濕陷性黃土地區(qū)水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基的應(yīng)用研究

邵鵬遠(yuǎn)，高 軒，饒振興

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

我國黃土地面積約640 000 km2，其中濕陷性黃土面積約占其中60%[1]。我國的西北大部分地區(qū)、華北地區(qū)以及黃河流域的中部地區(qū)是濕陷性黃土的主要分布區(qū)域[2]。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，高、大建筑物林立，大型高層建筑對地基的承載能力和抵抗變形能力要求嚴(yán)格。這使得不良土質(zhì)地基處理成為必須克服的困難，這其中尤以濕陷黃土地基處理問題成為重中之重。所以必須采取一定的工程技術(shù)措施對濕陷黃土地基進(jìn)行處理?？紤]到水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)具有低工程造價(jià)、工期適宜、節(jié)能環(huán)保、對地基土改良效果明顯[3]等一系列優(yōu)勢，將CFG樁引入濕陷黃土地基處理具有重要意義。

1 濕陷黃土失穩(wěn)原因及復(fù)合地基加固機(jī)理

1.1 濕陷性黃土的濕陷原因

濕陷性黃土從顆粒組成以及礦物成分方面來講，主要特征為：土顆粒中黏粒土顆粒和細(xì)粉粒土顆粒所占比例比較大，通常為40%～45%[4]，粗粉粒和砂粒所占比例為50%～60%。黏粒和細(xì)粉粒的礦物組成多為高嶺石以及水云母[5]；從結(jié)構(gòu)方面來講，主要特征為：在漫長的黃土形成過程中，由于特殊的氣候地理環(huán)境條件，濕陷性黃土多為風(fēng)力搬運(yùn)沉積形成[6]；無顯著層理；垂直節(jié)理明顯；大孔隙、空隙[7]。土體強(qiáng)度由顆粒間由可溶性鹽膠結(jié)形成的內(nèi)聚力以及在低濕環(huán)境下空隙間水汽界面壓力差形成負(fù)壓共同提供[8]。

濕陷性黃土遇到水之后，由于土體空隙大，水分迅速進(jìn)入土體當(dāng)中，空隙間水汽界面的負(fù)壓消失，可溶性鹽溶于水，造成土顆粒間的黏聚力消失，并且黏粒和細(xì)粉粒由于比表面積大且礦物成分遇水膨脹體積增大破壞原有結(jié)構(gòu)，再加上水膜的潤滑作用[9]，幾方作用加起來協(xié)同作用在濕陷性黃土基上的壓力，就會(huì)造成濕陷性黃土地基遇水后強(qiáng)度迅速喪失。并且濕陷性黃土地基變形是突然的、局部的、不均勻、不可控的。

1.2 CFG樁復(fù)合地基加固機(jī)理

CFG樁對濕陷性黃土地基的加固機(jī)理可概括如下：①樁體對樁周土的側(cè)向擠密作用以及對樁端地基土的壓密作用。CFG樁在插入到濕陷性黃土地基后樁周側(cè)面，及以樁端為球心，球徑為2d范圍內(nèi)的濕陷性黃土在壓力作用下固結(jié)壓實(shí)空隙率及孔隙率降低失去濕陷性[10]；②CFG樁插入到濕陷性黃土地基中，在基礎(chǔ)范圍內(nèi)大面積大深度地置換出了具濕陷性黃土，而CFG樁的樁體強(qiáng)度大、剛度大，壓縮性低、模量高，提高了加固區(qū)域的地基強(qiáng)度[11]；③CFG樁上設(shè)置的連續(xù)級配柔性嵌鎖材料褥墊層可將地基上部傳遞荷載均勻分散地傳遞給樁以及被擠密的樁間土體，起到協(xié)調(diào)變形的作用[12]。三者共同起到加固濕陷性黃土地基的作用。

2 CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用研究

2.1 工程概況

西部某黃土塬地區(qū)城市規(guī)劃建設(shè)大型甲類建筑，建筑物設(shè)計(jì)地上35層，地下3層，基礎(chǔ)底面埋深6 m，底板面積為48 m×48 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該項(xiàng)目地基土類型為Ⅰ級非自重濕陷黃土，分層土力學(xué)指標(biāo)見表1。

2.2 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

(1)樁長設(shè)計(jì)。 將樁端持力層深度確定后即可確定樁長根據(jù)表1各土層地基承載力特征值選擇④-1卵石層作為樁端持力層。所以設(shè)計(jì)樁長為23 m，由于各個(gè)底層均為粉土所以根據(jù)規(guī)范推薦采用長螺旋鉆中心壓灌成樁方式。

表1 分層土力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Mechanics index of layered soil

(2)樁徑設(shè)計(jì)。樁徑大小由成樁采用的機(jī)械設(shè)備決定，采用的機(jī)械設(shè)備為長螺旋鉆桿所以樁徑為500 mm。

(3)單樁承載能力設(shè)計(jì)：

(1)

式中，Ra為單樁豎向承載力特征值；n為長范圍內(nèi)所劃分土層層數(shù)；qsi為樁身長度范圍內(nèi)第i層土的側(cè)阻力特征值；lpi為樁身長度范圍內(nèi)第i層土的厚度；αp為樁底端阻力發(fā)揮系數(shù)；qp為樁端承載力特征值；Ap為樁的截面積。

代入數(shù)據(jù)商業(yè)資料、地勘文件、設(shè)計(jì)文件所給定的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算水泥粉煤灰碎石CFG樁單樁承載力特征值為700 kN。

(4)處理后地基承載力特征值計(jì)算：

(2)

將地質(zhì)勘察文件、設(shè)計(jì)文件、商業(yè)文件中數(shù)據(jù)代入公式后經(jīng)過計(jì)算處理后地基承載力特征值為573.24 kPa。

(5)樁間距。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》推薦，若采用長螺旋中心壓灌成樁則建議樁間距為2～4倍樁徑，該項(xiàng)目取中間值3倍樁徑作為樁與樁間距，即1.5 m。

(6)樁體強(qiáng)度。根據(jù)公式：

(3)

式中，fcu為樁身材料28 d的立方體抗壓強(qiáng)度。

樁身材料同步留樣標(biāo)準(zhǔn)試塊標(biāo)養(yǎng)28 d后，進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果平均值為24.89 MPa，所以將樁身強(qiáng)度定為C25。

(7)褥墊層厚度。褥墊層厚度取樁徑的50%且不低于300 mm，故本項(xiàng)目褥墊層厚度即為300 mm。

(8)布樁。根據(jù)設(shè)計(jì)文件、基礎(chǔ)幾何形狀、地質(zhì)勘察文件等資料，布樁形式為正方形布樁，樁與樁之的間距為1.5 m。樁數(shù)為1 156根。但是根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》要求考慮擴(kuò)大地基的處理范圍，所以地基處理寬度超出基礎(chǔ)底面每個(gè)邊的邊長12 m[14]。所以實(shí)際打樁數(shù)為2 500根。CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)匯總見表2。

表2 CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)匯總Tab.2 Summary of design parameters of CFG pile

2.3 CFG樁消除濕陷性檢驗(yàn)質(zhì)量檢驗(yàn)

采用CFG樁處理濕陷黃土地基后，應(yīng)該根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)以及《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JTJ 106—2014)，對經(jīng)過處理的濕陷黃土地基進(jìn)行地基土濕陷評價(jià)。并且測試在模擬浸水后的地基中，CFG樁的承載能力。從而進(jìn)行的浸水單樁承載能力測試。用以評價(jià)CFG樁消除濕陷性的效果，從而評價(jià)CFG樁在濕陷性黃土地基上應(yīng)用效果。

2.3.1 黃土濕陷性試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)過程與方法。濕陷系數(shù)是一個(gè)力學(xué)參數(shù)用以評價(jià)濕陷黃土的濕陷性，是試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)。因?yàn)閱尉€法的受力狀態(tài)和濕陷過程更加貼近地基的實(shí)際情況，所以采用單線法測定地基土的濕陷系數(shù)[13]。根據(jù)設(shè)計(jì)文件選定3個(gè)探坑進(jìn)行取土。取土采用機(jī)械洛陽鏟，在比樁身長度略長的范圍內(nèi)取土。

取土過程中務(wù)必保證對土樣不擾動(dòng)，務(wù)必保證保持土樣的原狀濕度、原狀密度、原狀結(jié)構(gòu)。每層土樣用環(huán)刀取5個(gè)試樣，在天然狀態(tài)下分級加荷，10 m內(nèi)土層采用200 kPa每級50 kPa，10 m外土層采用300 kPa每級100 kPa。荷載經(jīng)分級加載直至達(dá)到試驗(yàn)要求，土樣經(jīng)加載下沉穩(wěn)定后，再將各個(gè)試樣浸水直至飽和，產(chǎn)生的附加下沉穩(wěn)定后方可終止試驗(yàn)。濕陷系數(shù)根據(jù)式(4)計(jì)算：

(4)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。持力層以上各層黃土濕陷系數(shù)如圖1所示。

表3 濕陷系數(shù)匯總Tab.3 Summary of collapsibility coefficient

圖1 持力層以上各層黃土濕陷系數(shù)Fig.1 Loess collapsibility coefficients of each layer above the supporting layer

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析判定。由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)探坑在樁端持力層以上各個(gè)黃土層濕陷系數(shù)平均值為0.002 4、0.003 2、0.003 4。3個(gè)探坑濕陷系數(shù)的平均值為0.003，遠(yuǎn)小于《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》規(guī)定的0.015，可以認(rèn)為經(jīng)過CFG樁處理后的地基不具有濕陷性。

2.3.2 單樁豎向承載力靜載浸水試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)過程與方法。本試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)黃土地基浸水飽和后CFG樁的豎向抗壓極限承載能力。本試驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)文件選擇12根樁。首先需要開發(fā)浸水坑，浸水試坑以CFG樁為中心開挖，試坑為正方形，長12 m、深0.5 m。浸水孔位于坑內(nèi)，距離試驗(yàn)樁中心2 m的正位東、南、西、北處，浸水孔孔深略長于樁身長度。浸水孔用圓礫填實(shí)?？觾?nèi)鋪厚10 cm、直徑1～2 cm的圓礫。注水過程中注意控制用水量需在注水管上設(shè)置開關(guān)及水表。試驗(yàn)過程中，保持浸水坑中水深20～30 cm。安裝好儀器，做好樁頭保護(hù)后即可逐級加載。每級加載分荷載為試驗(yàn)荷載的1/10。第一級加載2倍分荷載。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 單樁豎向荷載浸水試驗(yàn)裝置Fig.2 Single pile vertical load immersion test

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取與分析判定。分級樁頂加載后的第5、15、30、45、60 min分別采用水準(zhǔn)儀讀取樁頂下沉數(shù)據(jù)。60 min內(nèi)樁頂沉降小于0.1 mm時(shí)可以施加下一級荷載。試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，12根CFG樁浸水豎向抗壓靜載試驗(yàn)的荷載值均加載到最大1 600 kN時(shí)未達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，可以判定此時(shí)未達(dá)到豎向抗壓承載能力極限，則12根CFG樁的極限承載力值取本次試驗(yàn)荷載值1 600 kN。各個(gè)樁試驗(yàn)結(jié)果極差未超過30%。所以，此次12根樁極限承載能力的統(tǒng)計(jì)值為1 600 kN，取極限承載能力的50%為樁的承載能力特征值。浸水條件下施工后CFG樁的承載能力特征值為800 kN滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 浸水CFG樁靜載試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Static load test results of CFG piles with water-immersed

3 結(jié)語

本項(xiàng)目采用CFG樁處理濕陷黃土地基，處理面積大，施打樁數(shù)多，經(jīng)過處理的地基經(jīng)過檢驗(yàn)，濕陷性消除，形成的復(fù)合地基承載能力滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。并且在同等樁長、同樣樁數(shù)的情況下，CFG樁的造價(jià)低廉，處理效果更好，更適合用于濕陷黃土地區(qū)。