素土擠密樁在渠道濕陷性黃土中的應(yīng)用

劉忠良

（河北省水利工程局，石家莊 050023）

1 工程背景

南水北調(diào)中線工程渠漳古段SG3標(biāo)道樁號(hào)74+660至75+095段屬于I型（輕微）—II（中等）級(jí)濕陷性黃土場(chǎng)地。該段渠道筑堤工程早已完成施工，后發(fā)現(xiàn)該段黃土地基具有濕陷性，不僅在南水北調(diào)工程中具有代表性，在其他水利工程中特別是處理舊有渠道地基問(wèn)題上也具有廣泛的代表性。由于該段屬于筑堤完成后發(fā)現(xiàn)黃土的濕陷性，且該段筑堤高度在原地面以上均超過(guò)了6m，選擇方案時(shí)面臨著巨大的土方工程量增加的困難，加之南水北調(diào)中線工程工期和工地周邊土源緊張導(dǎo)致外購(gòu)?fù)晾щy，給解決該地基問(wèn)題帶來(lái)了諸多制約因素。

擠密樁施工也存在較多問(wèn)題和難點(diǎn)，如土的含水量較大或較小，擠密層下部難以掌控。含水量較小時(shí)容易發(fā)生塌孔，遇上地基中大塊孤石、墓穴、木材導(dǎo)致傾斜也是常見(jiàn)問(wèn)題；擠密土含水量較大時(shí)還會(huì)發(fā)生縮孔現(xiàn)象，筑堤的沉降參數(shù)與擠密樁的密度通過(guò)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)控制仍面臨著諸多影響因素。

2 素土擠密樁機(jī)理

素土擠密樁是通過(guò)成孔設(shè)備所產(chǎn)生的橫向擠壓作用形成樁孔，樁孔內(nèi)的土被擠向四周，使樁間土得以擠密，然后將備好的素土分層填入樁孔內(nèi)，并分層夯實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。擠密的樁間土和密實(shí)的樁體土兩者共同組合形成復(fù)合地基，共同承受基礎(chǔ)的上部荷載，以消除地基土濕陷性、安全性、沉降性問(wèn)題為目的，以土治土就地取材的辦法提高承載力。

3 素土擠密樁法施工工藝

采用素土擠密樁法，首先考慮的是選取合理的機(jī)械設(shè)備，然后施工前必須進(jìn)行試樁、原位測(cè)試和室內(nèi)分析試驗(yàn)，目的是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)施工原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)記錄數(shù)據(jù)分析、比較，確定最終的施工參數(shù)，用于指導(dǎo)施工。

3.1 機(jī)械設(shè)備

選用合理的施工機(jī)械設(shè)備，在整個(gè)施工過(guò)程中至關(guān)重要，適合南水北調(diào)較大工程量的地基處理，且能滿(mǎn)足施工質(zhì)量和進(jìn)度的需要。設(shè)計(jì)圖紙對(duì)樁徑、處理深度的要求直接影響選擇大型、中型還是小型的樁機(jī)，盡可能優(yōu)先選用履帶式柴油打樁機(jī)（型號(hào)W1001）、3t柴油錘，這種中小型設(shè)備最能節(jié)省投資。

3.2 工藝試驗(yàn)

施工前，選擇施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行試樁、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)是尤為重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果取得施工參數(shù)指導(dǎo)后續(xù)施工。首先設(shè)計(jì)要求的平均擠密系數(shù)，若設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.93以上即可，擠密樁的實(shí)驗(yàn)應(yīng)挑選1.3m×1.3m和1.0m×1.0m兩種孔距進(jìn)行試驗(yàn)；若設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.95以上，應(yīng)試驗(yàn)0.8m×0.8m和1.0m×1.0m兩種孔距能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。樁徑和處理深度看設(shè)計(jì)要求，孔徑盡量選擇400mm以?xún)?nèi)，超過(guò)400mm孔徑的樁機(jī)重量較大，進(jìn)場(chǎng)費(fèi)用高，不適合渠道長(zhǎng)距離移動(dòng)施工的工作面。

擠密樁試驗(yàn)的布樁試驗(yàn)施工完成后，在土擠密樁形成強(qiáng)度7d后，應(yīng)委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)從處理面起至設(shè)計(jì)深度每隔1m取樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，檢測(cè)項(xiàng)目有：土的含水量、密度、比重、飽和度、孔隙率、液限、塑限、壓縮系數(shù)、塑性指數(shù)、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度、濕陷系數(shù)。在設(shè)計(jì)指標(biāo)能夠滿(mǎn)足的情況下盡可能使樁間距增大以節(jié)省投資，若不能滿(mǎn)足，則繼續(xù)縮小樁間距或增大孔徑。取樣完成后的取樣孔回填中粗沙，灌水沉降穩(wěn)定。依靠此實(shí)驗(yàn)確定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)參數(shù)后，才能進(jìn)入正式施工。

3.3 布孔

對(duì)于渠道已經(jīng)筑堤的實(shí)際情況，布孔又要涵蓋所有筑堤所占用的原地基基礎(chǔ)。搭設(shè)的施工平臺(tái)應(yīng)達(dá)到同筑堤的底寬，選擇優(yōu)異的施工方案來(lái)布孔。首先要調(diào)查周?chē)猎吹那闆r，如需外購(gòu)?fù)羴?lái)搭設(shè)施工平臺(tái)，則要計(jì)算外購(gòu)量與單價(jià)綜合對(duì)比拆堤的投資哪個(gè)更節(jié)約。

南水北調(diào)中線工程漳古段SG3標(biāo)段在外購(gòu)?fù)猎摧^遠(yuǎn)、工程量大的情況下，外購(gòu)樁身回填所需土料最為經(jīng)濟(jì)，平臺(tái)采取拆除上部分筑堤結(jié)構(gòu)，平整為擠密樁施工作業(yè)平臺(tái)后進(jìn)行布孔。布置形式采取三角形，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)樁位準(zhǔn)確定位，并進(jìn)行標(biāo)示，做好施工記錄，樁位偏差控制在20mm以?xún)?nèi)。

3.4 成孔

采用沉管法成孔，成孔順序由外向里間隔1孔進(jìn)行，應(yīng)注意避免因震動(dòng)擠壓造成相鄰孔縮孔或坍塌，樁管上用紅油漆畫(huà)醒目的橫線，保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度。樁孔重心點(diǎn)的偏差不超過(guò)樁距設(shè)計(jì)值的5%，樁孔垂直度偏差應(yīng)小于1.5%。樁孔直徑允許偏差不超過(guò)設(shè)計(jì)值-20mm。樁長(zhǎng)允許偏差+0.5m，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)成孔孔徑、孔深及樁位偏差做好詳細(xì)記錄。

（1）樁機(jī)安裝平整穩(wěn)固就位后，吊起樁管對(duì)準(zhǔn)樁位，在樁管與樁錘間墊好緩沖材料后緩緩放下，使樁管、樁尖、樁錘于同一條直線上，借錘擊力及樁管自重將樁管壓入土中。

（2）樁尖開(kāi)始入土?xí)r，先低錘輕擊，待沉入土中1～2m后用預(yù)定的速度、落距、錘擊沉管至設(shè)計(jì)高程。

（3）夯擊沉管時(shí)，當(dāng)樁的傾斜度超過(guò)1.5%時(shí)，拔管填孔重打，出現(xiàn)樁孔斜移、樁靴損壞等情況，及時(shí)回填擠密重打，成孔拔管后應(yīng)及時(shí)檢查樁尖。

（4）用柴油錘沉樁至設(shè)計(jì)深度后，立即關(guān)閉油門(mén)，及時(shí)勻速拔管，有困難時(shí)可轉(zhuǎn)活樁管后拔出，并立即測(cè)量樁孔直徑和深度，樁孔直徑允許偏差不超過(guò)設(shè)計(jì)值-20mm，樁長(zhǎng)允許偏差+0.5m。

（5）成孔后清底夯實(shí)、夯平，夯實(shí)次數(shù)3～5擊，成孔后進(jìn)行孔重心位移、垂直度、孔徑、孔深檢查。檢查合格后進(jìn)行嚇到工序，若成孔后不能及時(shí)施工，必須對(duì)齊進(jìn)行覆蓋保護(hù)。

3.5 回填素土夯實(shí)

填料使用就地挖取的一般黏性土，土料應(yīng)過(guò)篩，篩孔不宜大于20mm，不含有凍土塊、膨脹土和雜土，有機(jī)質(zhì)含量小于5%，保持土料的最有含水率。

采用偏心輪夾桿夯機(jī)夯填，夯填順序同成孔順序，夯填垂直直徑30cm夯錘重量120kg，提升高度0.5m。填料時(shí)，分層回填夯實(shí)，壓實(shí)度大于0.97。夯機(jī)就位后應(yīng)保持平穩(wěn)，夯錘正對(duì)樁孔，自由下落到孔底。按照取得施工參數(shù)進(jìn)行控制，施工中成孔清底夯實(shí)、夯平，夯擊次數(shù)為4擊，夯填土分層夯實(shí)填筑，每次填料0.08m3，留好夯擊記錄用來(lái)控制參數(shù)和質(zhì)量。

4 工藝優(yōu)勢(shì)和效益分析

本工程采用強(qiáng)夯法施工處理濕陷性黃土地基。強(qiáng)夯法的優(yōu)點(diǎn)為施工簡(jiǎn)單、效率高、工期短，對(duì)濕陷性黃土的濕陷性消除的深度較大；缺點(diǎn)是震動(dòng)和噪音污染大，處理渠道筑堤基礎(chǔ)必須是未筑堤或拆除已筑堤才能施工。強(qiáng)夯法又稱(chēng)為動(dòng)力固結(jié)法，是利用重力機(jī)械將重8～30t的夯錘吊起一定高度后釋放，重錘從高出自由下落對(duì)地基產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊能，在地基土中產(chǎn)生巨大的應(yīng)力波來(lái)破壞土體原有的大孔隙結(jié)構(gòu)，使土體鋸補(bǔ)發(fā)生液化，并產(chǎn)生許多裂痕，增強(qiáng)排水通道，使孔隙水逸出，待孔隙水壓力消散后，土體重新固結(jié)，提高承載力的過(guò)程。但本標(biāo)段濕陷性黃土處理深度8.5m，若處理已筑堤渠段（74+660～75+095段），只能將筑堤進(jìn)行拆除后再?gòu)?qiáng)夯作業(yè)，勢(shì)必增加開(kāi)挖回填工程量，工期增加、成本增加；強(qiáng)夯施工還會(huì)影響周邊村莊的生活，影響村莊房屋的安全。

除了強(qiáng)夯以外翻壓也是處理濕陷性黃土的一種處理方案，在沒(méi)有確定擠密樁方案前，渠段（74+660～75+095）與之相鄰的上游渠段采用翻壓施工。翻壓施工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)波和噪音污染，但施工時(shí)將處理深度內(nèi)的土全部挖出再進(jìn)行碾壓回填。本工程取土綜合運(yùn)距4.5km，施工周期長(zhǎng)、成本高，其沿線存在較多軟弱地基，換填、翻壓的處理方案非常普遍。

通過(guò)實(shí)際施工 （理論計(jì)算工程量相同施工渠段74+660～75+095段），可將強(qiáng)夯法、翻壓法、素土擠密樁法進(jìn)行綜合對(duì)比，如表1。

表1 綜合對(duì)比效益

由表1可知，素土擠密樁法投資少，工期短，沉降期不耽誤工期，且沒(méi)有環(huán)境影響，是最優(yōu)施工方案。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)漳古段SG3標(biāo)段實(shí)際對(duì)比，素土擠密樁方案可以減少14個(gè)月以上，綜合經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)497萬(wàn)元，節(jié)省了投資；減少了環(huán)境污染及取土征地給附近村民帶來(lái)的影響，為水利工程施工行業(yè)提供借鑒參考價(jià)值。