灰土擠密樁在公路黃土地基治理中的應用

李剛

（陜西華雁工程設計咨詢有限責任公司，西安 710000）

1 工程概況

甘肅省甜水堡（位于寧甘界）經慶城至永和（甘陜邊境）高速公路TY09 段主干線項目為一個四車道高速公路，設計速度為80～100 km/h。設計時速為80 km/h、100 km/h，分離式路基路面寬度分別為12.75 m、13 m。地形地貌為黃土梁峁溝壑地貌，梁峁起伏、溝壑縱橫，呈殘塬溝壑地貌類型。地形受流水侵蝕切割強烈，溝谷深切，地形支離破碎。該地區地形多變，溝壑兩側的黃土梁地勢較陡。河道迂回曲折，兩岸坡度較陡，坡面上普遍有一層崩坡積物，溝底兩側多見崩塌。河溝兩側支溝發育，兩側坡面凌亂，植被稀疏，水土流失現象嚴重。

公路沿線存在的主要不良地質現象有滑坡、崩塌等，其特點主要是濕陷性黃土。本段黃土自重濕陷量為73.4～534.84 mm，總濕陷量為230.4～971.55 mm，均為二級以上的自重濕陷性黃土，具有較高的潤濕性等級，需要大量的地基處理工作。橋梁與路基之間的短路基、涵洞地基、橋臺過渡段以及Ⅳ級自重濕陷性黃土段落均采用灰土樁處理。

2 灰土擠密樁

2.1 灰土擠密樁技術原理

灰土擠密樁技術是提高濕陷性黃土地基承載力和水穩定性的一項新技術，具有廣泛的應用前景。概言之，灰土擠密樁由一定體積比的均勻混合的材料制作而成，其工藝是將石灰和土按一定比例混合后，填入樁孔中使其硬化致密，從而使混合料具有氣硬性和水硬性。此時，帶正電的鈣離子會和帶負電的黏土顆粒相互吸附，且隨著鈣質土壤年限的不斷增加，其會相應加強土體固化作用，從而讓土體強度得到提高。

以力學性能角度分析基礎壓實效果可知，為了提高基礎抗變形能力，基礎承載力會將基礎阻尼進行消除處理。由于灰土擠密樁承受的荷載是由樁周摩擦力引起的，并向周圍的土壤傳播，因此，其處于擠密成孔狀態下，原位于樁孔之處的土體會在摩擦力的作用下而出現強制性側向擠壓現象，這可以在一定程度上提高樁周可受力范圍內土層的密實度。

在單樁外部土固結試驗中，若孔壁四周土體的干密度接近（或超過）最大干密度，則該部分土體徑向外延的土體干密度也會隨之減小到土體自然密度數值，一般情況下樁孔半徑會由于受到固結影響而增加1.5～2.0 倍。另外，在相鄰樁孔固結區邊界處，固結效應相互重疊，樁間土中心密度增大，樁間土密度趨于均勻，樁間距越小，重疊效應越明顯。

2.2 灰土擠密樁的構造和布置

2.2.1 灰土擠密樁樁孔直徑

根據工程量、施工圖效果、施工設備、鉆進方法及經濟性，本項目灰土擠密樁直徑選擇為400 mm。

2.2.2 灰土擠密樁樁長

灰土擠密樁由土質條件、樁處理地層深度、施工要求和鉆孔設備等因素決定，樁長一般為5～15 m。

2.3 機具設備及材料要求

2.3.1 成孔設備

通常來說，成孔設備使用的設備主要有：（1）0.6 t（或1.2 t）柴油打樁機；（2）自制打樁機；（3）沖擊鉆；（4）洛陽鏟鉆孔。

2.3.2 夯實機具

當前，在進行夯實施工時，往往會使用到兩種通用壓路機：（1）偏心輪夾持桿式壓路機；（2）卷揚機改進型壓路機。

卷揚機改進型壓路機的夯實施工主要由鑄鋼材質的夯錘來完成，其特征為：（1）質量一般為100～300 kg；（2）垂直投影面積的靜壓力通常≥20 kPa；（3）為了確保填料可順利通過夯錘四周，與樁孔直徑相比，夯錘最大部分的直徑應較樁孔直徑小100～150 mm。

2.3.3 樁孔內的填料

對于石灰材料，必須選用Ⅱ級以上的新鮮消石灰，相關要求為：

1）有效氧化鈣與氧化鎂的含量必須在60%以下，粒徑必須在5 mm 以下，土壤有機質含量必須在5%以下，樁內平均壓實度必須達到97%以上[1]。

2）采用二八灰土，灰土墊層厚度為40 cm，厚度為8%，樁頂高度以上壓實度不小于96%。

2.4 設計要求

2.4.1 設計依據

黃土狀粉土層屬中等壓縮性土，其物理指標主要包括以下7 個內容：（1）天然含水量為11.2%；（2）最大干密度為13.7～14.5 kN/m3；（3）天然孔隙比為0.840；（4）液性指數為-0.48；（5）天然狀態下壓縮模量為9.45 MPa；（6）浸水狀態下的壓縮模量為2.32 MPa；（7）天然狀態下的標準貫入錘擊數為13.6 擊。

經綜合各項物理指標分析可知，當處于天然狀態時，該層土地基承載力為130 kPa。

2.4.2 處理要求根據DG/T J08-40—2010《地基處理技術規范》規定，在使用灰土或灰土擠密樁法時，必須滿足以下要求：（1）樁間擠密土濕陷系數為0.015；（2）樁間土最小干密度≥15 kN/m3；平均壓實系數≥0.93。本工程要求地基承載力標準值需達到220 kPa[2]。

2.5 處理效果

為了明確處理效果，本工程對復合地基實行了載荷試驗，具體方法為：隨機選取3 根試驗樁（1#～3#樁），分別將樁放在φ12.6 m 圓形承壓板下壓位置。需注意的是，天然地基承壓板必須在尺寸上相同于復合地基承壓板。

荷載試驗成果具體數據見表1。通過表1 可知，地基承載力會在被擠密后提高近2 倍，效果良好。

3 施工準備

在施工前期，需要做以下準備工作：

1）檢查基礎土壤的水分含量和飽和度。如果當地基礎土壤的含水量＜12%或＞24%，且飽和度大于65%，應立即將確認信息通知相關單位，由相關單位決定是否更改結構。

2）施工前清除地面耕植土，平整場地，清除障礙物，并在場地范圍內標記地下結構和管道。

3）測量導線后，確定并顯示打樁場的控制軸線和邊界線。

4）為了更好地對成孔深度進行控制，要做好鉆孔機表面的標尺標記（且需保證該標記清晰）。

4 灰土擠密樁施工工藝

4.1 現場平整

在施工現場應用易于移動的大噸位樁機，在于確保現場平整的同時，還可以保證樁的垂直度。此外，工作面最大坡度必須小于走管式樁機的最大爬坡能力（本工程為8%)。

4.2 固定樁眼位置及編號位置

以設計圖為重要依據確定軸線位置，并經過現場監理人員檢查且確認合格后，方可進行樁位放樣。本工程軸線的相關參數為：（1）測量精度＜2 cm；（2）樁位放樣≤5 cm。

4.3 機械安裝

機械設備到達現場后，需安排專業技能較強的技師進行安裝；在安裝期間，為了確保施工能夠順利進行，除了要讓樁體保持垂直外，還要及時維修與更換易損件。

4.4 垂直度校正

樁機安裝好后，校正樁管的垂直度，不僅要確保樁端和樁中心在同一條直線上，還要確保樁身結構的垂直度。另外，需將下降管的尖端對準樁位，調平擴樁機架，保持樁管垂直，用金屬吊線檢查樁管垂直度，確保垂直度偏差≤1.5%[3]。

4.5 振動沉管及成孔

本工程成孔方式為：使用沉樁機把和樁孔直徑相同的鋼管打入土中，并通過拔管成孔；成孔后，要在樁管頂部位設置下端為60°圓錐形樁尖樁帽。在正式施工準備階段，為了確保能夠在施工時可以觀測好鋼管深度，要標記好樁架或鋼管控制深度標記。對于灰土（石灰）壓實樁施工來說，拉拔速度是需重點控制的內容之一，本工程則以拔管前停頓約10 s 時間為宜。

成孔施工完成后，需進行清底夯實（次數＞8 擊）、夯平環節；另外，鉆孔形成后，應檢查鉆孔中心的位移、垂直度、直徑和深度。如有需要，可適當反插，以確保樁的直徑≥200 mm[4]。

4.6 拌制灰料

按照設計要求，材料灰土比為3∶7（體積比)，生石灰中活性CaO、MgO 含量不應低于50%（按干重計），＜5 mm 的顆粒夾石量≤5%。灰土的土料宜采用基坑開挖中挖出的土，但不得含有有機雜質；同時要進行篩分，以保證粒度＜15 mm。

完成上述步驟后，均勻攪拌石灰土，并控制適當的含水量（在現場檢查方法中，石灰土應牢固地固定在手掌上，是否適當以輕捏即碎為標準）。這是因為若含水量過高，則不僅會無法確保夯擊密實度，還會導致石灰土難以吸收地基水分而發生硬化現象，最終出現氣孔并降低樁體后期強度。本工作經過現場擊實試驗后，確定石灰土最佳含水量為15.6%。值得注意的是，石灰土必須要確保現配現用[5]。

4.7 重錘夯實

該環節的施工要點為：

1）將材料分層緊湊地填充入孔。

2）分層回填厚度為280～320 mm，夯錘數不小于40 次，落錘的高度超過4 m，以確保所需擊實功。

3）夯實高度應比設計樁頂高度高10 cm。

4）成孔后，應及時進行夯實和填充操作。

5）在夯實和填充之前，必須準確測量和記錄孔的深度和直徑。

5 處理效果

為了確保本工程竣工后的處理效果，在復合地基完成28 d后，在現場進行了探井，目的在于將其開剖取出原狀土樣來檢測承載力，如圖1、圖2 所示。

圖1 干密度隨深度變化圖

根據圖1、圖2 可看出：（1）在地面下2～8 m 的處理范圍內濕陷系數均小于0.015，排除了所有潤濕性，2 m 及以下樁間土的干密度＞15.0 kg/m3，滿足要求；（2）通過對試驗結果的修正分析，明顯改善了固結處理后地基土的各項物理動力參數，提高了土的壓縮性和干密度指數，取得了預期的效果。

圖2 干密度隨濕度變化圖

6 結語

采用灰土擠密樁處理公路黃土地基可以消除黃土地區樁間土的濕陷特性，顯著提高地基的承載力。因此，在實際應用過程中，要根據工程實際情況來分析灰土擠密樁在公路黃土地基管理中的相關應用，以更好地保障施工質量與施工安全。