SDDC工法處理濕陷性黃土地基試驗(yàn)研究?

周小松，喬建偉，夏玉云，朱才輝，宋少波

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043；3.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西 西安 710048）

0 引言

濕陷性黃土是一種具有較強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的非飽和土，在天然含水率下壓縮性較低、強(qiáng)度較高，但浸水飽和會(huì)使結(jié)構(gòu)迅速破壞，強(qiáng)度迅速降低并產(chǎn)生較大的濕陷沉降變形［1-3］。 顯著的濕陷沉降變形會(huì)使地基基礎(chǔ)下沉或產(chǎn)生不均勻沉降，進(jìn)而引發(fā)上部建筑開裂、傾斜和下沉等工程災(zāi)害。 因此，在濕陷性黃土地區(qū)開展工程建設(shè)時(shí)需消除濕陷性，目前GB 50025—2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》采用的消除濕陷性的地基處理方法主要有墊層法、強(qiáng)夯法、擠密法和預(yù)浸水法。

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法（DDC 工法）是擠密法的一種，其作用機(jī)理是采用重錘（重1.5 ～2.5t）將回填材料（素土、灰土）在孔內(nèi)分層夯實(shí)，使填料向孔周側(cè)向擠出，在形成樁體的過程中達(dá)到擠密樁周土的目的［4-5］。 該方法在消除黃土濕陷性的同時(shí)可大幅提高地基承載力，已廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土地區(qū)的地基處理［6-7］。 為更好地指導(dǎo)和服務(wù)工程建設(shè)，學(xué)者們運(yùn)用大量室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等方法對(duì)DDC 擠密樁處理濕陷性黃土地基的效果開展了研究，獲取了不同設(shè)計(jì)參數(shù)如回填材料、樁長(zhǎng)、樁間距、夯擊能、夯擊次數(shù)和施工工藝等對(duì)處理效果的影響規(guī)律［8-15］。

DDC 工法在實(shí)際應(yīng)用中多采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔的方式，由于成樁直徑（500 ～600mm）不夠，同時(shí)夯錘質(zhì)量較小，僅有1.8～3t，導(dǎo)致DDC 工法形成的樁體直徑和需要的樁間距均較?。?6］，不能有效處理大厚度濕陷性黃土，在大厚度濕陷性黃土地區(qū)工程中的應(yīng)用前景較差。 鑒于此，SDDC 工法錘體自重大，一般為10～15t，成樁直徑更大，可達(dá)1.8m，從而使樁間土及樁體的密實(shí)度更大，可處理的濕陷性黃土層厚度也更大，形成復(fù)合地基的承載力也更高［17］，近年來在大厚度濕陷性黃土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。 部分研究人員結(jié)合具體工程對(duì)其作用機(jī)理和處理效果開展初步研究并取得了一些研究成果［18］，但其試驗(yàn)研究仍嚴(yán)重滯后于工程建設(shè)，關(guān)于SDDC樁在濕陷性黃土地區(qū)擠密效應(yīng)的研究成果還鮮有報(bào)道，如SDDC 單樁的側(cè)向擠壓影響范圍及其變化規(guī)律，不同樁間距SDDC 樁的擠密效果和消除濕陷性效果，本文針對(duì)以上問題進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于西安市灞橋區(qū)白鹿原生活垃圾無害化處理熱電項(xiàng)目，地貌單元為黃土臺(tái)塬。 鉆探揭示試驗(yàn)場(chǎng)地地下水位埋深＞60m，黃土層厚度＞80m，其中濕陷性黃土層厚度＞27m，為大厚度自重濕陷性場(chǎng)地。 試驗(yàn)場(chǎng)地上部地層基本物理參數(shù)如表1 所示，試驗(yàn)場(chǎng)地穩(wěn)定。 根據(jù)GB／T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》采用輕型擊實(shí)儀獲取試驗(yàn)場(chǎng)地上部地層的最大干密度和對(duì)應(yīng)最優(yōu)含水率分別為：①層馬蘭黃土的最大干密度為1.65g／cm3，最優(yōu)含水率為18.1%；②層古土壤最大干密度為1.63g／cm3，最優(yōu)含水率為18.4%；③層離石黃土最大干密度為1.64g／cm3，最優(yōu)含水率為18.0%。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地物理參數(shù)Table 1 Physical parameters in test site

1.2 SDDC 樁設(shè)計(jì)與施工

SDDC 樁設(shè)計(jì)成孔直徑1.2m，成樁直徑1.6m。先采用長(zhǎng)螺旋旋挖鉆機(jī)成孔，然后采用夯實(shí)機(jī)夯擊成樁，回填材料為素土，選擇分層夯填，每層回填素土2.3～2.5m3。 鑒于試驗(yàn)場(chǎng)地土層含水率略大于最優(yōu)含水率，回填前應(yīng)進(jìn)行晾曬，成孔完成后首次回填素土前先預(yù)夯1 遍。 夯錘重10t，每次抬高8m，每層夯擊8 次。 鑒于本文主要研究SDDC 樁的側(cè)向擠壓特征和消除黃土濕陷性效果，為節(jié)約資源，設(shè)計(jì)試驗(yàn)樁長(zhǎng)為10m，樁周土為試驗(yàn)場(chǎng)地①層馬蘭黃土、②層古土壤和③層離石黃土。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1）單樁設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)1 根10m 長(zhǎng)SDDC 樁，施工完成后沿樁的4 個(gè)方向布置4 個(gè)橫剖面，在每根樁周不同水平距離處鉆孔取樣。 其中每個(gè)剖面第1 個(gè)鉆孔與樁軸的距離分別為10，20，30 和40cm，每個(gè)鉆孔的水平間距均為40cm，結(jié)合4 個(gè)剖面可獲得樁軸心以外0 ～4m 內(nèi)黃土的干密度和自重濕陷系數(shù)的變化規(guī)律。此外，每個(gè)鉆孔沿深度間隔1m 取樣，共取10 個(gè)土樣（見圖1），分別測(cè)試物理指標(biāo)、濕陷系數(shù)和擠密系數(shù)。

圖1 SDDC 單樁取樣布置（單位：cm）Fig.1 Samping layout of single SDDC pile（unit：cm）

2）不同樁間距群樁

設(shè)置4 個(gè)8m×8m 的試驗(yàn)場(chǎng)地，每個(gè)場(chǎng)地布設(shè)5根10m 長(zhǎng)夯擴(kuò)樁，呈正三角形布置，分別按樁心距2.4，2.8，3.2，3.6m 布設(shè)（見圖2）。 群樁施工完成后，參考建筑標(biāo)準(zhǔn)分別從距樁心2／3 半徑、三樁形心處和兩樁連線中點(diǎn)布置鉆孔A，B，C，每個(gè)鉆孔沿深度間隔1m 取樣分別測(cè)試物理指標(biāo)、濕陷系數(shù)和擠密系數(shù)。

分別在天然黃土地基、不同樁間距樁體和樁間土開展平板載荷試驗(yàn)，測(cè)試天然地基、樁體和樁間土的承載力特征值和變形模量，并計(jì)算不同樁間距下復(fù)合地基的地基承載力特征值。 試驗(yàn)承壓板均采用圓形鋼板，考慮設(shè)計(jì)單樁的成樁直徑為1.6m，樁體承壓板直徑為1.6m，對(duì)應(yīng)面積為2.0m2；根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，天然黃土和樁間土承壓板直徑分別設(shè)計(jì)為0.56，1.13m，對(duì)應(yīng)承壓板面積分別為0.25，1.0m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單樁擠密效應(yīng)

1）豎向擠密效應(yīng)

統(tǒng)計(jì)樁心以外4m 范圍內(nèi)相同深度土層干密度平均值，并對(duì)比不同地層原狀土干密度，樁周土干密度平均值增加量隨深度的變化曲線如圖3 所示。樁心以外4m 范圍內(nèi)土層干密度增加量表現(xiàn)為隨深度先增加后減小，其中樁頂以下4m 和樁底以上2m范圍內(nèi)干密度增加量較小，小于0.10g／cm3。 考慮到古土壤層天然干密度較大，可以推測(cè)SDDC 夯擴(kuò)樁對(duì)樁頂以下2m 和樁底以上2m 范圍土層（樁端）的擠密效果較差。 分析其原因主要是樁端土體缺少豎向限制，如夯擊樁底時(shí)，夯擊能側(cè)向水平傳播的同時(shí)還產(chǎn)生豎向傳播；夯擊樁頂時(shí)，夯擊能側(cè)向水平傳播的同時(shí)也可產(chǎn)生豎向傳播；夯擊能的豎向傳播削弱了水平的側(cè)向擠壓作用。 因此，樁體中部擠密效果優(yōu)于樁端。

圖3 土層干密度增加量隨深度的變化特征Fig.3 Changing characteristics of dry density of soil layer with depth

2）水平擠密效應(yīng)

考慮試驗(yàn)單樁在深度5 ～8m 的擠密效果較好，計(jì)算距樁心不同水平距離土層的擠密系數(shù)時(shí)，僅統(tǒng)計(jì)深度5～8m 處的地層干密度。 擠密系數(shù)隨距樁心水平距離的變化曲線如圖4 所示。 由圖4 可知，樁周土擠密系數(shù)隨水平距離變化曲線可分為3 段：第1 段（0.1～0.8m），隨水平距離的增加，樁周土層擠密系數(shù)基本保持不變，該段擠密系數(shù)平均值為0.98，結(jié)合《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》提出的樁體擠密系數(shù)≥0.97，認(rèn)為試驗(yàn)單樁的樁體直徑為1.6m，與設(shè)計(jì)值相同；第2 段（0.8 ～2.7m），隨水平距離增加，擠密系數(shù)逐漸減小，與水平距離呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)擠密系數(shù)為0.93 時(shí)，對(duì)應(yīng)水平距離為1.4m，表明單樁對(duì)樁心外1.4m 內(nèi)樁周土的擠密效果較好；第3 段（2.7 ～4.0m），隨水平距離增加，擠密系數(shù)基本保持不變，該段擠密系數(shù)平均值為0.81，略大于原狀離石黃土的擠密系數(shù)0.79，表明SDDC 夯擴(kuò)樁對(duì)該段范圍土層的擠密效果較差。 采用logistic模型對(duì)擠密系數(shù)與距樁心水平距離的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行最優(yōu)函數(shù)擬合，擬合效果較好，ηc為擠密系數(shù)，x為距樁心水平距離，擬合優(yōu)度R2＝0.956 5。

圖4 樁周土擠密系數(shù)隨距樁心水平距離的變化Fig.4 The variation of soil compaction coefficient around piles with horizontal distance from the pile center

3）消除濕陷性

選取距樁心不同水平距離、不同深度下的黃土濕陷系數(shù)≥0.015 的數(shù)據(jù)，繪制不同深度下黃土濕陷系數(shù)隨距樁心水平距離分布曲線（見圖5）。SDDC 單樁樁體頂部（深度1，2m 處）外側(cè)黃土在距樁心1.0m 處濕陷系數(shù)≥0.015，樁體底部（深度9 ～10m 處）外側(cè)黃土在距樁心1.1m 處濕陷系數(shù)＞0.015，而樁體中部（深度3～8m）外側(cè)黃土在距樁心2.0m 處濕陷系數(shù)≥0.015。 考慮到SDDC 單樁半徑為0.8m，樁體頂部和底部消除樁周土濕陷性的最大水平范圍為樁體外0.3m，不足樁體半徑的0.5 倍；而樁體中部消除樁周土濕陷性的最大水平范圍可達(dá)1.2m，為樁體半徑的1.5 倍，表明SDDC 單樁樁端消除樁周土濕陷性效果較差，樁體中部消除樁周土濕陷性效果則較好，進(jìn)一步證明樁端2m 范圍內(nèi)擠密效果較差。

圖5 樁周土濕陷系數(shù)隨距樁心水平距離的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of loess collapse coefficient around pile with horizontal distance from the pile center

綜上，試驗(yàn)場(chǎng)地黃土天然含水率大于最優(yōu)含水率，雖然一定程度上降低了樁間土的擠密效果，但顯著提升了樁間土的干密度，因此在工程實(shí)踐中，考慮工程造價(jià)和工期，當(dāng)天然黃土含水率與最優(yōu)含水率較接近時(shí)，可采用SDDC 工法進(jìn)行地基處理，但需通過試夯確定擠密效果。 此外，SDDC 夯擴(kuò)樁形成的復(fù)合地基對(duì)1～2m 黃土擠密效果和消除濕陷性結(jié)果均較差，工程實(shí)踐中選擇SDDC 處理大厚度濕陷性黃土濕陷性時(shí)，需進(jìn)一步采用強(qiáng)夯或其他地基處理技術(shù)消除上部2m 范圍內(nèi)的黃土濕陷性。

2.2 不同樁間距SDDC 樁擠密效果

統(tǒng)計(jì)不同樁間距中每個(gè)鉆孔在深度5～8m 處的地層干密度，計(jì)算平均值和擠密系數(shù)，繪制不同位置鉆孔擠密系數(shù)隨樁間距變化曲線（見圖6）。 樁間距相同情況下，距樁心2／3 半徑處（A 孔）擠密系數(shù)最大，形心處（B 孔）擠密系數(shù)次之，而兩樁連線中點(diǎn)處（C 孔）擠密系數(shù)最小，表明SDDC 三角形布樁在形心處的擠密效果優(yōu)于兩樁中心處擠密效果，與DDC 樁在形心處擠密效果不一致。 結(jié)合規(guī)范要求，本文建議對(duì)SDDC 復(fù)合地基分別測(cè)試兩樁中心和相鄰樁形心處樁間土的濕陷系數(shù)，當(dāng)上述樁間土不具有濕陷性時(shí)，判定SDDC 復(fù)合地基無濕陷性。

圖6 不同鉆孔擠密系數(shù)隨樁間距變化曲線Fig.6 Changing curves of compaction coefficient of different drilling with pile space

相同位置處黃土擠密系數(shù)與樁間距成反比；當(dāng)樁間距為3.6m 時(shí)，兩樁中心連線中點(diǎn)處擠密系數(shù)為0.86（＜0.88），表明當(dāng)樁間距為3.6m 時(shí)，擠密效果達(dá)不到規(guī)范中地基處理要求的最小擠密系數(shù)；但當(dāng)樁間距為2.4m 時(shí)，兩樁中心連線中點(diǎn)處擠密系數(shù)為0.92，遠(yuǎn)大于0.88，擠密效果好；當(dāng)樁間距為2.8，3.2m 時(shí)，兩樁中心連線中點(diǎn)處擠密系數(shù)分別為0.90，0.89，略大于0.88，擠密效果好。

根據(jù)規(guī)范中樁間距公式計(jì)算試驗(yàn)條件下的樁間距s為2.85m，而試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁間距為2.8，3.2m 時(shí)，樁間土擠密效果均好，可見計(jì)算偏保守。

2.3 不同樁間距群樁承載特性

1）天然地基承載力

天然地基載荷試驗(yàn)P-s曲線如圖7 所示。 天然黃土地基載荷試驗(yàn)P-s曲線均可分為2 段，加速變形階段和破壞階段，表明其無明顯的比例界限，3 組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的極限荷載分別為500，500，450kPa。 按GB 50007—2011 獲取天然地基承載力特征值為241.7kPa，據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》 計(jì)算變形模量為9.88MPa。

圖7 天然地基載荷試驗(yàn)P-s 曲線Fig.7 P-s curves of load test of natural foundation

2）不同樁間距下樁體承載力

不同樁間距下樁體載荷試驗(yàn)P-s曲線如圖8 所示。 不同樁間距樁體載荷試驗(yàn)P-s曲線可劃分為2個(gè)階段：加速變形階段和破壞階段，表明其無明顯的比例界限。 按規(guī)范獲取不同樁間距下樁體承載力特征值，計(jì)算變形模量如表2 所示，樁體承載力特征值和變形模量均隨樁間距增加而減小。

圖8 不同樁間距樁下體載荷試驗(yàn)P-s 曲線Fig.8 P-s curves of load test of single pile with different pile spacing

表2 不同樁間距下樁體承載力特征值與變形模量Table 2 Characteristic values of bearing capacity and deformation modulus of single piles with different pile spaces

3）不同樁間距下樁間土承載力

繪制不同樁間距樁體載荷試驗(yàn)P-s曲線（見圖9）。 不同樁間距樁體載荷試驗(yàn)P-s曲線可劃分為2個(gè)階段，加速變形階段和破壞階段，表明其無明顯的比例界限。 按獲取不同樁間距樁間土承載力特征值，并計(jì)算變形模量如表3 所示。 樁體承載力特征值和變形模量均隨樁間距增加而相應(yīng)減小。 對(duì)比表2，3 可知，相同樁間距下樁體的承載力特征值和變形模量均大于樁間土。

圖9 不同樁間距下樁間土載荷試驗(yàn)P-s 曲線Fig.9 P-s curves of load test of soil betweenpiles with different pile spaces

表3 不同樁間距下樁間土承載力特征值與變形模量Table 3 Characteristic values of bearing capacity and deformation modulus of soil between piles with different pile spaces

綜上，盡管SDDC 夯擴(kuò)樁復(fù)合地基上部1 ～2m范圍內(nèi)擠密效果和濕陷性消除效果較差，但樁體和樁間土承載力均顯著提高，其原因主要是復(fù)合地基中部干密度顯著提高，從而增加部地基土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致樁體和樁間土承載力顯著提高。 因此，工程實(shí)踐中可選擇SDDC 工法處理大厚度濕陷性黃土，在消除濕陷性的同時(shí)可顯著提高地基承載力。

4）不同樁間距下復(fù)合地基承載力

分別計(jì)算ξ1和ξ2（見表4）。 隨樁間距增加，復(fù)合地基承載力特征值和變形模量均逐漸減小；復(fù)合地基承載力和變形模量提高系數(shù)均＞1，但變形模量提高系數(shù)遠(yuǎn)大于承載力提高系數(shù)，表明SDDC 夯擴(kuò)樁處理后復(fù)合地基的變形特性顯著提高，因此，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》計(jì)算的復(fù)合地基變形模量提高系數(shù)則偏保守。 當(dāng)樁間距為3.6m 時(shí)，復(fù)合地基承載力特征值與天然地基承載力特征值基本相同，但變形模量是天然地基的1.6 倍。

表4 不同樁間距下復(fù)合地基承載力特征值和變形模量Table 4 Characteristic values of bearing capacity and deformation modulus of SDDC composite foundation with different pile spaces

3 結(jié)語

1）SDDC 夯擴(kuò)樁豎向?qū)俄斠韵?m 和樁底以上2m 范圍內(nèi)的擠密效果較差，其消除樁周土濕陷性的最大水平距離不足樁體半徑的0.5 倍；樁體中部范圍擠密效果好，其消除樁周土濕陷性的最大水平距離是樁體半徑的1.5 倍。

2）SDDC 夯擴(kuò)樁橫向上擠密系數(shù)隨距樁心水平距離變化曲線可分為3 段，表現(xiàn)為不變-減小-不變的特征，其數(shù)學(xué)關(guān)系可用logistic 模型并進(jìn)行最優(yōu)函數(shù)擬合。

3）SDDC 夯擴(kuò)樁三角形布樁時(shí)，單樁中心、兩樁中心和三樁形心處擠密系數(shù)均隨樁間距增加而減小，且兩樁中心擠密系數(shù)小于三樁形心，群樁樁間距設(shè)計(jì)按現(xiàn)有規(guī)范給定公式的計(jì)算結(jié)果偏保守。

4）SDDC 樁體、樁間土及其組成的復(fù)合地基承載力和變形模量均隨樁間距增加而減小，樁間距相同時(shí)復(fù)合地基承載力提高系數(shù)遠(yuǎn)小于變形模量提高系數(shù)。

本文的天然黃土載荷試驗(yàn)、樁體和樁間土載荷試驗(yàn)圓形板面積不同，一定程度上影響了承載力的對(duì)比分析結(jié)果。 此外，由于缺少較大直徑圓形載荷板，復(fù)合地基承載力和變形模量采用樁體、樁間土和理論公式計(jì)算，缺少實(shí)測(cè)復(fù)合地基承載力特征值和變形模量，后期可開展上述問題的相關(guān)研究。