灰土桩处理厚层淤泥质新填土地基的效果分析

刘秋燕, 吴道祥,2, 蓝天鹏, 王国强

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽合肥 230009;2.同济大学 土木工程学院,上海 200092)

灰土桩复合地基用于处理新近堆积黄土、湿陷性黄土、人工填土及非饱和软土地基,既可提高地基承载力,减少建筑物沉降,又可以消除黄土湿陷性,具有施工工艺简单、速度快、造价低等特点。近年来,中国许多学者在灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基方面做了大量的研究,美国、俄罗斯等在这方面的研究也比较活跃,有些试验规模也较大。我国湿陷性黄土的分布面积占黄土分布总面积的1/2以上,大部分分布在黄河中游地区,是我国一种重要的、分布较广的区域性土。灰土桩于20世纪50年代中期开始在西北试用,60年代中期灰土桩挤密法试验取得成功。自1972年开始,我国黄土地区采用灰土桩已成功地建设了数百栋工业与民用建筑。同时,各地区结合当地条件,在桩孔填料、施工工艺和应用范围等方面均有所发展和突破[1]。但是有关小直径灰土桩处理厚层淤泥质新填土地基的报道较少,本文根据合肥中日美术馆厚层淤泥质新填土地基加固处理实例,阐明了小直径灰土桩处理淤泥质新填土地基的加固效果,地基强度与变形特征;对灰土桩复合地基的工作性状作了进一步的探讨。通过各种原位试验,对复合地基的强度进行测试,结果表明用小直径灰土桩处理后的复合地基的承载力大幅度提高,符合工程建设要求。本文讨论的工程实例,对此类地基的加固处理具有参考价值。

1 场地工程地质条件概况

中日美术馆建设场地位于合肥市东门大桥的西北侧,西面为环城马路和逍遥津公园。地貌上属于南淝河河漫滩的临河洼地,整治河道时已将地表堆平,地面标高 16.6 m,静止水位埋深5.5 m。场地地基土在勘探深度内分为4层。

(1)杂填土A,灰黑色,厚度3.9 m,为河道清淤堆积的淤泥质黏性土,稍湿,含有机质,混较多的建筑垃圾,其中1.6 m左右的表层填土较密实,下部呈稍密或软塑状态。

(2)素填土B,厚约2.3 m,以河道清淤的淤泥质粉质黏土、粉土为主,并夹有粉煤灰,呈软塑或稍密状态,土体工程性质差且不均匀。

(3)粉质黏土,灰黄色,湿,可塑状态,无摇振反应,切面较光滑,光泽反应中等,干强度和韧性中等。

(4)粉土,灰、灰黄色,饱和,中密-密实状态,摇振反应快,切面粗糙感,光泽反应无,干强度和韧性低,黏粒含量13.6%,地震烈度7度时不发生液化[2,3]。土的物理力学指标见表1所列。

表1 地基土物理力学性质指标

由上述可知,场地内表层淤泥质填土厚度大,工程性质差,不能作为该工程的天然地基持力层。由于建设场地狭窄,临近南淝河且位于闹市区,基础施工开挖条件和地基处理方法受到限制[4]。综合分析场地的工程地质条件和工程建设的要求,对地基处理方法进行经济技术的比选,采用“小直径灰土桩”加固淤泥质填土地基方案,要求处理后的复合地基承载力 fak＞120 kPa,Es＞5.0 MPa。

2 地基土处理效果分析

2.1 灰土桩设计与成桩工艺

设计桩径为200 mm,桩长6 m,拟穿过填土层,由于桩体下部0.5 m位于地下水位以下,考虑到灰土遇水软化和长期稳定问题,采用碎石夯填处理。设计置换率为14.5%,桩距为0.5 m,呈正三角形布置,施工采用SH-30型工程钻机造孔,120 kg重锤夯实“三七灰土”配料,然后分层填夯灰土。按照有关公式对处理后的复合地基承载力和压缩模量进行估算,计算结果表明上述地基处理设计方案满足建设要求。

成桩施工工艺：①采用螺旋钻成孔,成孔后直接投料的方法;②钻孔后,向孔内投放约0.4 m高的碎石,用重锤击实,桩底碎石夯实至静止地下水位以上;③分段投放灰土击实,击实标准为每次向孔内填灰土1.0 m高,重锤夯实至0.45～0.60 m高,视贯入击数和土层强度而定,主要以贯入度控制,当落距为 2.0 m时,击实0.5 m平均控制5击;④灰土桩施工完毕后,养护28 d,待桩身硬结后再进行检测和试验。

2.2 现场原位试验

灰土桩施工养护28 d后,运用静力触探和轻便动力触探对桩身和桩周土进行了检测,并对天然地基和复合地基进行了静载荷试验。灰土桩开挖后观测桩体均匀完整,由于夯实扩径作用,桩径≥200 mm,相对软弱土层部位桩体扩大呈竹节状。经桩体取样进行单轴极限抗压强度试验,试件强度qu为414～556 kPa,平均500 kPa。

(1)灰土桩桩身检测。桩体单桥静力触探所得Ps≥200 kPa,表层1.6 m范围内值均Ps≥6 MPa。天然地基与灰土桩桩身静力触探Ps值对比,如图1所示。

(2)复合地基桩周土检测。对桩周土采用静力触探和轻便动力触探(N10),分别进行了检测,结果如图2、图3所示。从上述原位试验测试结果可以看出,填土经过处理后,其工程性质得到明显改善,地基承载力≥130 kPa。

图1 天然地基与灰土桩桩身Ps值对比

图2 天然地基与桩周土N10击数对比

图3 天然地基与桩周土Ps值对比

(3)复合地基载荷试验。为检验复合地基承载力,分别进行了天然地基、灰土桩和复合地基载荷试验,结果如图4所示。

图4 地基载荷试验P-S曲线

由图4可知,天然地基按照相对沉降控制法确定地基承载力为80 kPa,达到极限荷载后沉降急速增加,曲线出现陡降,承压板周围土体隆起,承压板沉入土中呈刺入型破坏;灰土桩载荷试验曲线为抛物线型,桩体沉降量小,曲线无明显拐点,说明桩底碎石夯填和桩体施工质量好,桩体强度较高;而2组复合地基载荷试验曲线平滑,试验的初始段由于垫层和桩周土受荷载后压密,沉降量较大,随着荷载增加,荷载由桩土共同承担,沉降速度放缓,随着试验荷载的进一步增加,地基沉降增速,曲线变陡,达到试验极限荷载。

天然地基的变形模量为3.5 MPa,复合地基的承载力和变形模量见表2所列。

按照极限荷载法确定复合地基承载力 fak=217 kPa,用相对沉降控制法确定的复合地基承载力fak=250kPa。现场载荷试验深度0.8 m,勘察揭示地表至1.6 m深度左右的表层填土较密实,考虑到建筑物基础埋深及荷载主要作用在杂填土的下层,需综合考虑硬壳层下稍密状态杂填土和素填土的处理效果,才能对复合地基承载力作出正确评价。根据图2和图3结果综合分析,经过处理后的填土工程性质得到明显改善,复合地基承载力满足设计要求。

2.3 地基加固效果分析

根据试验场地的土层性质,设计桩长为6 m,穿过填土层。为测试灰土桩处理地基的效果,准确评价复合地基的强度与变形特性,分别对天然地基、桩间土和桩体进行载荷试验、静力触探和动力触探。试验结果表明处理后的桩周土强度提高了50%以上,复合地基比天然地基强度提高1倍以上。实践表明,这种桩具有制作简便、造价低廉、效果显著等特点。

天然地基、复合地基和桩间土的静探比贯入阻力Ps值,以及天然地基与桩间土的轻便动探贯入击数N10,见表3所列。

表2 复合地基承载力和变形模量对比

表3 复合地基与天然地基轻便动探和静探测量值

桩身强度是随桩周土强度变化的,桩周土强度高对桩身的约束力也高,则桩身强度也高,根据本次实验,桩身强度约是桩周土强度的1.5～2.5倍。

3 加固机理

灰土桩是利用沉管、冲击或爆扩等方法在地基中挤土成孔,然后向孔内夯填灰土成桩。灰土材料在化学性能上具有气硬性和水硬性,石灰中正电荷的钙离子与带负电荷黏土颗粒互相吸附,形成胶凝作用等物理化学反应,使桩身及部分桩周土硬结固化成强度较高的柱体,并使周围较大范围内的土体得到加固[5]。

灰土桩的加固机理如下：

(1)置换作用。复合地基是桩体和桩间土共同起作用,由于桩体的刚度比周围土体大,桩体周围产生应力集中而桩间土应力降低,因此可以提高地基的承载力和地基的整体稳定性[6]。

(2)挤密作用。灰土桩在施工过程中的振动对桩间土起到密实作用,同时,生石灰具有吸水、发热和膨胀等作用,从而对桩间土产生较大的挤压力,使桩间土密实度提高;同时使地基中含水量下降,孔隙比减小,桩间土抗剪强度提高[7]。灰土桩的变形模量高于桩间土数倍至数十倍,因此在刚性基础底面下灰土桩顶的应力分担比相应增大,灰土桩具有分担荷载和减小桩间土应力的作用;灰土桩具有一定的抗弯和抗剪刚度,对桩间土具有较强的侧向约束作用,阻止土的侧向变形并提高其强度,提高地基的承载力和变形模量[8]。试验证明,灰土桩挤密地基的承载力标准值比天然地基提高 1倍左右;其变形模量高达21～36 MPa,约为天然地基的3～5倍,因而大幅度减少了建筑物的沉降量。因此,灰土桩在力学性能上起到挤密地基的作用。

(3)吸水膨胀作用。灰土桩吸水量包括2部分：CaO水化所需的吸水量和石灰水化产物Ca(OH)2的孔隙吸水量。CaO水化反应如下：CaO+H2O=Ca(OH)2+Q,其中,Q是水化放热量。总吸水量越大,桩间土性质改善也越好。在CaO水化反应中,水化产物Ca(OH)2体积增加,使膨胀的桩身对桩体周围的土产生侧向压力,挤密周围的土体,从而使地基承载力得到提高。同时,化学反应释放热量引起水分蒸发,也使地基中水分减少,使软土地基得到改善[8]。

(4)胶凝作用。生石灰吸水生成的Ca(OH)2中有一部分与土中的CO2产生碳酸化反应,使桩周土硬结;另一部分Ca(OH)2溶液由土中孔隙向土壤内渗透,与土中的SiO2、Al2O3等产生火山灰反应,形成水化硅酸钙和铝酸钙等胶凝物质。反应式如下：

生成的胶凝物质增大了土粒之间的联结作用,从而提高土的抗剪强度;生石灰的水化热可以促进凝胶作用,但凝胶作用也只发生在桩界面附近。

(5)离子交换作用。生石灰水化反应过程中产生的二价钙离子与扩散双电层中的一价钠、钾离子发生交换作用,交换的结果使扩散双电层变薄,黏土颗粒间的结合力增强,形成团粒结构,从而使土的塑性减小,抗剪强度提高[8]。

4 结束语

灰土桩处理地下水以上的新填土具有良好的效果。试验表明,经过处理后的桩周土强度可以提高50倍以上,复合地基强度可以提高1倍以上,满足工程建设的要求。实践表明,这种柱具有制作简便、造价低廉、效果显著等特点。该工程已经投入使用16年,工程质量良好。本文讨论的工程实例,对此类软弱土地基的加固处理具有参考价值。

灰土桩的施工和检测等是由合肥市勘察院完成的,感谢刘勇、钟政文高级工程师提供部分试验资料。

[1]叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1998：264-362.

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[7]黄生根,张希浩等.地基处理与基坑支护工程[M].武汉：中国地质大学出版社,2004：14-24.

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