灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基的應用研究

孟志豪

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

我國華北地區存在大面積的黃土。濕陷性黃土是一種非飽和、欠密實、大孔隙、低密度的土體，該土體在水及外部荷載作用下會出現附加下沉，因此不能直接用于地基的填筑[1]。目前對于濕陷性黃土的處理技術包括：換土墊層法、重錘夯實法、強夯法和擠密樁等。

本文結合山西某公路濕陷性黃土路基處理技術進行研究，主要對灰土擠密樁的加固機理進行分析，確定灰土的配比，并結合實體工程探討灰土樁的布設方案和施工工藝，對施工質量進行檢測及評價。

1 灰土擠密樁的加固機理

灰土擠密樁主要通過兩個方面加固濕陷性黃土等軟土地基：樁間土的擠密作用與灰土樁樁體作用[2]。

1.1 樁間土擠密作用

樁孔位置的原土體在灰土擠密樁的錘擊沉管成孔過程中會被強制側向擠壓，從而顯著提高灰土樁周圍一定范圍內土體的密實度。工程實踐表明，相鄰樁孔擠密區交界處的擠密作用可相互疊加，樁距越小，疊加效果越顯著。合理的樁間距不僅能有效提高樁間土中心部位的密實度，還能保證土體密度的均勻性。從力學性能上看，樁間土的擠密能夠顯著提高樁間地基土承載力，消除濕陷性，并達到控制沉降及減小沉降差異性的目的。

1.2 灰土樁樁體作用

適當比例的石灰、土、水拌和形成穩定的混合料，并在樁孔內經過夯實擊密作用而形成的柱狀體即為灰土樁。石灰土具有較強的氣硬性等化學性能，在水的作用下，石灰電離出大量的正電荷鈣離子，濕陷性黃土則存在大量帶負電荷的黏土顆粒，兩者相互吸附而形成膠體凝聚。而由于石灰是一種氣硬性材料，隨著水分的散失和齡期的增長，土體固化作用不斷提高，灰土的強度也逐漸增加。

灰土樁的彈性模量遠遠超過樁間土，雖然其面積僅占總地基面積的1/5左右，但一半左右的上部荷載由其承擔，顯著減小了一定深度內樁間土的內部應力，有效降低濕陷性黃土的壓縮變形和濕陷變形。其次，灰土樁會對樁間土產生側向約束作用，限制土的側向移動，樁間土只產生豎向壓密，使壓力與沉降呈線性關系。

綜上所述，灰土樁對樁間土的擠密、側向約束及樁體的承載作用是加固濕陷性黃土路基的主要作用機理。

2 灰土室內試驗研究

通過上述分析可知，灰土擠密樁復合地基中灰土樁承受著一半左右的荷載作用，因此灰土樁的強度性能是影響復合地基承載力的關鍵因素。灰土比和含水率是影響灰土樁強度的主要因素，故必須進行室內試驗設計出合理的灰土配比。

2.1 原材料試驗

本文結合山西某濕陷性黃土路基公路進行研究。該地區濕陷性黃土深12 m，首先在現場取土樣進行室內試驗測試其物理力學性質，具體試驗結果見表1。

表1 濕陷性黃土物理力學性質檢測結果

從表1可以看出，該地區的濕陷性黃土具有大孔隙比、高含水率、低壓縮模量的特點。因此需要地基進行加固設計，提高地基的承載能力。

2.2 最佳含水率的確定

根據工程經驗，選取1∶9、2∶8、3∶7三個灰土比進行室內試驗，預拌含水量從13%開始，以3%為用水量間隔依次遞增至28%。為了準確確定含水量，進行擊實試驗之前先將濕陷性黃土放入105℃烘箱中恒溫48 h，保證水分全部烘干。然后根據《公路土工試驗規程》（ JTG E40—2007）[3]采用重型擊實方法，根據最大干密度原則確定最佳含水量。擊實試驗結果見表2。

表2 試驗結果

圖1 含水率與干密度關系曲線

從圖1可以看出，灰土比為 1∶9、2∶8、3∶7的灰土最佳含水率依次為18.5%、20%和22%；最佳干密度依次為 1.63 kg/cm3、1.61 kg/cm3和 1.60 kg/cm3。

2.3 強度試驗

采用上述確定灰土比和最佳含水率拌和灰土混合料，測試各自的7 h無側限抗壓強度，根據最大強度理論確定最終的灰土比。試驗結果見表3。

從表3看出，灰土比為1∶9、2∶8、3∶7的灰土7 h無側限抗壓強度依次為660.25 kPa、609.75 kPa、688.25 kPa， 都 滿 足 設 計 要 求 的300 kPa。但灰土比為2∶8灰土的標準差較小，強度性能較為穩定。因此，綜合考慮強度及工程造價因素，擬采用灰土比為2∶8，最佳含水率為20%的灰土夯擊成型灰土樁加固濕陷性黃土地基。

表3 抗壓強度試驗結果

3 灰土擠密樁布設及施工

3.1 擠密樁布設方案

灰土擠密樁的布設方案主要包括：樁孔間距、樁長、布設形式、復合地基承載力特征值等參數。由于該路段濕陷性黃土深約12 m，長約0.42 km，路基寬10 m，因此給出灰土樁布設方案如下：

a）根據規范，灰土樁樁徑通常在300～500 mm之間，本工程選用400 mm。

b）本工程擬選用沉管錘擊法成孔，其中樁管直徑為377 mm，樁管長度為9.5 m，樁頭直徑為400 mm。采用間距為0.8 m的等邊三角形樁孔布設方案。

c）樁體長度取9.5 m。

d）復合地基承載力特征值根據式（1）進行計算：

式中：fspk為復合地基承載力特征值；fpk為樁體單位面積承載力特征值；fsk為樁間土承載力特征值；m為面積置換率。

在此取 fpk=600 kPa，fsk=180 kPa，置換率 m=0.68，經計算fspk=459.6 kPa。

3.2 施工工藝

3.2.1 工藝流程

灰土樁復合地基施工流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

3.2.2 控制要點

施工過程中主要需要控制灰土擠密樁的樁數、排列尺寸、孔徑、深度、填料質量及配合比，壓實度、擠密系數等參數，但同時需特別注意以下內容：

a）沉管樁成孔過程中必須確保鉆機準確平穩，需要高度注意樁管的垂直度和貫入速度，成孔完畢后應及時拔出樁管。

b）夯擊時確保就位的平穩性及沉管的垂直性，夯錘必須對準灰土樁的中心。

c）必須嚴格控制含水率在最佳含水率+2%范圍內，由于灰土的拌制過程中水分極易散失，因此必須保證各個施工工序的連續性。

d）由于樁身較長，必須分層夯擊，嚴格控制壓實度。

4 施工質量檢測

灰土擠密樁復合地基施工完畢7 h后，對樁身的壓實度和強度、樁徑以樁間土的物理力學指標進行現場取樣檢測，并對路基沉降進行跟蹤觀測。樁身檢測結果見表4，樁向土檢測結果見表5。

表4 灰土樁壓實度檢測結果

從表4可以看出，各個深度的灰土樁都能夠滿足規范要求的95%壓實要求；樁身強度也要高于試驗室測試的600 kPa承載力；樁徑能夠控制在400±20 mm的范圍之內，滿足要求。且隨著深度的增加，灰土樁樁身的壓實度和強度不斷增加。

表5 樁間土檢測結果

從表5樁間土的檢測結果看，灰土擠密樁能夠有效降低濕陷性黃土的濕陷性，提高地基土的壓縮模量，降低孔隙比，改善濕陷性黃土的物理力學性能。

5 結語

結合山西某公路濕陷性黃土路基處理方案進行研究。灰土擠密樁主要通過對樁間土的擠密、側向約束及樁體的承載作用來提高復合地基的承載力。室內采用擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，根據最大干密度原則和最大強度原則確定采用灰土比為2∶8、含水率為20%的灰土進行灰土樁的施工。灰土擠密樁采用0.8 m的等邊三角形布設方案和沉管錘擊法成孔技術，最后通過對樁身和樁間土現場取樣檢測結果表明，灰土擠密樁能夠有效改善濕陷性黃土的力學性能，提高地基承載能力。