柱錘沖擴樁法處理濕陷性黃土地基研究

江來云

(中鐵五局集團機械化工程有限責任公司，湖南 衡陽 421000)

我國60%左右的黃土都是由濕陷性黃土構成，且絕大部分位于我國的黃河中游地區，其面積大約達到了27萬km2。濕陷性黃土的這種分布，使我國西部大開發中的很多基礎建設、鐵路公路建設時，都要面臨濕陷性黃土地基處理這一問題。隨著我國對交通事業的大力發展，高速鐵路、客運專線鐵路、城際鐵路建設規模日益擴大，高等級鐵路對路基工程工后沉降控制要求十分嚴格，沉降控制成為路基工程設計的關鍵環節。因此如何處理濕陷性地基成了急需解決的難題，目前常見的處理方法有強夯法、墊層法、樁基礎、化學加固法、預浸水法、柱錘沖擴樁處理法等等。如劉智[1]闡述了強夯法的運用過程，有效處理了濕陷性黃土地基沉陷問題。劉春[2]則對黃土濕陷性地基帶來的影響和其破壞形態進行了分析,深入了解濕陷性黃土,并綜合各種因素探討了渠道濕陷性黃土地基的處理方式。然而柱錘沖擴樁適應性強、效果好[3]，因此廣泛運用于濕陷性黃土地基處理中[4]。本文以銀西高速鐵路甘寧段工程為背景，系統的分析濕陷性黃土易沉降的根本原因，然后提出柱錘沖擴樁處理該地基的基本原理，運用柱錘沖擴樁來處理地基沉陷過大的問題，使得地基承載力滿足設計要求，為今后解決類似問題提供工程借鑒意義。

1 工程背景

如圖1所示，本項目位于陜甘寧交界處，地層上部均為自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅱ級～Ⅳ級，濕陷土層厚度最大約30 m。

在施工點處地層主要為砂質黃土、細圓礫土、上更新統風積砂質黃土、沖積細圓礫土，下伏白堊系砂巖夾泥巖。其工程地質特征如表1所示。

表1 試驗地基土層物理指標

2 濕陷性黃土破壞原因

濕陷性黃土地基在局部荷載作用下，不僅產生豎向變形，而且產生水平位移。其主要原因是浸水狀態下土體自身結構產生變化，抗剪強度也急劇降低，側向極限能力大大削弱。在多種因素的共同作用下，使得地基出現大量側向擠壓，導致濕陷性的擴展。對于自重濕陷性黃土來說，由于在重力作用下，濕陷變形區各水平面被水浸泡后沒有壓差，因此不存在側向擠壓現象，但在外荷載作用下，附加應力范圍內存在側向擠壓現象。通常，最大壓力發生在基礎周圍的垂直段上，并且集中在基礎寬度的1.0倍～1.5倍的深度范圍內。當基底壓力或壓力較大時，側向擠壓的水平范圍和影響深度也較大。

3 試驗方法與試驗步驟

3.1 柱錘沖擴樁作用原理

柱錘的沖擴樁技術是借鑒了土樁、強夯置換等施工方法的優缺點發展起來的[5]。采用柱錘進行沖擊擴徑樁，采用直徑為300 mm～500 mm，長度為2 m～6 m,質量為1 t～8 t的細長柱錘。主要用于提升5 m～10 m的高度，將地基土打入孔內，達到設計深度數次，填充樁柱夯擴樁，并與樁間土相互作用。其中，柱錘沖擊擴徑樁的處理方法是在沖擊鉆進過程中，對樁位原土進行強制擠壓，對側向土產生擠壓作用[6]。錘底土體受到強烈沖擊，孔底土體被夯實。在成樁過程中，將夯實的填料擠入樁周土中，樁徑不斷擴大到1.5d～2.5d(d為孔徑)。樁間土進一步夯實，特別是復鉆施工中的樁間土的夯實效果更好。原狀土不斷壓實，沖擴成孔時孔隙不斷壓縮，在瞬時荷載作用下，土體中產生較大的沖擊波，破壞土體原有結構，局部液化，產生大量裂縫，增加排水渠道，排水順暢。超孔隙水壓力消散后，土體在樁周(1.5d～2d)內發生塑性變形，達到強夯效果[7-9]。在柱錘沖擊過程中，對孔邊土體進行切割和擠壓，并對孔底土體進行夯實，對樁間和樁底土體具有壓實作用。

隨著柱錘深度的增加，上覆土壓力增大，壓實效果增強。柱錘孔內壓實機理不同于強夯。強夯是將地表土層夯實[10]。壓實效果與深度直接相關，隨著深度的增加，壓實效果逐漸減弱。當鉆孔達到一定深度時，由于上覆土壓力和樁側土的約束，壓實效果較好。

3.2 試驗步驟

本次試驗采用機械設備有CFG23型液壓步履式長螺旋鉆機、卷揚提升式夯機(錘重3 t)、小型裝載機，如圖2，圖3所示。根據設計圖紙和施工現場實際情況，試樁位置擬設于DK385+109.23～DK385+441.73段區間路基，樁徑0.6 m，樁間距1.4 m，樁長8 m，樁位按正三角形布置。按長螺旋成孔工藝進行，預成孔直徑40 cm，成孔后夯擊成孔直徑為60 cm，本次試驗42根柱錘沖擴樁。

施工時，樁體應呈梅花形布置，間距為一孔。每7根樁分成一組(外圍6根，中間1根)。成孔后回填，在處理過程中，由外向內進行施工。

試樁共分六組，每組7根。當螺旋成孔后，夯錘對準樁孔中心，自由下落至孔底，孔底夯擊不少于4次，當聽到清脆的錘擊聲后，開始進行回填夯擊。每次夯擊次數以聽到清脆的錘擊聲為止，并記錄夯擊次數，試驗參數如表2所示。

表2 柱錘沖擴樁工藝性試驗參數

4 試驗結果

通過對第一、二、三組試驗樁的檢測，根據靜載荷試驗結果，該場地水泥土柱錘沖擴樁復合地基承載力特征值f=213 kPa，滿足設計要求。原狀土地基承載力特征值f=132 kPa。其次該場地3口探井土樣濕陷系數均小于0.015，說明濕陷性已全部消除。并且樁間土平均擠密系數ηc=0.93～0.94，均不小于0.90，滿足設計要求；樁身水泥土壓實系數λc=0.97～0.99均不小于0.97，滿足設計要求。且由圖4可知，三組試驗段地基靜載試驗中最大的沉降值分別為4.03 mm,15.62 mm和7.10 mm，都滿足設計要求。

根據試驗結果的綜合反映，樁間土的物理力學性質得到明顯改善，完全消除了黃土的濕陷性。樁徑遠大于設計要求。該施工技術完全滿足設計要求，表明該技術是一種經濟、可行、有效的黃土地基處理方法。

5 數值模擬

為了能夠讓所建立的模型盡可能的能和原始地質條件相吻合，同時為了方便數學計算，所以需要對原始的地質條件進行一定的設想與簡化。結合實際工程概況，把數值模型中的巖土設定為連續均勻的介質，模型的尺寸為半徑×高度=1 m×2 m的圓柱體，模型如圖5所示，因此在模型的上邊界施加一個由0 kN緩慢加大到466 kN再減少到0 kN(加壓與泄壓)，如圖6所示，并監測試件頂面中點的位移，約束條件為底部全約束，其他面不做約束。試塊力學參數見表3。

表3 試塊力學參數

模擬檢測曲線結果如圖7所示，在荷載逐步增大的過程中，頂面中點也在不斷的往下位移，起始位移的速率比較小，但隨著時間的增長速率不斷地加大，最后達到最大位移為16 mm，接下來突然卸載，曲線有所下降，說明在卸載之后試件恢復了一小部分的變形，最后變形量穩定在了15.7 mm，與實際工程結果相吻合。

6 結論

1)在柱錘沖擴樁作用下，樁孔中的土體在剪切作用下橫向擠壓，形成被動破壞區。樁間表土在被動土壓力的作用下被抬升。隨著深度的增加，柱錘在孔內形成較強的壓實作用，孔下土體在壓縮機制下形成主壓實區和次壓實區。沖孔深度越大，壓實范圍越大。

2)柱錘沖擴樁處理濕陷性地基時，隨著夯擊次數的增加地基的承載能力得到提升，試驗可知選用水泥土回填厚度為80 cm，錘重3 t，錘距為2 m，錘擊次數8錘時，樁頂以上2 m范圍內夯擊10錘，綜合效果最好。

3)在地基靜載試驗中，地基沉降值隨荷載的增大而增大，樁土中水泥土的平均壓實度達到0.97(輕夯標準)。樁間土的平均壓實度達到0.93(輕壓實標準)，s<0.015。試驗結果符合設計要求，達到了預期效果。