素土擠密樁在某均質(zhì)土壩段地基處理中的應(yīng)用

周延國，張彩雙，王勇鑫

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

在濕陷性黃土地基上進(jìn)行工程建設(shè)時，需考慮因地基濕陷引起附加沉降對工程可能造成的危害，選擇適宜的地基處理方法，可避免或消除地基的濕陷或因少量濕陷所造成的危害。濕陷性黃土地基處理常用的方法有墊層法、強(qiáng)夯法、擠密法、預(yù)浸水法和單液硅化或堿液加固法等[1]。

擠密法是濕陷性黃土地區(qū)常用的地基處理方法之一，擠密樁包括碎石擠密樁、灰土擠密樁和素土擠密樁等。素土擠密樁是利用沉管、沖擊或爆擴(kuò)等方法在地基中擠土成孔，然后向孔內(nèi)夯填素土成樁[2]。該方法造價相對較低，適用于處理地下水位以上且飽和度小于等于65%的濕陷性黃土，處理厚度在5～15 m之間[3]。

1 工程及地質(zhì)概況

蓮花寺水庫工程位于甘肅省慶陽市境內(nèi)的葫蘆河上，葫蘆河為黃河支流北洛河右岸的一大支流。蓮花寺水庫設(shè)計(jì)總庫容為698萬m3，調(diào)節(jié)庫容350萬m3，最大壩高25.5 m，死水位1 140 m，正常蓄水位1 147 m；蓮花寺水庫工程屬Ⅳ等工程，工程規(guī)模為小(Ⅰ)型，主要建筑物為大壩和泄水建筑物。蓮花寺水庫樞紐采用河床右側(cè)均質(zhì)土壩+主河床混凝土泄洪排沙建筑物及河床左側(cè)混凝土擋水壩段的布置方案。樞紐建筑物從河床左側(cè)到右側(cè)依次為混凝土重力式擋水壩段、底孔泄洪排沙閘、表孔泄洪閘、均質(zhì)土壩等建筑物組成。

右岸均質(zhì)土壩河床壩段分布第四系全新統(tǒng)沖、洪積層(Q4al+pl)，右壩肩分布第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土(Q3m)。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 壩址區(qū)右岸各土層物理力學(xué)性質(zhì)成果

根據(jù)勘察成果，壩基土具有濕陷性，存在濕陷性黃土的不均勻沉降問題，清基后壩基為非自重～自重濕陷性場地，其中河床壩段為非自重濕陷性黃土，其濕陷量計(jì)算值△s為105～267 mm，河床壩段濕陷等級為Ⅰ級輕微；右壩肩為自重濕陷性黃土，其濕陷量計(jì)算值△s為307～531 mm，△zs自重濕陷量的計(jì)算值為133～347 mm，右壩肩濕陷等級為Ⅱ級中等，濕陷深度5～7 m，濕陷性黃土處理是葫蘆河蓮花寺水庫工程壩基處理的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

2 基礎(chǔ)處理方案的選擇

墊層法一般適用于處理濕陷性黃土深度小于3 m的地基，采用墊層法將達(dá)不到工程要求的處理深度。預(yù)浸水法一般適用于處理深度大于10 m且自重濕陷量不小于500的場地，且施工周期相對較長，單液硅化或堿液加固法工程造價高、不經(jīng)濟(jì)[4]。根據(jù)地基處理段的地質(zhì)條件及工程造價分析，初步設(shè)計(jì)階段選擇了強(qiáng)夯法進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

2.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法適用于處理地下水位以上、含水量10%～22%且平均含水量低于塑限含水量1%～3%的濕陷性黃土地基[5]。當(dāng)強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的振動和噪聲對周邊環(huán)境可能產(chǎn)生有害影響時，應(yīng)評價采用強(qiáng)夯法的適宜性。

根據(jù)濕陷性黃土地層時代、夯實(shí)厚度、處理深度內(nèi)地層含水量、飽和度等因素，蓮花寺水庫工程右岸壩基、壩肩的黃土濕陷性處理采用5 000 kN·m強(qiáng)夯能級。

強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基應(yīng)根據(jù)要求選擇有代表性的場地試夯或試驗(yàn)性施工，并根據(jù)試夯測試結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，或修改地基處理方案。

工程施工階段，場地試夯過程中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)夯施工帶來的震動、噪音對周圍環(huán)境影響較大，據(jù)調(diào)查，在該范圍內(nèi)存在32戶居民，32戶居民中有2處屬于已經(jīng)廢棄的房屋，有3戶屬于移民搬遷范圍，強(qiáng)夯對其余27戶居民的房屋及人身安全都有不同程度的影響。為了保證施工進(jìn)度要求及施工安全，需修改地基處理方案。

素土擠密樁是加固地下水位以上濕陷性黃土地基的一種方法，是消除或減少較厚黃土濕陷性的一種簡便而有效的方法，有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[6-7]。

2.2 素土擠密樁法

采取素土擠密樁方法施工時，對場地地質(zhì)條件有如下要求：

1)當(dāng)?shù)鼗撂烊缓看笥?4%，飽和度大于65%時不宜選用素土擠密法；

2)當(dāng)?shù)鼗撂烊缓啃∮?0%，采用素土擠密法時，對地基土要進(jìn)行增濕處理；

3)當(dāng)沉管夯擊振動和噪聲仍然對周邊居民及建筑物仍有較大影響時，宜考慮預(yù)鉆孔法成孔夯擴(kuò)擠密樁法。

右側(cè)河床及右岸均質(zhì)土壩段地基黃土的天然含水量10.4%～24.3%、飽和度17%～64%，處理范圍內(nèi)土層厚度小于15 m，基本滿足素土擠密樁的技術(shù)和處理深度范圍要求。

根據(jù)上述右岸均質(zhì)土壩段濕陷性黃土層的天然含水量、飽和度、濕陷下限以及土層的均一性等因素綜合考慮，采用沉管法素土擠密樁進(jìn)行壩基處理是適宜和可行的。

3 素土擠密樁初步設(shè)計(jì)

需要處理地基的地層為右岸壩坡區(qū)域的馬蘭黃土(Q3m)和河床第四系全新統(tǒng)沖、洪積物(Q4al+pl)，設(shè)計(jì)樁間土的最大干密度ρdmax取擊實(shí)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)值，右岸壩坡區(qū)域的馬蘭黃土(Q3m)最大干密度ρdmax為1.74 t/m3，河床第四系全新統(tǒng)沖、洪積物(Q4al+pl)的最大干密度ρdmax為1.66 t/m3；馬蘭黃土(Q3m)地基擠密前的平均干密度ρd0為1.41 t/m3，河床第四系全新統(tǒng)沖、洪積物(Q4al+pl)地基擠密前的平均干密度ρd0為1.47 t/m3。

3.1 樁間距確定

擠密樁的孔位，宜按正三角形布置，孔心距可按下式計(jì)算：

(1)

根據(jù)擠密素土樁施工經(jīng)驗(yàn)樁徑采用0.35 m，采用(公式1)計(jì)算，右岸壩坡區(qū)域樁間距為0.93 m，河床區(qū)域?yàn)?.52 m。

3.2 處理范圍及深度的確定

均質(zhì)土壩段壩高小于20 m，建筑物級別為4級，該壩段可按乙類建筑物進(jìn)行基礎(chǔ)地基處理，需要消除地基土的部分濕陷性，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025-2018)規(guī)定[1]，如壩基位于非自重濕陷性黃土場地，處理深度不應(yīng)小于地基壓縮層深度的2/3，下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力不應(yīng)小于100 Pka；如壩基位于自重濕陷性黃土場地，處理深度不應(yīng)小于濕陷土層深度的2/3，下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應(yīng)大于150 mm。

經(jīng)計(jì)算，右岸壩坡區(qū)域采用樁長8.0 m；河床導(dǎo)流明渠右側(cè)采用樁長8.0 m，左側(cè)采用樁長6.0 m，工程管理區(qū)采用樁長6.0 m，素土樁橫向處理寬度為壩基寬度，上下游兩側(cè)坡腳向外擴(kuò)大寬度兩排樁。

4 試驗(yàn)性施工及樁距調(diào)整

采用擠密法時，應(yīng)先在場地內(nèi)選擇有代表性的地段進(jìn)行試驗(yàn)或試驗(yàn)性施工，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，并應(yīng)取得必要的參數(shù)再進(jìn)行地基處理施工[8]。為驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)素土擠密樁參數(shù)的施工效果，在現(xiàn)場進(jìn)行了施工試驗(yàn)，結(jié)果顯示，右岸采用樁距0.90 m，樁徑0.35 m可滿足設(shè)計(jì)要求，河床區(qū)域采用樁間距1.5 m，樁徑0.35 m不能滿足樁間土壓實(shí)系數(shù)不小于0.93的要求。

經(jīng)多次調(diào)整樁間距，河床區(qū)域采用1.0 m可滿足樁間土的擠密要求，因此，最終確定樁徑采用0.35 m，右岸壩坡區(qū)域樁間距為0.90 m，河床區(qū)域樁間距為1.0 m。素土擠密樁處理后樁間土的壓實(shí)系數(shù)不應(yīng)小于0.93。擠密土料來自選定土料場，填料時宜分層回填夯實(shí)，其壓實(shí)系數(shù)不宜小于0.96。

5 施工過程控制及處理效果

5.1 成孔控制

施工過程中，在樁管上標(biāo)示出樁長紅線，可直觀控制樁長無偏差?，F(xiàn)場管理成孔垂直度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，如垂直度偏差超過規(guī)范規(guī)定的范圍，則會導(dǎo)致夯實(shí)時夯錘無法順利落入孔底，在孔壁上摩擦，夯擊能量降低[9]。

5.2 填料控制

1)經(jīng)計(jì)算孔內(nèi)虛鋪厚度為0.5 m時，填土量為0.05 m3，填土小鏟車斗容3約為0.15 m3，即控制每次填料量為1/3斗。

2)現(xiàn)場施工環(huán)境下，樁間土含水量都在16.1%～18.1%，比試驗(yàn)室環(huán)境下?lián)魧?shí)報告最優(yōu)含水量略高，在實(shí)際施工時對回填土加水量應(yīng)嚴(yán)格計(jì)算，再考慮施工過程中水分的損失，含水量控制在18±0.5%?；靥钔涟韬蠎?yīng)均勻，過低或過高均會導(dǎo)致壓實(shí)系數(shù)不能達(dá)到要求。

5.3 夯實(shí)控制

夯實(shí)時夯錘應(yīng)對準(zhǔn)孔位中心，如有偏差，也會導(dǎo)致錘尖在孔口壁碰撞、摩擦降低夯擊能[10]。夯擊次數(shù)嚴(yán)格按照每次填土6～8擊，過低導(dǎo)致夯擊能不足；次數(shù)過高則會導(dǎo)致回填土中液化。現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn)個別樁位夯實(shí)過程中孔底有吸錘、提錘困難及孔內(nèi)成橡皮土的情況，所以在局部回填土拌合不均勻，含水量過大時，還應(yīng)適當(dāng)減小夯擊次數(shù)。

5.4 處理效果檢測

在設(shè)定的施工參數(shù)下，即錘擊沉管成孔，1.5 t重夯實(shí)，回填土的含水量18±0.5%，虛鋪厚度0.5 m，夯擊能≥15 kN·m(夯錘重1 500 kg，提距≥3 m)，壓實(shí)遍數(shù)為6～8遍(夯擊次數(shù)≥6擊)。

素土擠密樁的質(zhì)量檢測主要是檢測樁身的壓實(shí)度和樁間土的干密度，檢測方式為在梅花形樁間進(jìn)行人工挖探井，在成孔的探井中進(jìn)行檢測土參數(shù)取樣，土樣包括樁間土和樁體土，按孔深每隔1 m取一個土樣，按設(shè)計(jì)要求樁體壓實(shí)后壓實(shí)度不小于96%，經(jīng)最終檢測結(jié)果樁體壓實(shí)度平均值為96.3%，無濕陷性，合格率為95%，檢測數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%；樁間土的擠密系數(shù)全部達(dá)到0.93，樁間土的干密度不小于1.54 g/cm3，樁間土的平均濕陷系數(shù)為0.011，合格率為100%。

6 結(jié) 語

蓮花寺水庫工程素土擠密樁方案根據(jù)施工機(jī)械寬度以及工作半徑將壩基和右壩肩分為幾個工作平臺，在平臺上進(jìn)行施工作業(yè)，利用機(jī)械打樁成孔橫向擠壓加密土層，在擠密成孔和樁孔回填置換的雙重作用下，改善土體物理力學(xué)性能[11]，使樁周一定范圍內(nèi)土層受到擠壓，擾動和重塑，使樁周土孔隙比減小，從而增加土體密實(shí)程度，降低土的壓縮性，提高土體承載能力，降低甚至消除黃土的濕陷性效果明顯，處理后的地基樁間土和樁體土密度相差不大，同一平面可作為均質(zhì)地基考慮。