灰土擠密樁處理厚層新素填土方法研究

李志亮，楊慶義，紀(jì)成亮

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東 濟(jì)南 250010)

隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工程建設(shè)領(lǐng)域越來(lái)越多的遇到填土地基問(wèn)題，對(duì)于素填土地基，常用的處理方式為換填墊層法、擠密樁法、強(qiáng)夯法等，作者結(jié)合工程實(shí)例，探討了采用灰土擠密樁法處理新近堆積厚層素填土的可行性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)、施工參數(shù)，為類(lèi)似工程處理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

該工程為青海西寧郊區(qū)某電力工程，工程場(chǎng)地內(nèi)上部廣泛分布黃土狀粉土層，層厚為2.80～15.50 m；部分地段因場(chǎng)地平整，分布厚度6.00～8.20 m的新素填土；下伏密實(shí)卵石層；素填土分布地段(此地段未分布黃土狀粉土)附屬建筑物采用灰土擠密樁地基處理方案。

1.1 場(chǎng)地地層條件

場(chǎng)地位于湟水河南岸，地貌單元屬山前斜坡地與湟水河高階地過(guò)渡地帶；地層巖性主要為第四系素填土、黃土狀粉土、卵石；下伏第三系泥質(zhì)砂巖、泥巖，具體見(jiàn)表1，地下水賦存于卵石層及基巖裂隙中。

表1 場(chǎng)地地層條件

1.2 素填土特性分析

場(chǎng)地內(nèi)素填土為場(chǎng)地平整時(shí)，將挖方地段黃土狀粉土及少量卵石挖運(yùn)堆積于地勢(shì)低洼的填方地段而形成，主要成分為黃土狀粉土，局部混卵石，堆積時(shí)間僅為半年，因此應(yīng)定性為粉性新素填土。

填土堆積方式為短期內(nèi)翻斗車(chē)傾倒、推土機(jī)推進(jìn)堆填方式，堆填厚度6.00～8.20 m，未分層碾壓，僅上部因堆填機(jī)械運(yùn)行產(chǎn)生一定壓密效果，根據(jù)堆填方式初判填土層在水平及豎向有一定均勻性；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樣密度試驗(yàn)結(jié)果，填土干密度平均值1.30 g/cm3，此干密度未考慮局部卵石分布的影響，介于堆積密度與黃土密度之間；從干密度數(shù)值結(jié)合其形成原因判斷，粉性新素填土層結(jié)構(gòu)松散，具有高壓縮性，且具有一定濕陷性，需進(jìn)行處理后才能作為小型或一般建筑物持力層。

2 處理方案

2.1 地基處理方案

填土區(qū)附屬建筑物采用灰土擠密樁對(duì)素填土進(jìn)行處理，灰土擠密樁的處理深度須穿透素填土層，到達(dá)②卵石層頂面，復(fù)合地基承載力特征值不小于180 kPa。

2.2 參數(shù)設(shè)定

2.2.1 樁身填料

考慮到場(chǎng)地內(nèi)素填土結(jié)構(gòu)松散，具有高壓縮性，為滿足建筑物對(duì)復(fù)合地基承載力要求，確定采用三七灰土作為樁身填料，樁體壓實(shí)系數(shù)不小于0.96。

2.2.2 樁徑與樁距

本次采用樁徑500 mm灰土擠密樁，樁間距計(jì)算如下：

式中：s為樁間距(m)；d為樁孔直徑(m)，取0.50 m；d為地基擠密前被處理土層的平均干密度(g/cm3)，素填土干密度為1.30 g/cm3；ρdmax為樁間土最大干密度(g/cm3)，依據(jù)黃土狀土輕型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果最大干密度為1.73 g/cm3；λc為地基擠密后，樁間土的平均擠密系數(shù)，本試驗(yàn)按0.93計(jì)算；η0為形狀系數(shù)，正三角形布樁為0.952。計(jì)算得s=1.09 m，本次樁間距選擇1.10 m。

2.2.3 復(fù)合地基承載力估算

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值(kPa)；fpk為單樁承載力特征值(kPa)，取500 kPa；fsk為樁間土承載力特征值(kPa)，擠密處理后樁間土fsk取110 kPa；m為樁土面積置換率，本工程 m=18.7%。

計(jì)算得試驗(yàn)區(qū)二fspk=183 kPa，與設(shè)計(jì)所要求180 kPa基本一致。

3 施工方案

3.1 施工材料

(1) 消石灰與土(場(chǎng)地內(nèi)黃土)的體積配合比為3∶7。

(2) 灰土拌合所用土料應(yīng)性質(zhì)穩(wěn)定，不得使用含有凍土塊、生活垃圾以及有機(jī)質(zhì)含量大于5%的耕土、淤泥質(zhì)土，同時(shí)不得使用膨脹性土和鹽漬土。

(3) 消石灰的質(zhì)量應(yīng)合格，有效(CaO+MgO)含量不得低于60%；本工程消石灰檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 消石灰粉技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

(4)灰土應(yīng)拌和均勻，回填前含水量應(yīng)接近最優(yōu)含水量，允許偏差應(yīng)為±2%；灰土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.2 地基土參數(shù)

成孔時(shí)，地基土含水量宜接近最優(yōu)含水量，本次施工前地基土擊實(shí)試驗(yàn)及含水率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)及含水率指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

地基土天然含水量為平均值為12.8%，接近最優(yōu)含水量13.8%，且不小于12%，可不進(jìn)行增濕作業(yè)。

3.3 施工設(shè)備

本次采用錘擊沉管方式成孔，成孔設(shè)備采用DD35型導(dǎo)桿柴油打樁機(jī)，沉管底口封閉，底部管箍外徑450 mm；夯實(shí)設(shè)備采用電動(dòng)自行式卷?yè)P(yáng)夯實(shí)機(jī)，夯錘重1.5 t，夯錘直徑300 mm，高3.0 m，錘底凸出呈錐形。

3.4 施工工藝

3.4.1 成孔工藝

成孔采用錘擊成孔方式，為防止樁孔周?chē)孛媛∑鹨约俺煽桌щy，采用三遍成孔方式，每一遍間隔兩排。成孔順序見(jiàn)圖1。

3.4.2 夯填工藝

每遍成孔完畢立即進(jìn)行回填夯實(shí)，回填夯實(shí)流程如下：夯機(jī)整平穩(wěn)固并對(duì)準(zhǔn)樁孔中心→底夯→填料→夯實(shí)填料→上層填料→夯實(shí)上層填料→至樁頂標(biāo)高→夯機(jī)移位；夯填時(shí)應(yīng)先底夯，夯擊次數(shù)一般為8～10擊；單層填料量0.10～0.15 m3(虛填厚度約50～80 cm)，夯錘落距2.0～5.0 m，每層錘擊次數(shù)7～10擊。由于夯實(shí)時(shí)樁體上部與樁體下部夯錘落距的差異，在夯填距樁頂標(biāo)高3 m以下樁體時(shí)，錘擊數(shù)控制在7～8擊，夯錘落距不小于5.0 m；當(dāng)夯填3 m以上樁體時(shí)，錘擊數(shù)控制在9～10擊，夯錘落距不小于3.0 m。為增加基底下樁間土擠密效果，在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上增夯0.50 m，該部分在載荷試驗(yàn)檢測(cè)前挖除。

圖1 成孔順序示意圖

3.4.1 參數(shù)統(tǒng)計(jì)

樁孔成孔及夯填主要參數(shù)見(jiàn)表5、表6。

表5 成孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表6 夯填參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.5 環(huán)境影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本次成孔及夯填施工過(guò)程中地面震動(dòng)影響范圍為50 m、噪音影響范圍大于200 m，灰土拌合期間存在揚(yáng)塵可能；為有效消除或降低灰土擠密樁施工帶來(lái)的環(huán)境影響，應(yīng)采取夜間停止施工、施工材料抑塵覆蓋的環(huán)保措施。

3.6 施工方案綜合分析

(1) 成孔施工時(shí)三遍成孔總錘擊數(shù)以及最后1 m錘擊數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，說(shuō)明成孔施工對(duì)樁間土起到一定的擠密作用，且三遍成孔擠密疊加效應(yīng)明顯。

(2) 回填夯實(shí)前必須進(jìn)行底夯，本試驗(yàn)底夯次數(shù)一般控制在8～10擊；由于成孔及鄰孔夯填施工產(chǎn)生的振動(dòng)、成孔設(shè)備提升刮擦孔壁等原因，夯填前樁孔底部可能塌落一定厚度的虛土，塌落虛土厚度不應(yīng)大于90 cm且底夯后孔底壓實(shí)土厚度不應(yīng)大于30 cm，如不滿足上述要求，則應(yīng)采取二次成孔或洛陽(yáng)鏟掏土清孔的處理措施。

(3) 灰土擠密樁施工成孔直徑450 mm，擠密后樁體直徑478～515 mm，平均500 mm。

(4) 因素填土局部混卵石，該層土夾石厚度約為0.2 m～2.0 m；該區(qū)域成孔期間，樁孔由于土夾石導(dǎo)致塌孔嚴(yán)重，施工期間對(duì)該部分樁孔進(jìn)行素土回填并二次成孔，二次成孔未發(fā)生塌孔現(xiàn)象。

(5) 由于夯填施工時(shí)樁體上、下部夯錘落距的差異，在夯填距樁頂標(biāo)高3 m以下樁體時(shí)，夯錘落距不小于5 m，錘擊數(shù)控制在7～8擊；夯填3 m以上樁體時(shí)，夯錘落距不小于3 m，錘擊數(shù)控制在9～10擊，上述措施有效解決了上部土體因上覆壓力低而不易擠密的情況。

4 質(zhì)量檢測(cè)

4.1 樁體壓實(shí)效果

樁體密實(shí)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 樁體密實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

樁體壓實(shí)系數(shù)均不小于0.96，平均值0.97，滿足規(guī)范要求；樁邊緣處壓實(shí)系數(shù)小于樁中心處，但差異不大。

4.2 樁間土擠密效果

樁間土擠密效果檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 樁間土擠密效果檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

樁徑外100 mm處平均擠密系數(shù)為0.99，三樁中心平均擠密系數(shù)為0.98，數(shù)據(jù)表明樁間土在水平及豎向密度均勻，擠密效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。樁間素填土干密度最小1.71 g/cm3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以間接判斷處理后樁間素填土無(wú)濕陷性。

4.3 濕陷性消除效果

本次對(duì)樁間素填土進(jìn)行了濕陷性試驗(yàn)檢測(cè)，處理深度內(nèi)樁間土濕陷系數(shù)0.003～0.007，表明處理后樁間土無(wú)濕陷性。

4.4 復(fù)合地基承載力

本次共布置三點(diǎn)平板載荷試驗(yàn)，最大加載至540～600 kPa，承壓板累計(jì)沉降量30.66～34.91 mm，p－s曲線均出現(xiàn)明顯陡降段，見(jiàn)圖2，可認(rèn)為三點(diǎn)均已加荷至破壞狀態(tài)，灰土擠密樁復(fù)合地基承載力特征值取240 kPa、變形模量取17 MPa。

圖2 代表性檢測(cè)點(diǎn)p－s曲線

4.5 復(fù)合地基壓縮模量

通過(guò)測(cè)定樁體及樁間土試樣壓縮模量計(jì)算復(fù)合地基壓縮模量如下：

式中：Esp為復(fù)合土體的壓縮模量(MPa)；Ep為樁體壓縮模量(MPa)，試驗(yàn)得21.6 MPa；Es為樁間土壓縮模量(MPa)試驗(yàn)得19.7 MPa；m為復(fù)合地基置換率，m=18.7%。

計(jì)算得：復(fù)合土體的壓縮模量為20.1 MPa，建議取15 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 三七灰土擠密樁樁徑500 mm、樁距1.10 m處理后粉性新素填土復(fù)合地基承載力特征值可達(dá)240 kPa、變形模量可達(dá)17 MPa，該特征值下載荷試驗(yàn)對(duì)應(yīng)沉降量約10 mm。

(2) 灰土擠密樁處理厚層新素填土地層效果明顯，樁間填土擠密效果明顯，處理后密度大幅度提高，且水平及豎向均勻性較好，處理后無(wú)濕陷性。

(3) 施工過(guò)程中應(yīng)充分考慮成孔孔底落土、上部樁間土不易擠密等問(wèn)題，并采取相應(yīng)措施解決。

(4) 擠密樁法施工對(duì)鄰近場(chǎng)地有振動(dòng)、噪音、揚(yáng)塵等環(huán)境影響，施工時(shí)應(yīng)采取有效措施解決。

[1]DL/T5024－2005，電力工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].