淺析灰土擠密樁的地基加固原理及其在濕陷性黃土地區(qū)的工程應(yīng)用

■孫 昭，范冠先 ■.陜西省機(jī)關(guān)事務(wù)管理房屋修建處，陜西 西安 70006;.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 70055

1 引言

濕陷性黃土地基的“土樁擠密法”由前蘇聯(lián)阿別列夫教授于1934年提出來的，樁孔可采用沉管、爆炸或沖擊等方法取得，至今此方法依然應(yīng)用于俄羅斯和東歐各國的濕陷性黃土地區(qū)。自50 年代中后期，我國的甘、陜、晉、豫及華北等黃土地區(qū)先后逐步開展了灰土擠密樁的試驗研究和應(yīng)用推廣。70 年代開始對灰土(或土)樁擠密濕陷性黃土地基和雜填土地基進(jìn)行系統(tǒng)研究，并隨著機(jī)械化程度提高，在濕陷性黃土地區(qū)大量采用，甚至在有些地區(qū)大面積應(yīng)用于消除黃土地基的自重濕陷性，其效果較為顯著。近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐加快，灰土擠密法在濕陷性黃土地區(qū)公路建設(shè)等方面應(yīng)用也較為廣泛，特別是用于消除厚度較大的黃土地基濕陷性和處理大量的填土地基。灰土擠密樁和土擠密樁的作用和工藝設(shè)備基本上相同，但灰土擠密樁對提高承載力、降低土的壓縮性、減小變形等方面效果更為顯著。

2 灰土擠密樁的加固機(jī)理

2.1 灰土擠密樁的概念

濕陷性黃土的主要特征是干密度小而孔隙比大，這也是其產(chǎn)生濕陷性的根本原因。試驗研究與工程實踐已經(jīng)證明，當(dāng)黃土的壓實系數(shù)和干密度達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)值時，其濕陷性便可消除。灰土樁擠密法正是基于這一原理，利用沉管、爆炸、沖擊等方法在地基中擠土，形成樁孔(直徑為25～60cm)，然后向孔內(nèi)夯填素土或灰土。樁體與樁間擠密土體共同作用，提高黃土地基的承載力并消除其濕陷性。

2.2 樁間土擠密原理和特點

擠土成孔或沉樁對樁周土的擠密作用，可采用圓孔擴(kuò)張的理論來描述。當(dāng)處在極限平衡狀態(tài)時，圓孔外圍將出現(xiàn)塑性區(qū)，彈性區(qū)出現(xiàn)在塑性區(qū)之外，土體處于彈性狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 圓柱形孔擴(kuò)張

圖2 樁周土擠密系數(shù)ηc試驗結(jié)果

塑性區(qū)內(nèi)土體因擠壓孔隙率減小、密度增大，塑性區(qū)之外的土體仍處于彈性狀態(tài)。樁間土側(cè)向擠密不同于一般碾壓和夯實土的情況，屬于土體的側(cè)向擠壓。它擠入的土體一般是定量的，擠入量與樁距及樁徑的大小有關(guān)，其擠密效果還與土層的干密度、含水量以及土的強(qiáng)度指標(biāo)等密切相關(guān);與夯實擾動土或分層碾壓相比，擠密土的不均勻性更為明顯。

圖2 表示現(xiàn)場試驗測得的單樁擠密效果變化情況。在有效擠密區(qū)內(nèi)，樁間土的擠密系數(shù)從樁邊至兩樁中點或樁中心點逐漸減小，中心點處擠密效果最低。樁間土擠密系數(shù)的不均性是客觀存在的，因此評價擠密效果應(yīng)以平均擠密系數(shù)為準(zhǔn)。

圖3 表示相鄰兩樁擠密的試驗結(jié)果。由此可見，合理的樁孔中心距常在(2.0～3.0)d 的范圍內(nèi)。群樁試驗結(jié)果表明，相鄰樁孔擠密區(qū)交接處的擠密效果相互疊加，樁孔中心部位上土的干密度會有所增大，并使樁間土的干密度變得較為均勻。從圖(3)可看出，擠密樁的樁距越近，擠密效果的疊加越明顯。

圖3 同一場地不同樁距擠密效果

圖4 灰土樁樁身的分段荷載(σ)及樁周摩阻力(f)的分布

灰土樁身的應(yīng)力測試結(jié)果如圖4 所示。在豎向荷載作用下，在一定深度內(nèi)樁體即產(chǎn)生壓縮變形及側(cè)向膨脹，在(6～10)d 深度以下其值趨近于零。樁體自身的強(qiáng)度特別是上層灰土的質(zhì)量和強(qiáng)度決定了灰土樁的承載力。荷載試驗的結(jié)果表明，灰土樁面積只占壓板面積20%卻承擔(dān)了總荷載的50%左右，對降低了基礎(chǔ)底面一定深度內(nèi)土中應(yīng)力、消除了持力層內(nèi)產(chǎn)生的壓縮變形和濕陷變形產(chǎn)生有利影響。此外，灰土樁能夠約束樁間土的側(cè)向變形并增加土體的強(qiáng)度，由于樁間土只產(chǎn)生豎向壓密變形，壓力與沉降大致呈線性關(guān)系，復(fù)合地基的承載力和變形模量得到提高。

3 灰土擠密樁復(fù)合地基的主要特點及其影響擠密效果的因素

3.1 灰土擠密樁復(fù)合地基的主要特點

(1)灰土擠密法不同于分層碾壓或夯實擾動土的方法，它屬于一種橫向擠密，它不但可達(dá)到所要求加密處理后的密實度指標(biāo)，同時使得處理后的地基更加均勻;(2)相比與土墊層法，灰土擠密樁無需開挖回填，有著節(jié)約工作量，縮短工期的優(yōu)點;(3)不受開挖和回填土方的限制，不需要大面積開挖，處理深度更大(5m～15m);(4)填入樁孔的材料是素土、灰土、石灰等廉價材料，可以就地取材，不但可以節(jié)約成本還可以減少工作量，通常造價低于一般性濕陷性黃地基處理方法，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和可行優(yōu)質(zhì)的技術(shù)效果。

3.2 影響灰土擠密樁擠密效果的因素

影響灰土擠密樁擠密效果的主要因素有土的含水量和土的原始干密度。土的含水量達(dá)到其最佳含水量時，擠密效果最好;土的含水量偏小時，土的強(qiáng)大和硬度都比較大，不容易被擠壓密實且擠密有效半徑減小，造成沉管、沖擊成孔和拔管等的施工困難;土的含水量過高時，由于擠密引起超孔隙水壓力，使土體只能向外圍移動而難以擠密，同時孔壁附近的土強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)生樁孔縮徑等現(xiàn)象。其次，土的原始干密度對擠密范圍及效果也有影響，原始干密度小時，擠密有效范圍小，效果也差。原始干密度是設(shè)計樁間距的基本依據(jù)。綜上所述:成孔擠密效果在于土的含水量，樁距大小決定于土的干密度。在多數(shù)情況下，凡溫陷性的黃土一般均可擠密成孔和有效。

4 灰土擠密樁地基的施工及其質(zhì)量控制

4.1 灰土擠密樁的施工程序

(1)平整場地，組織好排水系統(tǒng)，對有防雨要求的機(jī)械設(shè)備尤其是電源處，做好防雨工作，確保施工安全。(2)測量放樣并設(shè)定樁位。用鋼釬為每個樁位作點，并用白灰作為標(biāo)志，按三角形方式布置樁位，并給每個樁位編號。(3)備料:施工前，備齊施工所需材料，生石灰和土要準(zhǔn)備妥當(dāng)。拌和一般采用現(xiàn)場拌制，拌合標(biāo)準(zhǔn)為拌合料顏色一致且其含水量保持在最優(yōu)含水率左右，“手捏成團(tuán)，落地開花”為鑒定其含水率的標(biāo)準(zhǔn)，配好的灰土要做到當(dāng)日日使用。(4)成孔:安裝好樁機(jī)，復(fù)查樁架和樁位，檢查機(jī)械并調(diào)整適當(dāng)后開始成孔。核實樁相關(guān)指標(biāo)包括樁徑、樁長、樁位偏差、垂直度等，如發(fā)現(xiàn)有縮孔現(xiàn)象或沉管速度與試樁時相比差異較大時，需及時拔管檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時通知監(jiān)理和設(shè)計單位，洽商后采用相應(yīng)的處理方法，灰土擠密樁的成孔順序采用隔點跳行法施工。(5)夯填成樁:采用試樁確定下料的參數(shù)進(jìn)行下料，填料前對孔底進(jìn)行夯實，直至出現(xiàn)清脆聲后方可夯填，回填料以錘型夯錘壓實。灰土夯填至標(biāo)高后，做好相應(yīng)標(biāo)志，夯填緊跟樁機(jī)，以免隨著時間延長產(chǎn)生縮孔影響成樁質(zhì)量。

4.2 灰土擠密樁的施工質(zhì)量問題處理

(1)成孔困難。當(dāng)土的天然含水量ω ≤12% 可認(rèn)為土體含水量較低，此狀態(tài)下的土一般呈堅硬狀態(tài)，擠密效果較差，容易塌孔，導(dǎo)致成孔困難。這時可通過預(yù)先浸水來提高土的含水量，使土的含水量達(dá)到最佳含水量，然后再進(jìn)行成孔。(2)沉管速度顯著減慢。對于人工填土地基，當(dāng)遇到了石塊、磚渣、混凝土塊等夾層;對于濕陷性黃土場地，當(dāng)遇到了卵石層砂、角礫等時，會出現(xiàn)沉管速度減慢和樁錘回彈量變大的情況。這時需要特別注意樁管垂直度的變化，同時減小樁錘的落距，并減緩沉管速度。(3)沉管速度猛然加快。一般是遇到了孔洞、、軟弱層、墓穴時沉管速度會明顯加快，這時可以提出樁管，填入土料、砂質(zhì)土料(填料高度要大于軟弱層厚度30cm～50cm)，然后再進(jìn)行沉管擠密，反復(fù)上述步驟數(shù)次，直至貫入速度正常為止。(4)場地局部地段含水量ω ≥24% 或飽和度Sr ＞65%時，一般會出現(xiàn)塌孔、滲水、縮頸、樁孔周圍土隆起等現(xiàn)象。可以采用的處理辦法:出現(xiàn)局部輕微縮頸的現(xiàn)象時，用洛陽鏟削擴(kuò)樁頸，直至達(dá)到設(shè)計要求并立即回填夯實。當(dāng)樁孔縮頸現(xiàn)象較嚴(yán)重時，可在孔內(nèi)填入生石灰塊、干散砂土、碎磚渣，等待一段時間后，再將樁管沉入土中重新成孔。(5)撥管困難。采取措施:向樁管周圍及孔內(nèi)注入適量的水減小摩擦或者把樁管旋轉(zhuǎn)活動后再繼續(xù)撥管。

5 結(jié)論

通過灰土擠密樁復(fù)合地基的原理及應(yīng)用分析，得出了以下幾點結(jié)論:(1)灰土擠密樁可以較大程度的提到復(fù)合地基的承載力，對消除黃土的濕陷性具有顯著效果。(2)擠密樁對樁間土擠密效果有顯著的改善作用，且擠密樁與土組成的復(fù)合地基能夠充分發(fā)揮樁土作用。(3)用灰土擠密樁法進(jìn)行地基加固的方法，屬于“地表作業(yè)，深層加密”的原位地基處理方法，它不但利用來原來土體的結(jié)構(gòu)特性，在此基礎(chǔ)上形成了樁和土體聯(lián)合地基，使得土體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性得到改善;灰土擠密法加固地基還有節(jié)約材料、土方用量少的優(yōu)點，在處理濕陷性地基問題中具有廣泛的發(fā)展前景，值得應(yīng)用推廣。

［1］龔曉南.地基處理手冊(3 版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］朱丙寅等.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計方法及實例分析［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］史佩棟等.深基礎(chǔ)工程特殊技術(shù)問題［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］殷宗澤，龔曉南.地基處理工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［5］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算，第二版［M］.北京:中國水利電力出版社，1996.

［6］牛志榮.地基處理技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2004.

［7］JGJ79 -2002.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］GB50025 -2004.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］.

［9］羅宇生.土(或灰土)擠密樁法處理濕陷牲黃土地基［J］.陜西建筑，2000(3):37～41.

［10］高國瑞.黃土濕陷變形的結(jié)構(gòu)理論［J］.巖土工程學(xué)報，1990(12):1～9.

［11］陳培等.灰土擠密樁在濕陷性黃土地區(qū)電廠冷卻塔地基處理中的應(yīng)用［J］建筑科學(xué)，2013(1):75～79.

［12］尹玉霞.灰土擠密樁法在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2012(4):4～6.

［13］陳莉，張霆等.灰土擠密樁在濕陷性黃土地基中的設(shè)計與應(yīng)用［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報，2000(12):60～62.