灰土挤密桩地基加固施工分析

邢智峰

(包钢工业与民用建筑工程有限公司，内蒙古包头 014010)

0 引言

灰土挤密桩地基处理一般无需开挖大量土方，属于原位深层加密处理地基的一种方法，适用于处理厚度较大的自重或非自重湿陷性黄土地基。在施工场地狭窄、土方堆放困难的情况下，灰土挤密桩法处理地基优越性更大[1]。

灰土挤密桩通过振动沉桩机将带有通气桩尖的刚制桩管沉入土中的设计深度，由于下沉桩管对周围土体产生很大的横向挤压力，桩管将地基中同体积的黄土挤向周围的土层使其孔隙率减小，周围土体密度增大[2，3]。但在完成挤密桩施工后的桩间土挤密程度与挤密桩位置关系的研究较少，挤密桩设计时其合理的桩土面积置换率与桩间土的挤密系数关系还有待进一步地研究。为此，本文通过内蒙古地区某黄土地基灰土挤密桩工程，对上述问题进行了分析。

1 工程简介

内蒙古某工作厂房场地处在非自重湿陷性黄土地基上，原状土孔隙较大，具有一定的湿陷性。图1为取土场与路基所用填料的级配曲线。填料的不均匀系数Cu=2.64，曲率系数Cc=0.97。根据文献[4]中的相关规定，判断填料属于级配不良。图2为填料击实试验曲线，从图1，图2中可以看出，填料的最大干密度ρdmax=1.87 g/cm3，最佳含水量 wopt=17.5%。根据文献[4]的试验方法，测得路基所用填料平均颗粒密度为2.62 g/cm3，液限含水率WL=34.4%，塑限含水率WP=20.4%。

根据地质勘察资料，将上部约2 m～4.5 m表层土体清除后，作为地基本体的原有土体在10 m～15 m范围内其干密度为1.53 g/cm3～1.58 g/cm3，相当于分层压实时压实系数的 81.8%～84.5%。根据分析与计算，最终确定了采用灰土挤密桩进行地基加固，挤密桩的直径为0.4 m，平面采用正方形布置，桩间距1 m，加固深度为15 m。挤密桩所需要土体就地取材，即采用表面平整过程中挖出的土体，设计灰土比为2∶8，桩间土平均挤密系数不小于 0.95(挤密后的土体的干密度与最大干密度的比值)[5，6]。施工时夯锤质量为1 000 kg，直径325 mm。现场灰土挤密桩施工如图3所示。

2 挤密效果分析

2.1 实测挤密度效果分析

地基土体压实密度直接与地基工后沉降密切相关[1，2]，为了分析完成施工后桩间土的挤密效果，现场对桩间土的密度进行了试验，现场采用环刀法进行检测。桩间土密度沿深度变化检测时对正方形形心位置及两相邻桩的中心位置(两桩之间)进行了环刀法密度检测(见图4)，检测结果如图5所示，其中挤密系数为检测土体的干密度与最大干密度之比。从图5可以看出，浅层的挤密系数要较小，主要与挤密桩施工过程中浅层土体发生了一定的隆起有关。而在约1.5 m后，挤密系数随深度基本不再变化。从图中还可看出，正方形形心位置的挤密系数明显要小于两相邻桩中心位置的挤密系数，主要是形心位置距离挤密桩较两相邻桩中心位置距离挤密桩更远。

为了分析桩间土挤密系数与测点距挤密桩的距离关系，现场对0.8 m与1.5 m深度处的正方形对角线位置进行了密度现场实测，其结果如图6所示。

从图6中可以看出，在形心位置，挤密系数最小，而在挤密桩附近，挤密系数最大，最大值约105%，即挤密后土体的密度大于室内击实试验得到的最大干密度。从实测结果可知，在完成挤密桩施工后，桩间土的密度是不均匀的，一般距离挤密桩越远，挤密系数越小。已有研究表明，桩间土的密度不均匀性随着时间稍有减小。为了减小桩间土的密度不均匀性，在挤密桩设计时建议采用等边三角形布置。

2.2 挤密效果理论计算

挤密桩施工时，桩间土挤密与单位面积上桩的截面面积有关。在复合地基分析中，引入了桩土面积置换率:

其中，m为桩土面积置换率;d为桩身平均直径;de为一根桩分担的处理面积的等效圆直径。

按照布桩形式的不同分别按下列公式计算:

等边三角形布桩:

正方形布桩:

矩形布桩:

其中，s为三角形布桩或正方形布桩时的桩间距;s1，s2分别为矩形布桩时的纵向桩间距离和横向桩间距离。

事实上，桩土面积置换率m也可理解为挤密桩截面面积与地基处理面积之比;或为挤密桩截面面积与挤密桩截面面积和桩间土面积总和的比。

假设在挤密桩施工过程中挤压土体只发生水平向挤压，即不发生隆起。挤密桩施工前土体的平均干密度为ρd，则在桩土面积置换率为m时，根据处理前后土体质量守恒关系，可得到完成挤密桩施工后桩间土的平均干密度为ρt，则有:

其中，A1为挤密桩的截面面积，A1=d2/4;A2为一根桩分担的处理面积。

根据桩土面积置换率的定义，m也可表示为:

按照布桩形式的不同分别按下列公式计算:

等边三角形布桩:

正方形布桩:

矩形布桩:

其中，s，s1，s2意义同上。

根据式(6)，式(5)也表示为:

完成挤密桩施工后的桩间土的挤密系数为:

其中，ρdmax为击实试验测得的最大干密度。

对于本次灰土挤密桩地基处理工程，假设ρd=1.55 g/cm3(现场勘察为 1.53 g/cm3～1.58 g/cm3)，挤密桩直径 d=0.4 m，布桩时正方形边长s=1 m，根据式(6)，式(8)及式(10)，得到完成挤密桩施工后桩间土的理论干密度为:

ρt=1.144ρd=1.77 g/cm3。

即通过挤密桩施工，桩间土的干密度理论上提高了1.144倍，根据式(11)可得其理论挤密系数为:

k= ρt/ρdmax=1.77/1.87=0.947。

由此可见，理论挤密系数稍小于0.95，但由于在挤密桩施工过程中，夯锤冲击作用导致土体向四周挤压，所以往往使桩的直径稍大于设计值，如图7所示。现场实测桩间土挤密系数在0.905～1.05，表明理论计算与实测结果相符。

3 结语

1)现场实测结果分析表明，由于挤密桩施工时浅层土体发生了隆起，导致浅层桩间土的挤密系数小于深层桩间土的挤密系数。一般在约1.5 m以下，桩间土的挤密系数变化很小。

2)现场实测结果表明，挤密桩施工对桩间土的挤密效果与桩间土的位置有关，距挤密桩越近，挤密系数越大，本次施工的挤密桩在正方形形心位置处的挤密系数最小。为了获得密度较均匀的桩间土，在挤密桩设计时建议采用等边三角形布置。

3)在参照桩土面积置换率的定义及计算方法基础上，推导出了不同布桩方法的桩间土理论干密度计算公式与桩间土挤密系数计算公式，分别为式(10)与式(11)，并将理论成果在本工程中进行了验证，表明具有良好的适用性。理论成果为挤密桩设计提供指导。

[1] 刘好正.挤密桩复合地基在湿陷性黄土地基处理中的应用[J].铁路标准设计，2010(10):14-17.

[2] 李 刚.灰土挤密桩在湿陷性黄土地基中的应用[J].路基工程，2010(1):178-180.

[3] 杨青潮，郝 哲.桩挤密法加固软弱地基之对比分析[J].山西建筑，2010，36(25):86-87.

[4] SL 237-1999，土工试验规程[S].

[5] 田利民.客运专线铁路路基压实标准与验收标准的探讨[J].铁道标准设计，2007(11):1-4.

[6] 黄大维，杨有海，黄纪强，等.戈壁粗粒土填料填筑铁路路基压实评价指标研究[J].中国铁道科学，2012，33(2):21-27.