟進行人工二次清孔，保證成孔質量符合設計要求。

2.3.5施工順序

遵循設計要求，采取隔行隔樁跳打，順序如圖6所示?？偟氖┕ろ樞蚩刂圃瓌t是：從里向外，隔行隔樁跳打，分四個階段進行施工。

圖6 靜力壓樁機成孔順序

(1)圖中1表示首先進行施工的樁，屬于第一層次施工。

(2)圖中2表示隨后進行施工的樁，屬于第二層次施工。

(3)圖中3表示隨后進行施工的樁，屬于第三層次施工。

(4)圖中4表示最后進行施工的樁，屬于第四層次施工。

2.3.6成孔檢查

成孔后及時檢查樁孔的質量，對超差、縮孔等采取措施及時處理。處理方法下：

(1)樁位偏差采用尺量檢查，偏差超過樁距的5%，采用素土夯實回填后，重新成孔。

(2)成孔直徑偏差采用尺量檢查，偏差>-40 mm，采用螺旋鉆修孔。

(3)成孔深度采用尺量及測繩檢查。要求不小于設計孔深，允許誤差為+500 mm。孔深小于設計孔深時，重新成孔。

(4)成孔垂直度偏差≯1.5%H，成好一個孔用蓋板蓋一個孔，成孔時專人做好記錄，自檢并經監(jiān)理驗收合格后，再進行下一施工程序。

2.3.7土料拌和

(1)根據(jù)填料含水量控制在最優(yōu)含水量±2%以內。

(2)素土質量控制措施，采用就地挖土的粘性土及塑性指數(shù)>4的粉土，土內不得含有松軟雜質和耕植土；土料應過篩，基顆粒應≯15 mm，不得含有凍土，建筑垃圾。

2.3.8回填夯實

擠密樁回填夯實工藝流程為：夯機就位→分層填料→重錘夯擊→封頂壓實樁→夯機移位至下一根樁施工。

(1)素土填料含水率合適直接使用。

(2)素土用小裝載機回填，按規(guī)定間隔、次數(shù)、數(shù)量進行填料，每次填料一鏟約0.15～0.2 m3。

(3)采用1.6 t重錘夯擊成樁。夯機由指定操作人員專人操作，每一次填料后，夯擊6～8次，夯實至基坑底面。根據(jù)施工經驗，落距≥3.0 m。

(4)夯機平穩(wěn)就位、對中，夯錘應自由落入孔底。

(5)填料前先對孔底進行6～8擊預夯，夯擊次數(shù)以孔底發(fā)出清脆響聲為止。

(6)填料采用小裝載機計量，孔內填料時，由專人按規(guī)定數(shù)量均勻填進，不能盲目亂填，然后夯擊，交替進行，即夯填孔底→填料→夯實→填料→封頂→夯實，夯擊數(shù)為6～8擊。

(7)填料、夯擊交替進行，邊填邊夯，均勻下料，均勻夯擊至基坑底面，夯實后及時對樁身壓實系數(shù)進行檢測，檢測數(shù)量為成樁總數(shù)的1%，每個單體≮9根。

(8)為保證樁孔的填、夯施工質量，施工員對填料數(shù)量、填入次數(shù)、填料質量、含水量、夯擊次數(shù)、提升高度應有詳細的記錄，對完工的樁號、排號、樁數(shù)逐個與施工圖對照檢查，如發(fā)現(xiàn)問題應立即返工或補打、補填。

2.3.9抽樣驗檢

對樁身夯填質量進行隨機抽樣檢驗[10-11]。采用開挖探井取樣檢驗法，人工開挖探井(與擠密效果檢驗探井合并進行)，從樁頂設計標高起，沿樁長每1.0 m在距樁孔中心2/3半徑處，取兩個試樣，測定干密度并計算出該層填料的壓實系數(shù)平均值，最后再計算出全樁長的平均壓實系數(shù)λ。抽檢數(shù)為成樁數(shù)的1%，且每個單體數(shù)量≮9根。要求樁體壓實系數(shù)≮0.97。用于檢測樁間土平均擠密系數(shù)的的檢測探井數(shù)量不得少于總樁數(shù)的0.3%，且每個單體工程≮3個，樁間土壓實系數(shù)≮0.93。對于抽檢不合格，采用三樁之間進行加樁的方法予以處理，擠密樁驗收程序如圖7所示。

圖7 擠密樁驗收程序

3 擠密樁施工存在的問題及解決方法

3.1 擠密樁施工存在的問題

在擠密樁施工成孔的過程中，較為突出的問題是靜力壓樁機在樁基成孔的過程中樁孔存在一定的縮頸、縮孔問題，樁徑為560 mm，成孔樁徑大概在540～550 mm，在進行正式樁成孔的過程中，每成孔100根，大約有60根左右會出現(xiàn)縮孔、縮頸的問題。出現(xiàn)該問題的原因可能是由地基土含水導致，其含水量過多過少都會導致縮孔或縮頸[11]；也可能是在擠密樁施工過程中，施工人員未按照施工要求進行擠密成孔，如不遵循成孔順序而盲目擠密成孔，或是在成孔后未及時進行孔內填充造成的。

3.2 解決方法

為了解決擠密樁施工過程中存在的縮孔、縮頸問題，目前主要有如下解決方案：

(1)如果成孔位置地基土的水含量過多，可以在孔內注入水泥或石灰粉等對水分進行吸收，減少土體的含水量；若地基土含水量過少，可以預先浸潤加固土體，使其達到理想的含水量，此方法是平衡土體的含水量，使土體的含水量達到擠密樁的施工要求。從土力學角度而言[12]，平衡土體的擠壓力使土體的孔隙水壓力與成孔后對土體周圍的擠壓力相平衡，使其合力為0。

(2)從施工現(xiàn)場管理角度來說，在擠密樁施工過程中現(xiàn)場管理人員首先考察施工場地的具體情況，科學組織施工，然后按照規(guī)定的步驟進行成孔。

(3)如果施工之前沒有注意到土體的濕陷性特征，待到成孔之后才發(fā)現(xiàn)擠密樁的縮孔、縮頸等問題，最為直接的方法就是采用旋挖法進行擴孔、擴徑，即采用旋挖鉆機進行旋挖施工，實踐證明采用旋挖法解決樁基成孔的縮孔、縮頸問題會大大加快施工進度。該項目為了解決擠密樁施工過程中存在的縮孔、縮頸問題，采用旋挖法進行處理，結果表明，利用旋挖鉆機不僅能夠提高擠密樁的施工速度，而且還能夠保證擠密樁的施工質量。

4 結語

結合關中平原某機場項目部擠密樁施工，介紹了擠密樁所處的工程地質條件、水文地質條件，擠密樁的設計與布置、擠密樁的施工工藝流程與方案、施工控制要點以及擠密樁施工過程中存在的問題與解決方法，分析可知：

(1)素土擠密樁成樁速度較快，可以適用于帶有濕陷性黃土性質的關中平原區(qū)域，而且素土擠密樁的施工工藝也較為成熟，施工較為方便。

(2)素土擠密樁在濕陷性黃土性質下的施工過程中存在縮孔、縮頸問題，可以從擠密樁成樁施工工藝，現(xiàn)場管理人員的組織以及采用旋挖法等3個方面有效解決。

(3)素土擠密樁在黃土土質的復合地基中施工時，對于出現(xiàn)擠密樁縮孔、縮頸的問題，可以采用化學或物理方法改善土體中的含水量，讓土體的含水量處于擠密樁施工允許范圍之內，進而改善土體的土質，平衡土體對樁孔周圍的壓力，使樁基成孔之后周圍土體發(fā)生的位移盡可能小。

(4)在黃土地區(qū)進行擠密樁施工之前，首先要對黃土土質本身的含水量進行勘探調查，確定其含水量，進而在后期的擠密樁施工過程中做好施工過程與質量控制，現(xiàn)場管理人員要嚴控施工順序，盡可能減小擠密樁成孔之后出現(xiàn)縮孔、縮頸的概率。