不同深度DDC樁處理自重濕陷性黃土浸水載荷試驗研究

張廣平,黃雪峰,朱殿之,奚增紅

(1.國家電網甘肅省電力設計院,甘肅蘭州730050;2.解放軍后勤工程學院建筑工程系,重慶401331)

0 引 言

DDC(Down Hole Deep Compaction)又稱孔內深層強夯法,該方法由北京長城建筑新技術研究所司炳文[1-2]提出,它的作用機理是把渣土(碎磚瓦、石、砂、土、碎混凝土塊、工業廢料以及它們的混合物等)用于地基處理,既能滿足上部建筑物對地基承載力的要求,同時又達到節約成本的目的。

DDC工法作為一種處理深厚濕陷性黃土地基的有效方法,能充分提高濕陷性黃土地基抵抗濕陷能力,有其廣闊的應用前景。該項技術在多項地基處理工程中得到應用[3-10],消除了深厚黃土地基的濕陷性,大幅度提高了地基承載力,降低地基壓縮性,處理效果顯著。為規范DDC工法,中國工程建設標準化協會2006年制定了《孔內深層強夯法技術規程》[11]。

孔內夯實擠密法是借鑒擠密法變革而來的,它先是用長螺旋轉機、人工挖孔或沉管打樁機成孔,在向孔內填入素土、灰土等填料,在以重錘(1.5 t～2.5 t)在孔內分層夯實,使填料向孔周側向擠出,一般成孔直徑0.4 m,夯擴至成樁直徑0.55 m～0.60 m,形成一種擠密的復合地基。灰土(素土)擠密樁成孔不使用螺旋鉆機,直接使用成孔設備或爆炸能量所產生的橫向擠壓作用形成樁孔。較之素土和灰土擠密樁,孔內深層強夯法處理后的復合地基的承載力更高且均勻,處理深度更深(一般可達25m～30 m),處理黃土濕陷性的效果更為理想。

孔內深層強夯法近年來得到廣泛的應用,但其理論和試驗研究卻滯后于實際工程,關于DDC樁長合理控制問題也鮮有報道。樁長的合理控制直接關系到地基承載能力的提高和工程造價的降低等問題。樁長過長,基礎承載能力會顯著增加,但同時也會提高相應的工程造價。另外黃土地基處理后,遇水情況下,地基仍然發生破壞,也就是對地基的影響很大。因此有必要就合理選擇樁長問題以及荷載作用下水分對地基沉降的影響進行深入的探討,本文針對以上問題進行大規模浸水載荷試驗。

1 試驗概況

1.1 場地條件

試驗場地位于蘭州市和平鎮,北臨蘭天高速,東、南臨金川科技園,交通便利。場地地勢較平坦,經勘查場地地貌單元屬黃河南岸Ⅳ級階地,地貌單元單一。據當地深井資料,該場地地下穩定水位大于70 m,場地黃土層總厚度大于38 m,其中濕陷性黃土層厚度約36.6 m,全厚度黃土層均有濕陷性。根據勘探點揭露,黃土由第四系馬蘭黃土組成,其巖土工程特性,現自上而下列于表1。

1.2 場地布置

場地地基處理前需對土體進行增濕,使土體含水率接近最優含水率后方可進行地基處理。經過擊實試驗得到場地最優含水率為15.9%。

試驗場地共布置3個區域,樁長分別為15 m、20 m和25 m,樁間距統一為1.1 m。處理區域先用步履式樁架ZKL-20型長螺旋鉆(圖1)預成孔直徑40 cm,等邊三角形布置,成樁直徑大于0.6 m,用DE5型夯實機(圖2)進行夯實,夯錘重 1.6 t,夯擊能800 kJ～2 000 kJ,夯實材料選用場地中素土。孔內深層強夯法現場圖和剖面圖分別見圖3和圖4。

表1 試驗場地的土層特征

圖1 步履式樁架ZKL-20型長螺旋鉆

圖2 DE5型夯實機

圖3 地基處理后現場圖

圖4 不同樁長處理區剖面圖

場地處理結束后,在處理區域中心處開挖2 m×2 m的正方形空間,用C30混凝土澆注承臺。承臺具體尺寸參見圖5和圖6。承臺自身重量為20 t,承臺上加載60 t荷載,荷載采用編織袋裝土稱重的辦法,使承臺單位面積荷載達到20 t。在承臺中心處以及不同地表位置設置沉降觀測點,沉降觀測點構造如圖7。荷載施加前,先移除混凝土承臺下方土體,開挖深度為0.5 m,寬度為0.8 m,開挖區作為此次試驗的浸水坑,以保證浸水水頭達到0.3 m～0.5 m。

圖5 承載臺配筋圖

圖6 承載臺剖面圖

1.3 試驗沉降點觀測

三個處理區總共22個地表沉降觀測點,3個承臺中心觀測點,觀測點編號如圖 8所示,圖中DDC15N1,表示15 m區正北面第一個觀測點,其余依次類推;DDC15-20表示15 m區與20 m區之間沉降觀測點。沉降觀測使用高精度精密水準儀SETL ATO-28ATO-32,每天早9點定時量測。整個試驗共進行了137個晝夜,包括浸水期71 d以及停水期66 d兩個階段。

圖7 沉降觀測點構造圖

1.4 濕陷性的測定

濕陷性測定主要包括0.2 MPa壓力濕陷系數和飽和自重壓力濕陷系數下測定兩方面內容。采用單線法進行濕陷系數測定,同一土樣取5個環刀試樣,試樣均在天然濕度下分級加荷,加至不同的規定壓力,下沉穩定后,各試樣浸水飽和,附加下沉穩定,試驗結束。

場地處理完后,對處理趨于擠密效果進行檢驗。3個樁體之間進行探井開挖,從上到下依次每延米三樁間、兩樁間和樁身取原狀土樣,分別用單向壓縮固結儀量測不同深度的土樣0.2 MPa壓力濕陷系數δs0.2和飽和自重壓力濕陷系數 δzs。

圖8 沉降觀測點編號示意圖

0.2 MPa壓力濕陷系數 δs0.2按式(1)[12]計算:

式中:hp為保持天然的濕度和結構的土樣,加壓至0.2 MPa時,下沉穩定后的高度;h′p為上述加壓穩定后的土樣,在浸水作用下,附加下沉穩定后的高度;h0為土樣的原始高度。

自重濕陷系數值按式(2)[12]計算:

式中:hz為保持天然的濕度和結構的土樣,加壓至土的飽和自重壓力時,下沉穩定后的高度;h′z為上述加壓穩定后的土樣,在浸水作用下,附加下沉穩定后的高度;h0為土樣的原始高度。

2 試驗結果分析

從現場承臺下部浸水坑滲水情況來看,處理效果對滲水有著很強的阻礙作用,承臺底部注水1次,水分入滲的時間較長,向四周擴散也十分緩慢。孔內夯實擠密效應發揮作用,對周邊土起到了擠密作用;密實度提高對滲水的影響較大;所以浸水載荷試驗結束時,承臺周邊沒有很明顯由于水分入滲而引起的濕陷沉降,也沒有裂縫的出現。承臺下方浸水試坑沒有大量沉降發生,只有試坑邊緣由于濕化引起的土壤塌陷。

2.1 處理區域擠密性和濕陷性分析

對處理后的DDC不同樁長區域,選擇15 m和20 m區進行挖設探井,檢驗樁體即樁周土擠密和濕陷情況情況。探井深度均為10 m,對三樁間、二樁間和樁身進行取樣。由室內標準擊實試驗可知該區域土體最大干密度為1.67 g/cm3、最優含水率為15.9%。

限于篇幅本文中只將擠密區最薄弱環節三樁間土樣進行分析。15 m和20 m區域取得三樁間沿徑向擠密系數如圖9所示,規范要求樁間土擠密系數最小不小于0.88,平均不小于0.90。15 m區域三樁間平均擠密系數為0.91,20 m區域三樁間平均擠密系數為0.92,且兩個區域每延米處擠密系數均大于最低限度要求。

圖9 DDC樁15 m區和20 m區域三樁間擠密系數

圖10～圖11是兩個區域不同壓力作用下的濕陷系數沿徑向變化曲線。三樁間土濕陷系數均小于0.015下限,甚至4 m以上土體濕陷系數為0,這說明DDC樁完全消除了土體的濕陷性。整體來看不同壓力下的濕陷系數沿徑向增大,也就是說上部土體處理的效果更好些,這與擠密系數變化趨勢一樣,擠密系數較大的地方,則濕陷系數較小。

三樁間為整個擠密區域最薄弱的環節,如果三樁間達到良好的擠密效果,則整個處理區域濕陷性等指標也能較好達到要求。在本次試驗條件下,選擇樁間距1.1 m的素土樁體,達到了消除濕陷性的目的,這也反映處理達到了消除濕陷性的目的。

2.2 承臺沉降觀測分析

圖12～圖14分別是15m、20 m和25 m DDC區域承臺沉降觀測點數據變化圖。同樣施加80 t荷載,樁長越長,承臺沉降越小。15 m區域承臺累計下沉87 mm;20 m區域累計下沉62mm;而25m區域累計下沉44 mm。3個承臺沉降主要發生在前20 d,浸水前20 d沉降占整個沉降量的70%左右,后期50 d浸水發生沉降較小,僅占20%;停水后觀測中3個承臺沉降逐漸趨于穩定,但樁長較短的區域如15 m區域,沉降穩定所需的時間較其他稍長。25 m承臺浸水40 d后,沉降逐漸穩定,之后一直維持到試驗結束。

2.3 地表沉降觀測分析

地表沉降一共22個,本文中只分析了三個處理區域部分地表沉降變化,其余觀測點的變化規律與文中羅列的觀測點幾近相同,未全部羅列。另外試驗中地表沉降在浸水40 d左右時依然很小,故停止了地表沉降觀測。

15 m區共有 6個地表沉降觀測點。編號為DDC15-20(圖15)的地表沉降在6個觀測點中沉降表現最為突出,累計沉降僅有4 mm,其余地表沉降觀測點只有2 mm的沉降。15 m區域沉降亦出現沉降量曲線減小的趨勢,如圖16。出現這種情況一方面由于受天氣影響,秋冬季蘭州地區刮風較多;另一方面,還有試驗在冬季進行,出現地表的凍脹。

圖10 DDC樁15 m區和20m區域三樁間濕陷系數δs0.2

圖11 DDC樁15 m區和20 m區域三樁間濕陷系數δzs

圖12 15 m DDC樁承臺沉降觀測曲線

圖13 20 m DDC樁承臺沉降觀測曲線

圖14 25 m DDC樁承臺沉降觀測曲線

圖15 DDC15-20沉降量變化曲線

采用15 m的DDC樁進行地基處理后,對承臺進行浸水,承臺歷經137 d累計沉降僅有87 mm;而周邊地表沉降觀測點最大沉降也僅有4 mm,應該說采用樁間距1.1 m,樁長15 m對大厚度自重濕陷性黃土進行處理,抵抗20 t/m2的荷載效果良好。

圖17～圖20是20 m區域部分地表沉降觀測點數據變化曲線。從這些曲線可以看出20 m承臺周邊沉降依然是很微小,最大沉降是點號DDC20W2僅有3 mm(圖20)。DDC20N1(圖19)出現上升階段,而且上升幅度較大,向上隆起7 mm。地表沉降是由于濕陷引起,地面隆起則由于凍脹因素造成。

圖16 DDC15N1沉降量變化曲線

圖17 DDC20S1沉降量變化曲線

圖18 DDC20S2沉降量變化曲線

圖21和圖22是25 m區兩個地表沉降觀測數據變化曲線。25 m沉降曲線變化總體與15 m和20 m區域變化類似,累計沉降量較小,存在回彈現象。點號DDC25E2 46 d記錄中累計發生了6 mm的沉降;DDC25W2地表沉降在46 d觀測中,沒有發生任何沉降(文中未羅列)。25 m區在浸水過程中,80 t的荷載下對承臺西面8.5 m距離處土體沒有任何影響。總體來說25 m區域承受了20 t/m2,周邊沒有出現裂縫以及大面濕陷沉降等問題。

圖19 DDC20N1沉降量變化曲線

圖20 DDC20W2沉降量變化曲線

圖21 DDC25E2沉降量變化曲線

圖22 DDC15-25沉降量變化曲線

從DDC 15 m、20 m和25 m處理區域沉降觀測變化曲線來看,地表浸水對承臺影響不大,而且在周邊滲水的情況下,較大荷載并沒有引起處理區域的過大變形。樁長 15 m、20 m和 25 m,樁間距1.1 m能滿足20 t/m2荷載要求。因此在樁間距1.1 m條件下,選用15 m樁長可有效節約地基處理成本以及降低工程造價。

3 結 論

本文通過對自重濕陷性黃土典型場地進行不同DDC樁長的浸水載荷試驗,主要結論有:

(1)DDC工法處理后,浸水試坑中水分入滲緩慢;

(2)3個處理區域沒有發生較大沉降,凍脹作用引起的地表膨脹大于由于承臺下降和土體濕陷引起地表沉降;

(3)3個不同DDC樁長處理后的地基都能抵抗20 t/m2的荷載,選用DDC樁長15 m和樁間距1.1m的樁間距可以有效節約成本,降低工程造價。

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