黃土場地擠密地基處理深度的探討

崔金柱，常傳清，王睿

（國網甘肅省電力公司慶陽供電公司，甘肅 慶陽 745000）

1 引言

隨著國家重點項目“東數西算”項目落地甘肅慶陽，所配套的電網基建工程迎來跨越式的發展。慶陽地區大部分場地屬于黃土場地，且黃土層厚度較大，具有濕陷性，需進行地基處理，該地區電力工程建設項目常用沉管擠密樁做地基處理，消除或部分消除地基土的濕陷性。以往的沉管擠密法施工深度一般不大于15 m，此處理深度對于大厚度濕陷性黃土場地，往往不能滿足國家標準GB 50025—2018《濕陷性黃土地區建筑標準》[1]對處理后地基剩余濕陷量限值的要求。以往未打浸水孔的浸水試驗資料表明，平面有限范圍的地表水自然向下滲透時，地基土達到飽和的時間隨深度增加而變長，即地基土所在位置越深越難達到飽和，而且似乎存在一個滲透下限，隨著地基土深度的增加，發生浸水的可能性降低，發生濕陷變形的可能或濕陷變形減小。

為尋求合理的地基處理深度，諸多學者做了試驗研究。張豫川等[2]提出，單一的以剩余濕陷量作為地基處理深度的標準在經濟上是不合理的,一定厚度處理土層所具有的剛度是能抵御濕陷引起的變形能力的。姚志華等[3]建議，將15～20 m 和10～15 m 分別作為大厚度自重濕陷性黃土地基乙、丙類建筑的最大處理深度。張世徑、朱彥鵬等[4-5]學者也在不同大厚度濕陷性黃土場地做了擠密樁法處理地基深度的試驗研究。論文以甘肅慶陽試驗場地的浸水試驗為例，根據試驗結果，對該地區擠密地基處理深度問題做了探討。

2 試驗區概況

試驗場地位于甘肅省慶陽市西峰區什社鄉境內，慶陽市西南約18 km。場地地貌屬于黃土塬地貌，地面高程1 245.2 m。地層主要為第四系上更新統風積成因的馬蘭黃土和第四系中更新統風積成因的離石黃土組成。場地區地下水埋深大于50 m。

試驗區擠密樁施工前，在試驗區附近開挖3 口探井（圖1中TJ1、TJ2 和TJ3），做室內土工試驗。試驗結果表明，該試驗區地基土干密度為1.25～1.52 g/cm3，最大干密度1.76 g/cm3，濕陷下限深度22.5 m，自重濕陷量計算值550.3～686.9 mm，屬Ⅲ級自重濕陷地基。

圖1 試驗區平面布置圖（單位：mm）

本次試驗采用沉管擠密樁復合地基，孔徑φ400 mm，正三角形布孔，孔填料為素土，孔深12 m，孔深孔心距l按式（1）計算得出0.924 m，取1.0 m。樁位布置如圖1 所示。

式中，l為孔心距，m；D為擠密填料孔直徑，取0.4 m；ρdmax為擊實試驗確定的最大干密度，取1.76 g/cm3；ρd0為擠密前壓縮層范圍內各層土的平均干密度，取1.36 g/cm3；為擠密填孔后，3 孔間土的平均擠密系數不宜小于0.93。

3 試驗結果與分析

3.1 室內土工試驗

擠密地基施工完成后14 d，在圖1 中S1、S3、S5 點現場開挖探井，分別在三樁間形心位置處和距離孔中心2/3 孔半徑處取Ⅰ級土樣，做室內土工試驗。取樣豎向間距1 m，取樣深度12 m，共取三樁間土樣和樁身土樣各36 件。

三樁間形心位置處的36 件樣品的室內土工試驗結果表明：最小擠密系數均不小于0.86，其中34 件樣品不小于0.88；濕陷系數均不大于0.017，其中34 件樣品小于0.015。這說明擠密樁基本消除了三樁間的濕陷性，三樁間為整個樁間土區域最薄弱處，其他位置樁間土濕陷性應已經被消除。距離孔中心2/3 孔半徑處的36 件樣品室內土工試驗結果表明，壓實系數均不小于0.97，孔填料夯實質量滿足要求。

上述結果表明，沉管擠密達到了擠密樁間土、消除樁間土濕陷性的目的。

3.2 現場浸水試驗

施工完成后，按圖1 所示，沿最外側邊樁開挖深0.5 m、邊長12.4 m×10.5 m 的矩形試坑，在坑內S1～S9 點位置-0.5 m 深度處埋設沉降觀測計。

擠密樁施工完成20 d 后開始浸水，浸水持續62 d，浸水期間一直保持水頭高度0.3 m，停水后觀測14 d。從開始浸水觀測至結束總計76 d，期間記錄了整個處理區域地面出現的沉降、塌陷、開裂等問題。

如表1 所列，試坑內的9 個淺層沉降觀測點，在浸水期間的沉降量為30～47mm，平均39mm；停水后的沉降量為6～10mm，平均8 mm。整個試驗觀測期76 d 內的總沉降量37～53 mm，平均47 mm。

表1 各觀測點的沉降量

9 個觀測點按照其在試坑內的平面位置可分為位于試坑中心的S3 號點； 距離試坑中心約3.5 m 位置的S2、S4、S7、S8號點；距離試坑邊約1.0 m 位置的S1、S5、S6、S9 號點。取3 個位置各自觀測點沉降量的平均值繪制變形-時間（s-t）關系曲線，如圖2 所示。沉降量最小的曲線為試坑中心點，其次為距離試坑中心約3.5 m 位置的點，距離試坑邊1.0 m 位置處的點沉降量最大。發生這種情況的主要原因是浸水坑邊在擠密地基處理區域邊緣，浸水過程中水分先滲透到擠密地基處理區域外的未處理土層，使土質軟化，對擠密樁的約束作用減小，故而距離試坑邊緣越近發生的沉降量越大。隨著浸水時間的持續，水分沿著處理區域外圍先滲透到處理深度以下，并發生水平滲透，使得處理區域內邊緣的深部土體發生濕陷變形，引起整個地基下沉。地基下沉過程中試坑中心點下的深部地基土被逐漸壓密，外圍水分向中心發生水平滲透的作用減小，試坑中心點下的深部地基土發生濕陷變形量也變小，故而試坑中心的變形最小。

圖2 s-t 關系曲線

本次試驗，由室內土工試驗所測得的自重濕陷系數計算出擠密地基的剩余濕陷量計算值為142～158 mm，現場實測沉降量為47 mm，約為計算值的0.3 倍。這說明剩余濕陷量的計算值過于保守，地基經擠密后，其滲透性得到了很好的改善，浸水期間地基的變形主要是地基土重度變化引起的壓縮變形、處理深度以下濕陷性土層產生的濕陷變形，以及浸水后地基土排水發生的固結變形。文獻[4]中，學者在蘭州市和平鎮采用打浸水孔的方法進行深層浸水試驗，浸水時間為171 d，12 m深度的擠密地基浸水坑地面的沉降量為109～143 mm，平均沉降量為126 mm。按照室內試驗結果計算其在自重條件下的沉降量為680 mm 左右，現場實測沉降量僅為此值的0.19 倍。其還在該場地12 m 深度擠密樁地基上設置承臺、 堆載200 kPa，在深層浸水171 d 的情況下，地基實測沉降量為196 mm，而按照室內試驗結果計算的剩余濕陷量為829.5 mm，現場實測沉降量僅為此值的0.24，這表明處理深度范圍內的土層形成了良好的承載層。文獻[5]中，學者在蘭州新區12 m 深度的灰土擠密樁地基上做浸水試驗31d，試坑中心沉降總和為16.52 mm，該場地濕陷下限深度大于35 m，按室內試驗計算的剩余濕陷量遠遠大于16.52 mm，究其原因是浸水深度未達到處理深度以下的土層，水分入滲的豎向深度約1 m，水平距離未達到1.5 m，處理深度以下土層未見水也就不發生濕陷，這說明黃土經擠密地基處理后的滲透系數很小，可作為良好的隔水層。

綜上所述，大厚度濕陷性黃土地基經12 m 深度的擠密樁處理后，地基在有限時間內浸水產生的濕陷量均小于按照室內試驗結果計算的值，實測值約為計算值的0.2～0.3 倍。實際工程應用擠密樁地基時，須在樁頂做0.5～0.8 m 的墊層，此做法不僅解決樁土應力比問題，還能形成良好的隔水層，進一步減小了地基浸水的可能性，使得處理深度以下土層發生濕陷變形的概率更小，這對工程來說更安全。12 m 深度的擠密樁地基可消除處理深度范圍內地基土的濕陷性，降低地基土的滲透系數，提高地基承載力，在非長期大面積浸水的情況下，此處理深度可滿足工程需求，降低地基處理的工程造價。

4 結語

電力工程項目的基底壓力一般不大于200 kPa，采取沉管擠密樁地基可滿足絕大多數工程對地基承載力的要求。建設在大厚度濕陷性黃土場地上的電力工程項目，在正常運行時不使用水，也不產生水，在做好基本防水措施的基礎上，采用12 m 深度的沉管擠密樁復合地基，可有效地解決地基土濕陷變形的問題。采用沉管擠密樁處理濕陷性黃土地基時，須在樁頂設置0.5～0.8 m 厚度的素土或灰土墊層，以便加強地基防水效果，防止地表水下滲引起地基土濕陷和軟化。