挤密桩处理湿陷性黄土地基的现场试验研究

米海珍，杨 鹏

（兰州理工大学 土木工程学院，兰州 730050）

1 引 言

目前，对于复合地基机制的理论研究还在不断深入，其中包括对石灰和软土间的相互作用原理[1]、对挤密桩体的应力-应变关系[2]、从化学角度研究灰-土的反应机制[3]、挤密桩挤密前后黄土的结构性变化和黄土的应力-应变关系[4]等方面。从20世纪90年代中期开始，许多学者就对复合地基数值分析进行了研究[5－6]。龚晓南[7]对包括灰土桩在内的复合地基技术的新发展和工程应用，以及发展中存在的问题做了较全面地论述。虽然对灰土桩处理地基的机制进行了大量的试验研究和数值分析[8－10]，但仍有许多问题尚未得到完全解决，例如，对桩径、桩心距和处理深度的具体的定量关系及界限值仍不够确切。本文通过8个试验点的现场试验，重点研究了桩心距、处理深度、处理范围以及桩孔填料等对湿陷性黄土地基的处理效果，得到了具有工程实用价值的结论。

2 试验目的及场地概述

2.1 试验方案设计

试验地区多层建筑的地基为黄土，厚度大多在10～20 m之间，所存在的主要问题是承载力低（一般在90～120 kPa之间）和湿陷性问题，不能满足基础对地基的要求，因此，必须对地基进行处理。对处理后地基的要求是：消除湿陷性，承载力达到200 kPa。为此，本试验在对地基进行不同处理后，在各试验点处用载荷板（各点载板大小不同）加上200 kPa的荷载，进行了小面积（小坑）浸水试验，之后，再对整个试验场地进行大面积浸水，以检验挤密桩在实际工程中最不利情况下的处理效果。

通过本次试验，预测试挤密桩在不同桩心距、桩孔填料（有素土、灰土两种）、处理范围、处理深度以及浸水面积等因素下消除地基土湿陷性的情况。现场试验点布置情况见图1。表1为现场试验中各试验点处设计状况表。为此作如下试验设计：H点未做处理，以测得原始湿陷量；F点的桩心距大于其余各点；G点桩孔填料为灰土，其余各点为素土；A点的处理范围大于其余各点；处理深度方面，E点和D点分别为2 m和4 m，其余各点为6 m。

试验步骤为：场地布点，对各点按设计进行地基的土桩挤密处理，处理完成后做荷载试验，加200 kPa压力，之后各点做小坑浸水试验，最后做全场地的大坑浸水试验。

图1 现场试验点布置概况图（单位：mm）Fig.1 Sketch of the field experiment sites (unit: mm)

2.2 试验场地土的物理力学性质

本试验场地位于天水某河流的Ⅱ级阶地上，是被平整过的一片梯田，面积约为4000 m2。地层主要为侵蚀堆积的次生黄土，平均厚度约为15 m，大孔结构明显，结构疏松，含铁锈斑迹。现场选取两处探井测试原状土层的基本物理参数，1、2号探井的湿陷深度分别为17.2、13.2 m。因为挤密桩处理最大深度为6 m，所以表2为地面以下6 m深度范围内的地层土的物理力学性质指标。

3 试验观测及数据分析

试验分3个阶段进行，即200 kPa载荷试验、小坑浸水试验和大坑浸水试验。通过原位试验，检验经处理后地基密实度及湿陷性的变化情况。

3.1 地基土密实度的变化

试验点A～H地基处理孔位及取样点布设位置如图2所示，其中桩孔直径为325 mm，桩心距用X表示，在两桩间等距离取1、2、3号点，在3桩间等距离取a、b、c、d、e共5点，测试挤密桩在不同桩心距挤密后地基土天然重度变化情况，天然重度变化曲线见图3，所测数据列于表3。

由图3可以看出，在靠近桩体的1点和a点，土体天然重度的增长基本都超过30%，在其他点处的增长随桩心距的减小变化明显。

表1 场地试验设计状况表Table1 Case parameters of field experiment

表2 地层土的物理力学性质表Table2 Physico-mechanical indices of field ground

图2 挤密桩处理基本单元及试验取样点位置示意图Fig.2 A basic unit of compaction piles and measured points

图3 各试验点密实度变化曲线Fig.3 Change curves of soil compactness at every point

表3 各试验点密度及密度增加系数Table3 Values of density and increasing coefficient for measured points

根据桩间土密实度平均增长系数，将桩间土划分为充分挤密区（挤密处理后重度增长超过30%）、有效挤密区（挤密处理后重度增长在10%～30%之间）和挤密影响区（挤密处理后重度增长在10%以下）。

充分挤密区：出现在桩体周围，当桩心距小于2.25d时，处理单元内全部为充分挤密区。

有效挤密区：主要集中在三角形处理单元中心处，其条件为在桩心距2.25d～2.50d之间，并随着桩心距的进一步增加，该区域的范围呈环状扩大。

挤密影响区：当桩心距大于2.50d时，将首先出现在三桩间土体处理单元中心附近（即 c点附近），并随着桩心距的增大而扩展，当X＞3d时，这一区域范围比较大，并逐步扩展到处理单元的 3号点位置。

从本次试验资料看，笔者将各挤密影响范围大致划分如图4所示。

图4 单桩桩周土不同挤密程度区域图Fig.4 Zone with different compaction extents round a single compaction pile

3.2 地基承载力的变化

3.2.1 单桩桩周土的压缩系数

单桩桩周土在天然湿度及饱水状态下的压缩系数沿径向的变化规律及相应的挤密系数如图 5所示，从图中可以看出，饱水状态下地基土的压缩系数和挤密系数均大于天然状态。

随着国家建设事业的发展，我国在村镇规划建设方面的步伐不断推进，在提升村镇建设质量的同时，也为其规划建设管理工作带来了相应的挑战，而面对这种发展形势，需要相关部门做好实际调查、统筹规划等工作，坚持“因地制宜”的原则，落实各项操作，确保村镇规划建设能够满足社会发展的实际需求，并且要从长远利益出发，确保社会主义新农村建设的稳步推进，因此，需要针对农村规划建设方面的相关问题进行深入的研究，以此为基础，进一步推动国家经济建设的发展。

图5 压缩系数随桩心距离的变化曲线Fig.5 Change curves of compression coefficients with the distances of pile center

由图中曲线可知：天然湿度下，当X＞1.5d时，桩周土的a1-2＞0.5 MPa-1，为高压缩性土；X在0.5d～1.5d之间时，a1-2在0.1～0.5 MPa-1之间，为中低压缩性土。压缩系数随距桩心距的增大而增大，近似呈线性关系。

对于饱水状态而言，X＞1d时，压缩系数都大于0.5 MPa-1，为高压缩性土；桩心距在0.5d～1.0d之间时，压缩系数在0.1～0.5 MPa-1之间，为中低压缩性土。

这说明在天然湿度下，单桩挤密效果的影响范围应该在1.5d范围内。而对于饱水状态，挤密桩只在1.0d范围内有挤密效果。

3.2.2 群桩桩间土的压缩系数

图6 最大压缩系数与桩心距的变化曲线Fig.6 Change curves of maximum compression coefficients with the distance of pile center

图7 群桩间挤密系数和压缩系数之间的关系Fig.7 Relationships of compression coefficients with compaction coefficients among pile group

3.2.3 载荷试验的结果（干压缩阶段）

图8为各试验点在200 kPa压力下的下沉量条形图。由图可知，未经处理的H点下沉量最大，为12.01 cm，下沉量最小的G点为0.38 cm，其余6个试验点下沉量均在 0.95～1.96 cm之间，差别不大。这说明灰土挤密桩相对于素土桩具有更好的处理效果。F点下沉量为2 cm，是各素土挤密桩处理点中下沉量最大的，它的桩心距比其余各点略大，这也证明了桩心距越大，处理效果越差。尽管各点处下沉量不同，但可以看出，挤密桩处理过的地基较原始地基H点而言，能有效减少下沉量，下沉量减小到原状地层的 1/6，且各处理点的承载力均能达到200 kPa。

图8 200 kPa压力下各点的下沉量Fig.8 Settlement of every point at 200 kPa compression

3.3 消除湿陷性的效果

3.3.1 单桩桩周土湿陷系数变化规律

图9 单桩桩周土挤密后湿陷系数水平向的变化Fig.9 Radial change of collapse coefficients after compaction around a single pile

3.3.2 两桩间和三桩间土的湿陷系数变化规律

图10给出了200 kPa下群桩间土湿陷系数与桩心距的关系。从图可知，在处理单元内，当c点X＜2.25d，3号点当X＜2.5d时，其湿陷系数都不大于0.015，呈现非湿陷性，试验中还发现甚至在靠近桩体处呈现轻微的膨胀性；对于c点处 X＞2.25d和3号点处X＞2.5d时，湿陷系数都随着桩心距的增加而几乎呈线性增长，其湿陷系数都大于0.015，呈现不同程度的湿陷性。这说明当X＜2.5d时，挤密桩可在其处理单元内全部消除地基湿陷性。

图10 200 kPa下群桩间土湿陷系数与桩心距的关系Fig.10 Relationships of collapse coefficients with The distance between pile’s center

3.3.3 小坑浸水试验检验处理效果

8个试验点在地面压力为200 kPa的情况下，小坑浸水96 h变形稳定后的湿陷量见图11、12所示。在小坑浸水阶段，没有发现自重湿陷的情况。

图11 小坑浸水各点湿陷量图Fig.11 Every point′s settlement after small area immersion

图12 H点中点处不同深度小坑浸水时的湿陷量图Fig.12 Collapse settlement at variant depth after small area immersion at point H

从图看出，未经处理的H点地基下沉量最大，达49.5 cm，其他经过处理的各点仅湿陷0.5～6.9 cm，湿陷量为天然地基的1%～14%，桩孔填料为3:7灰土的G点和处理范围最大的A点湿陷量最小，桩心距最大的 F点湿陷量相对于其他各试验点明显偏大，为 6.9 cm。

3.3.4 大面积浸水试验区处理效果检验

在各试验点载荷试验未卸载情况下，对场地进行大面积（28 m×16 m）浸水，在不同深度设立了测杆来测试不同深度的湿陷量，结果见图13。

图13(a)表明，B点和F点的处理范围（相对于载荷板）较小，仍有较大湿陷性，这说明了处理范围的主要影响。图13(b)表明，2～4 m未处理地层的湿陷量全部表现出来了（E点），也反应了小坑浸水并未能释放地层全部的湿陷量，这证明了小范围浸水与大范围浸水的湿陷影响深度是完全不同的。图13(c)表明，5 m以下地层的湿陷情况基本相同，因为该场地最大处理深度只有6 m，5 m以下各点的情况基本相同。说明湿陷性的处理深度应该是有要求的。同时，发现灰土桩较素土桩效果要好。

图13 大面积浸水情况下不同地基总湿陷量比较Fig.13 Comparisons of the total collapse settlement at every point after large area immersion

4 结 论

通过现场试验，对土挤密桩处理湿陷性地基的效果有了一些更确切的认识，初步结论如下：

（1）桩心距：不论是两桩间还是三桩间土，即X＜1.75d时，可保证挤密区间内的土都达到充分挤密，重度比原始地基增加30%，承载力提高一倍以上；X=1.75d～2.5d之间可保证桩间土达到有效挤密，重度增长10%～30%，承载力提高幅度仍需进一步研究确定。对于浸水情况，对湿陷性黄土地基控制X=2.5d较为合适。

（2）处理深度：通过分析试验结果可知，在处理深度较浅的情况下，处理地层以下土层的湿陷性并未发生变化，所以在深度上不存在影响范围。

（3）处理范围：在小坑浸水试验中，地基发生湿陷，几乎全部属于外荷湿陷；大面积浸水试验显示，地基处理范围达到载荷板面积2倍时，即可解决外荷湿陷、侧向挤出问题。这里似乎与湿陷深度无关。规范[9]中规定处理宽度超出基底不宜小于处理土层厚度的1/2，在此试验中未得到证实。

（4）桩孔填料：灰土填料显然优于素土填料。在主要持力层范围内，应该用夯填灰土填料作为适当减小处理宽度的替代手段。但对于主要持力层以下，或自重湿陷和侧向挤出都不严重的部位，强调使用灰土是不必要的，一般夯填素土即可。

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