灰土擠密樁在公路黃土地基治理中的應(yīng)用

李剛

（陜西華雁工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，西安 710000）

1 工程概況

甘肅省甜水堡（位于寧甘界）經(jīng)慶城至永和（甘陜邊境）高速公路TY09 段主干線項(xiàng)目為一個(gè)四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為80～100 km/h。設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h、100 km/h，分離式路基路面寬度分別為12.75 m、13 m。地形地貌為黃土梁峁溝壑地貌，梁峁起伏、溝壑縱橫，呈殘塬溝壑地貌類型。地形受流水侵蝕切割強(qiáng)烈，溝谷深切，地形支離破碎。該地區(qū)地形多變，溝壑兩側(cè)的黃土梁地勢(shì)較陡。河道迂回曲折，兩岸坡度較陡，坡面上普遍有一層崩坡積物，溝底兩側(cè)多見崩塌。河溝兩側(cè)支溝發(fā)育，兩側(cè)坡面凌亂，植被稀疏，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。

公路沿線存在的主要不良地質(zhì)現(xiàn)象有滑坡、崩塌等，其特點(diǎn)主要是濕陷性黃土。本段黃土自重濕陷量為73.4～534.84 mm，總濕陷量為230.4～971.55 mm，均為二級(jí)以上的自重濕陷性黃土，具有較高的潤濕性等級(jí)，需要大量的地基處理工作。橋梁與路基之間的短路基、涵洞地基、橋臺(tái)過渡段以及Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土段落均采用灰土樁處理。

2 灰土擠密樁

2.1 灰土擠密樁技術(shù)原理

灰土擠密樁技術(shù)是提高濕陷性黃土地基承載力和水穩(wěn)定性的一項(xiàng)新技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。概言之，灰土擠密樁由一定體積比的均勻混合的材料制作而成，其工藝是將石灰和土按一定比例混合后，填入樁孔中使其硬化致密，從而使混合料具有氣硬性和水硬性。此時(shí)，帶正電的鈣離子會(huì)和帶負(fù)電的黏土顆粒相互吸附，且隨著鈣質(zhì)土壤年限的不斷增加，其會(huì)相應(yīng)加強(qiáng)土體固化作用，從而讓土體強(qiáng)度得到提高。

以力學(xué)性能角度分析基礎(chǔ)壓實(shí)效果可知，為了提高基礎(chǔ)抗變形能力，基礎(chǔ)承載力會(huì)將基礎(chǔ)阻尼進(jìn)行消除處理。由于灰土擠密樁承受的荷載是由樁周摩擦力引起的，并向周圍的土壤傳播，因此，其處于擠密成孔狀態(tài)下，原位于樁孔之處的土體會(huì)在摩擦力的作用下而出現(xiàn)強(qiáng)制性側(cè)向擠壓現(xiàn)象，這可以在一定程度上提高樁周可受力范圍內(nèi)土層的密實(shí)度。

在單樁外部土固結(jié)試驗(yàn)中，若孔壁四周土體的干密度接近（或超過）最大干密度，則該部分土體徑向外延的土體干密度也會(huì)隨之減小到土體自然密度數(shù)值，一般情況下樁孔半徑會(huì)由于受到固結(jié)影響而增加1.5～2.0 倍。另外，在相鄰樁孔固結(jié)區(qū)邊界處，固結(jié)效應(yīng)相互重疊，樁間土中心密度增大，樁間土密度趨于均勻，樁間距越小，重疊效應(yīng)越明顯。

2.2 灰土擠密樁的構(gòu)造和布置

2.2.1 灰土擠密樁樁孔直徑

根據(jù)工程量、施工圖效果、施工設(shè)備、鉆進(jìn)方法及經(jīng)濟(jì)性，本項(xiàng)目灰土擠密樁直徑選擇為400 mm。

2.2.2 灰土擠密樁樁長

灰土擠密樁由土質(zhì)條件、樁處理地層深度、施工要求和鉆孔設(shè)備等因素決定，樁長一般為5～15 m。

2.3 機(jī)具設(shè)備及材料要求

2.3.1 成孔設(shè)備

通常來說，成孔設(shè)備使用的設(shè)備主要有：（1）0.6 t（或1.2 t）柴油打樁機(jī)；（2）自制打樁機(jī)；（3）沖擊鉆；（4）洛陽鏟鉆孔。

2.3.2 夯實(shí)機(jī)具

當(dāng)前，在進(jìn)行夯實(shí)施工時(shí)，往往會(huì)使用到兩種通用壓路機(jī)：（1）偏心輪夾持桿式壓路機(jī)；（2）卷揚(yáng)機(jī)改進(jìn)型壓路機(jī)。

卷揚(yáng)機(jī)改進(jìn)型壓路機(jī)的夯實(shí)施工主要由鑄鋼材質(zhì)的夯錘來完成，其特征為：（1）質(zhì)量一般為100～300 kg；（2）垂直投影面積的靜壓力通?！?0 kPa；（3）為了確保填料可順利通過夯錘四周，與樁孔直徑相比，夯錘最大部分的直徑應(yīng)較樁孔直徑小100～150 mm。

2.3.3 樁孔內(nèi)的填料

對(duì)于石灰材料，必須選用Ⅱ級(jí)以上的新鮮消石灰，相關(guān)要求為：

1）有效氧化鈣與氧化鎂的含量必須在60%以下，粒徑必須在5 mm 以下，土壤有機(jī)質(zhì)含量必須在5%以下，樁內(nèi)平均壓實(shí)度必須達(dá)到97%以上[1]。

2）采用二八灰土，灰土墊層厚度為40 cm，厚度為8%，樁頂高度以上壓實(shí)度不小于96%。

2.4 設(shè)計(jì)要求

2.4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

黃土狀粉土層屬中等壓縮性土，其物理指標(biāo)主要包括以下7 個(gè)內(nèi)容：（1）天然含水量為11.2%；（2）最大干密度為13.7～14.5 kN/m3；（3）天然孔隙比為0.840；（4）液性指數(shù)為-0.48；（5）天然狀態(tài)下壓縮模量為9.45 MPa；（6）浸水狀態(tài)下的壓縮模量為2.32 MPa；（7）天然狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)為13.6 擊。

經(jīng)綜合各項(xiàng)物理指標(biāo)分析可知，當(dāng)處于天然狀態(tài)時(shí)，該層土地基承載力為130 kPa。

2.4.2 處理要求根據(jù)DG/T J08-40—2010《地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，在使用灰土或灰土擠密樁法時(shí)，必須滿足以下要求：（1）樁間擠密土濕陷系數(shù)為0.015；（2）樁間土最小干密度≥15 kN/m3；平均壓實(shí)系數(shù)≥0.93。本工程要求地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值需達(dá)到220 kPa[2]。

2.5 處理效果

為了明確處理效果，本工程對(duì)復(fù)合地基實(shí)行了載荷試驗(yàn)，具體方法為：隨機(jī)選取3 根試驗(yàn)樁（1#～3#樁），分別將樁放在φ12.6 m 圓形承壓板下壓位置。需注意的是，天然地基承壓板必須在尺寸上相同于復(fù)合地基承壓板。

荷載試驗(yàn)成果具體數(shù)據(jù)見表1。通過表1 可知，地基承載力會(huì)在被擠密后提高近2 倍，效果良好。

3 施工準(zhǔn)備

在施工前期，需要做以下準(zhǔn)備工作：

1）檢查基礎(chǔ)土壤的水分含量和飽和度。如果當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)土壤的含水量＜12%或＞24%，且飽和度大于65%，應(yīng)立即將確認(rèn)信息通知相關(guān)單位，由相關(guān)單位決定是否更改結(jié)構(gòu)。

2）施工前清除地面耕植土，平整場(chǎng)地，清除障礙物，并在場(chǎng)地范圍內(nèi)標(biāo)記地下結(jié)構(gòu)和管道。

3）測(cè)量導(dǎo)線后，確定并顯示打樁場(chǎng)的控制軸線和邊界線。

4）為了更好地對(duì)成孔深度進(jìn)行控制，要做好鉆孔機(jī)表面的標(biāo)尺標(biāo)記（且需保證該標(biāo)記清晰）。

4 灰土擠密樁施工工藝

4.1 現(xiàn)場(chǎng)平整

在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用易于移動(dòng)的大噸位樁機(jī)，在于確?，F(xiàn)場(chǎng)平整的同時(shí)，還可以保證樁的垂直度。此外，工作面最大坡度必須小于走管式樁機(jī)的最大爬坡能力（本工程為8%)。

4.2 固定樁眼位置及編號(hào)位置

以設(shè)計(jì)圖為重要依據(jù)確定軸線位置，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員檢查且確認(rèn)合格后，方可進(jìn)行樁位放樣。本工程軸線的相關(guān)參數(shù)為：（1）測(cè)量精度＜2 cm；（2）樁位放樣≤5 cm。

4.3 機(jī)械安裝

機(jī)械設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，需安排專業(yè)技能較強(qiáng)的技師進(jìn)行安裝；在安裝期間，為了確保施工能夠順利進(jìn)行，除了要讓樁體保持垂直外，還要及時(shí)維修與更換易損件。

4.4 垂直度校正

樁機(jī)安裝好后，校正樁管的垂直度，不僅要確保樁端和樁中心在同一條直線上，還要確保樁身結(jié)構(gòu)的垂直度。另外，需將下降管的尖端對(duì)準(zhǔn)樁位，調(diào)平擴(kuò)樁機(jī)架，保持樁管垂直，用金屬吊線檢查樁管垂直度，確保垂直度偏差≤1.5%[3]。

4.5 振動(dòng)沉管及成孔

本工程成孔方式為：使用沉樁機(jī)把和樁孔直徑相同的鋼管打入土中，并通過拔管成孔；成孔后，要在樁管頂部位設(shè)置下端為60°圓錐形樁尖樁帽。在正式施工準(zhǔn)備階段，為了確保能夠在施工時(shí)可以觀測(cè)好鋼管深度，要標(biāo)記好樁架或鋼管控制深度標(biāo)記。對(duì)于灰土（石灰）壓實(shí)樁施工來說，拉拔速度是需重點(diǎn)控制的內(nèi)容之一，本工程則以拔管前停頓約10 s 時(shí)間為宜。

成孔施工完成后，需進(jìn)行清底夯實(shí)（次數(shù)＞8 擊）、夯平環(huán)節(jié)；另外，鉆孔形成后，應(yīng)檢查鉆孔中心的位移、垂直度、直徑和深度。如有需要，可適當(dāng)反插，以確保樁的直徑≥200 mm[4]。

4.6 拌制灰料

按照設(shè)計(jì)要求，材料灰土比為3∶7（體積比)，生石灰中活性CaO、MgO 含量不應(yīng)低于50%（按干重計(jì)），＜5 mm 的顆粒夾石量≤5%。灰土的土料宜采用基坑開挖中挖出的土，但不得含有有機(jī)雜質(zhì)；同時(shí)要進(jìn)行篩分，以保證粒度＜15 mm。

完成上述步驟后，均勻攪拌石灰土，并控制適當(dāng)?shù)暮浚ㄔ诂F(xiàn)場(chǎng)檢查方法中，石灰土應(yīng)牢固地固定在手掌上，是否適當(dāng)以輕捏即碎為標(biāo)準(zhǔn)）。這是因?yàn)槿艉窟^高，則不僅會(huì)無法確保夯擊密實(shí)度，還會(huì)導(dǎo)致石灰土難以吸收地基水分而發(fā)生硬化現(xiàn)象，最終出現(xiàn)氣孔并降低樁體后期強(qiáng)度。本工作經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)擊實(shí)試驗(yàn)后，確定石灰土最佳含水量為15.6%。值得注意的是，石灰土必須要確?，F(xiàn)配現(xiàn)用[5]。

4.7 重錘夯實(shí)

該環(huán)節(jié)的施工要點(diǎn)為：

1）將材料分層緊湊地填充入孔。

2）分層回填厚度為280～320 mm，夯錘數(shù)不小于40 次，落錘的高度超過4 m，以確保所需擊實(shí)功。

3）夯實(shí)高度應(yīng)比設(shè)計(jì)樁頂高度高10 cm。

4）成孔后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行夯實(shí)和填充操作。

5）在夯實(shí)和填充之前，必須準(zhǔn)確測(cè)量和記錄孔的深度和直徑。

5 處理效果

為了確保本工程竣工后的處理效果，在復(fù)合地基完成28 d后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了探井，目的在于將其開剖取出原狀土樣來檢測(cè)承載力，如圖1、圖2 所示。

圖1 干密度隨深度變化圖

根據(jù)圖1、圖2 可看出：（1）在地面下2～8 m 的處理范圍內(nèi)濕陷系數(shù)均小于0.015，排除了所有潤濕性，2 m 及以下樁間土的干密度＞15.0 kg/m3，滿足要求；（2）通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的修正分析，明顯改善了固結(jié)處理后地基土的各項(xiàng)物理動(dòng)力參數(shù)，提高了土的壓縮性和干密度指數(shù)，取得了預(yù)期的效果。

圖2 干密度隨濕度變化圖

6 結(jié)語

采用灰土擠密樁處理公路黃土地基可以消除黃土地區(qū)樁間土的濕陷特性，顯著提高地基的承載力。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，要根據(jù)工程實(shí)際情況來分析灰土擠密樁在公路黃土地基管理中的相關(guān)應(yīng)用，以更好地保障施工質(zhì)量與施工安全。