自重湿陷性黄土地基处理方法及其参数的研究与应用

2013-08-15赵亚平王广超

中国建筑金属结构 2013年16期

关键词：密桩试桩陷性

武胜，赵亚平，王广超

（1.徐州长城基础工程有限公司，江苏徐州 221006；2.江苏省矿业工程集团有限公司，江苏徐州 221006）

1 项目概况

徐州矿务集团有限公司150万t/a甲醇项目建于宝鸡市凤翔县长青煤化工工业园区内，首期工程为60万t/a甲醇生产装置及配套的辅助和公用工程设施，总投资约38.5亿元。

2 场地工程地质条件

2.1 场地位置、地形地貌

拟建场地位于陕西省宝鸡市凤翔县长青工业园内，南距宝鸡市约35km，东距凤翔县城约15km。地形相对平坦，地面标高介于677.89～689.87m之间。拟建场地长1066.7m，宽500m，约53.3hm2，建筑物占地面积约16.4hm2。

2.2 水文地质条件

拟建场地地处内陆，夏季炎热多雨，冬季干燥少雨，年内降雨分布不均，主要集中在7～9月份，夏季降水量最高为235.1mm，年平均降水量610mm，且地基土垂直节理发育，多根孔、虫孔，渗透系数达5～6m/d，因而一般无地表水积存。

拟建场区勘探深度范围内未见地下水，含水层主要为50m以下的砂砾石层，水力坡度0.022左右，渗透系数12m/d，影响半径300m，排泄畅通，径流条件好，抽水降深好，单井涌水量为30m3/h左右。

2.3 拟建场地地基土的构成及黄土湿陷性评价

2.3.1 拟建场地黄土湿陷性评价

拟建场地位于中国湿陷性黄土分布图中的关中地区。据场地岩土勘察报告表述，场地土主要由耕土、黄土、古土壤及卵石组成，场地内黄土层均具有湿陷性，如黄土②（Q32eol）、黄土③（Q32eol）、黄土⑤（Q31eol）等，而古土壤则没有湿陷性或局部有轻微湿陷性，湿陷性由浅到深逐步减弱。场地内地基湿陷性黄土平均埋深20.43m，最大深度为27.0m。湿陷系数δs在0.015～0.105之间，自重湿陷系数δzs在0.017～0.056之间，地基湿陷等级为I～IV级，属典型的湿陷性黄土。根据各探孔湿陷性分布情况计算判定拟建场地湿陷等级为Ⅱ级（中等），但场地湿陷分布不均匀，湿陷等级区划无序可循，地基处理设计时应按湿陷等级Ⅲ级（严重）设计。

2.3.2 黄土湿陷性的危害

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，在一定的压力下，受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉。自重湿陷性黄土是在上覆的自重压力下受水浸湿，发生显著附加下沉的湿陷性黄土。湿陷性黄土地基的湿陷变形往往是不均匀的，属于失稳型的地基变形，一般在1～2d内就可能产生20～30cm变形量。这种数量大、速度快、且又不均匀的地基变形是建筑物所难以适应的，往往会造成水塔、烟囱等高耸构筑物严重倾斜，房屋墙身破坏，梁、柱等承重结构开裂以及机器基础倾斜等恶果。故在湿陷性黄土场地上进行项目建设，应根据建筑物的重要性、地基受水浸湿可能性的大小和在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基湿陷性对建筑物、构筑物产生危害。

3 地基处理方法的确定

根据《湿陷性黄土地区建筑地基基础设计规范》（GB50025-2004）规定，在湿陷性黄土上进行工程建设时，首先必须对湿陷性土层进行地基处理。目前国内常用的地基处理方法有垫层法、重锤夯实法、挤密桩法、预浸水法等。

由于本项目拟建场地湿陷性土层厚，处理深度深，垫层法和重锤夯实法处理深度较浅，预浸水法适用于空旷的独立装置，不适用于装置密集区，而挤密桩法适用条件与拟建场地基本吻合，所以本工程拟采用挤密桩法进行地基处理，即利用锤击打入或振动沉管的方法在土中形成桩孔，然后在桩孔中分层填入素土或灰土等填充料；或者采用长螺旋取土成孔，然后在桩孔中分层填入素土利用重锤夯扩。在成孔及填料夯扩的过程中，原来处于桩孔部位的土全部被挤入周围土体，通过这一挤密过程，从而彻底改变土层的湿陷性质并提高其承载力。灰土挤密桩和素土桩地基一般适用于地下水位以上含水量14%～22%的湿陷性或自重湿陷性黄土，此种地基处理方法适用范围较广。

4 挤密桩法施工工艺的分析与确定

4.1 挤密桩法施工工艺分析

挤密桩法通常有三种施工工艺：沉管挤密桩、孔内深层强夯挤密法（DDC工法）、柱锤冲扩桩法。

4.1.1 沉管挤密桩

利用打桩机或振动器将钢套管打入地基土层中并随之拔出，或是利用炸药爆扩等方法，在土中形成桩孔，然后在桩孔中分层填入素黄土或灰土并夯实而形成（灰）土桩。

4.1.2 孔内深层强夯挤密法（DDC工法）

孔内深层强夯挤密法（也称DDC工法），是通过机具成孔，再向孔内填充材料，用高动能夯锤，分段进行冲、砸、挤压、夯击，使地基土侧向挤压变形，从而达到地基土加固的目的。

4.1.3 柱锤冲扩桩法

实施柱锤冲扩桩复合地基主要采用直径300～500mm、长2～6m、质量1～8t的柱状细长锤，提升5～10m高，自由下落对地基土层冲击成孔，反复几次达到设计深度；然后边添料边用柱锤夯实形成扩大桩体，并与桩间土共同工作，形成柱锤冲扩桩复合地基。

4.2 挤密桩施工工艺的确定

根据上述常用的三种挤密桩施工工艺自身的优缺点，结合建设场地湿陷类型、湿陷强度及本工程建筑物的类别，本工程拟选用沉管挤密桩法处理丙类建筑物地基黄土湿陷性；选用DDC工法处理甲类和乙类建筑、构筑物地基黄土湿陷性；由于本工程各类建筑物要求的复合地基承载力均大于180kPa，而柱锺冲扩桩法处理地基后的复合地基承载力特征值较小，一般不超过160kPa，所以不采用柱锺冲扩桩法。

5 挤密桩施工参数的研究

根据《湿陷性黄土地区建筑地基基础设计规范》（GB 50025-2004）规定，各类建筑的地基处理应符合下列要求：（1）甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性土层，或将基础置在非湿陷性土层上；（2）乙、丙类建筑应消除地基的部分湿陷量。

根据上述规定，拟建场地内甲类建筑、构筑物应处理基础底面以下的全部湿陷性黄土层；乙类建筑物地基处理厚度不应小于湿陷性土层深度的2/3，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于150mm；丙类建筑物当地基湿陷等级为Ⅲ级或Ⅳ级时，对多层建筑宜采用整片处理，地基处理厚度分别不应小于3m或4m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量，单层及多层建筑均不应大于200mm。因此，计算后的沉管挤密桩桩长均将超过18m，而目前国内普遍使用的成桩机桩管长度不超过14m，所以沉管挤密桩桩长一般应小于14m，如超过14m，不仅下管、拔管困难，且机械稳定性差，施工安全得不到保障。因此，如果完全按照规范要求根据剩余湿陷量来控制桩长，沉管挤密桩法将不能用于本项目地基处理。DDC法虽然处理深度可满足要求，但DDC法成孔采用的是向外取土，再使用重锺进行夯填的施工工艺，其挤密效果不如沉管挤密桩。如何调整挤密桩的参数（桩长、桩径、桩间距），使地基处理后的挤密效果既符合规范要求，同时又施工简便、安全、经济、实用，是本文论述的重点。

5.1 挤密桩桩长的确定

挤密桩的桩长直接决定了地基处理的深度，通过对周边长武甲醇项目、咸阳甲醇项目、兴平化工项目等进行走访，收集整理这些项目的地质资料和地基处理方法，与本项目拟建场地的地质资料进行比对，并邀请了多位国内在湿陷性黄土地基处理方面的权威专家及设计、勘察、施工、检测等单位相关人员进行了专题研讨，对本项目的挤密桩桩长及外放范围作了如下设计建议：（1）甲类建筑和载荷较大的乙类建筑，应采用DDC素土挤密桩处理地基。素土挤密桩桩长应达到⑤黄土层底部，桩端应穿透湿陷性土层置于非湿陷性土层；（2）对于载荷不大的乙类建筑物，可采用灰土DDC桩法处理地基，桩身填料采用2:8灰土，桩长应达到⑤黄土层底部，处理范围外放5～6m；（3）丙类建筑采用灰土挤密桩处理地基，桩长应达到③黄土层底部，处理范围外放3～5m。

5.2 挤密桩桩径、桩间距的确定

桩长确定后，地基处理范围内桩间土的挤密效果将取决于挤密桩的桩径和桩间距，为获得最佳的桩径及桩间距，确定采用试桩确定挤密桩桩径、桩间距。

根据拟建场地内建筑物等级，试桩方案选择其中的18个装置区进行试桩，为了保证工程质量，得出可靠的试桩参数，18个试桩区域全部选在湿陷等级Ⅲ、Ⅳ级（即湿陷性为严重）的地段进行。其中：DDC工法分别按照桩径0.6m、桩间距1.5m；桩径0.4m，桩间距0.9m；桩径0.4m，桩间距0.8m，桩长分别为16～24m，共6个装置区进行试桩；沉管挤密桩按照桩径0.4m，桩间距0.9m，桩长从6～14m，共13个装置区设计试桩。

通过对试桩结果进行分析，并结合《规范》要求，确定将载荷不大的乙类、丙类建筑的地基处理方法设计为沉管挤密桩法，沉管挤密桩桩径0.4m，桩间距0.9m，桩长6～14m；甲类建筑及载荷较大的乙类建筑地基处理方法采用桩径0.4m夯扩至0.55m，桩间距0.8m，桩长17～24m的DDC挤密桩。

6 处理效果评价

根据上述设计，对本项目69个装置区或单位工程的湿陷性黄土地基进行了挤密桩施工，施工沉管挤密桩及DDC桩共计33.73万根，有效桩长总计443.46万m。桩基工程完成后，严格按照现行国家标准的规定，对所有装置区复合地基的承载力及挤密效果进行了全面检测，检测结果为：复合地基承载力全部满足设计要求，桩间土挤密效果良好，黄土湿陷性已消除或基本消除，达到了地基预处理的目的。