湿陷性黄土地区灰土挤密桩的机理分析及应用

刘 玮 阮兵峰

(武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉 430000)

1 灰土挤密桩的加固机理

黄土在我国具有非常广泛的分布，约占我国国土面积的6%以上，因其具有独特的水理特性及结构特性，黄土的工程特性也体现出自身的特点，如透水性、崩解性等，最典型的为湿陷性。湿陷性是指黄土在上部压力作用下受水浸湿而发生沉陷的性能，黄土的湿陷性对工程建设具有极大的危害，湿陷性黄土作为一种特殊性土与一般的粘性土不同，它具有在自重压力下或一定压力下遇水湿陷变形的特性[1]，湿陷性黄土可分为自重湿陷性和非自重湿陷性黄土，根据湿陷程度，可分为轻微、中等、强烈湿陷性三个等级。在该地区的工程建设中，湿陷性黄土不可直接作基础的持力层，需要进行地基处理，以部分或全部消除其湿陷性。在我国，湿陷性黄土地区的处理方法主要有换填垫层法、深层密实法、排水固结法及化学加固法等。其中，灰土挤密桩法为深层处理方法的一种，是深层密实法处理地基方式之一[2，3]。

灰土挤密桩适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土地基，处理深度为5 m～15 m，以消除地基土的湿陷性，提高地基土的承载力，增强其水稳性。当地基土的含水量不大于24%、饱和度不大于65%时，宜选用灰土挤密桩法。

湿陷性黄土地区灰土挤密桩加固原理:湿陷性黄土属于非饱和的欠压密土，其主要特征是孔隙比较大而干密度较小，这同时也是产生浸水湿陷性的根本原因。试验研究和工程实践证明，当使黄土的干密度及其压实系数挤密系数达到某一标准时，即可部分或完全消除其湿陷性。灰土桩挤密法就是利用这一原理，通过原位深层挤压成孔，使桩间土得到加密，并与分层夯实灰土的桩体构成承载力较高的人工复合地基[4，5]。灰土桩在挤密地基中的作用主要有:1)分担荷载;2)对土产生侧向约束作用;3)提高地基的承载力和变形模量;4)增强消除湿陷性的效果。

灰土挤密桩是利用打桩机或振动器将钢套管打入地基土层并随之拔出，在土中形成桩孔，然后在桩孔中分层填入灰土夯实而成灰土桩。与夯实、碾压等竖向加密方法不同，灰土挤密桩是对土进行横向加密。施工中当套管打入地层时，管周地基土受到了较大的水平向挤压作用，使管周一定范围内的土物理性质得到改善，其密实度增加，压缩性降低，湿陷性全部或部分消除。

灰土挤密桩的加固作用主要表现为桩间土挤密作用和灰土挤密桩桩体作用。

1)桩间土挤密作用:相邻桩孔间挤密效果试验表明，在相邻桩孔挤密区交界处挤密效果相互叠加，桩间土中心部位的密实度增大，且桩间土的密度变得均匀，桩距愈近，叠加效果愈显著。桩间土具有挤密作用，通过挤密达到消除地基土的湿陷性和提高强度的目的。

2)灰土挤密桩桩体作用:灰土挤密桩是用石灰和土按一定体积比例拌合，并在桩孔内夯实加密后形成的桩，这种材料在化学性能上具有气硬性和水硬性，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷的粘土颗粒相互吸附，形成胶体凝聚，并随灰土龄期增长，土体固化作用提高，使灰土逐渐增加强度。在力学性能上，它可达到挤密地基土的效果，提高地基承载力，消除湿陷性，并使沉降均匀，沉降差减小。

经灰土挤密桩加固处理后，原土层受到挤压，土质结构改变，土粒重新组合，各项物理力学性质变化较为明显，桩间土挤密效果受桩孔夯填质量影响较为明显，桩孔夯填质量较好的部位，即桩体密实度较高的部位，桩间土挤密效果也较好，复合地基的承载力也较高。在施工过程中一定要确保桩孔填夯质量，同时应该注意桩孔夯填效果的均匀性。

当灰土挤密桩与挤密土共同作用时，其置换率为:

其中，Ap为灰土桩的横截面面积为每根灰土桩所承担的处理地基面积

相应的，复合地基承载力值经验值为:

其中，fsp.k为复合地基承载力特征值;fpk为灰土桩的承载力特征值;fsk为土体挤密后强度。

2 工程概况

根据洛阳某勘察设计有限公司2011年9月1日提供的《三门峡市污水处理厂一期工程场地岩土工程勘察报告》，三门峡场地各土层均属第四系全新统～晚更新统冲、洪积作用形成的黄土状粉土、细砂及卵石层，自上而下分为7层:①黄土状粉土层:黄褐色，稍湿～湿，稍密，具大量针状孔隙及虫孔，湿陷性轻微～中等，层厚2.8 m～6.5 m;②黄土状粉土层:浅黄色，稍湿～湿，稍密，具针状孔隙及虫孔，湿陷性轻微～中等，层厚1.5 m～5.6 m;③层:浅黄色，稍湿，稍密，具针状孔隙，湿陷性轻微～中等，层厚3.0 m～5.9 m;④黄土状粉土层:浅黄～棕黄色，稍湿，稍密，具针状孔隙，湿陷性轻微～中等，层厚3.1 m～5.5 m;⑤黄土状粉土层:浅黄色，稍湿～湿，稍密，具少量针状孔隙，湿陷性轻微～中等，层厚2.0 m ～7.0 m，层底深度15.2 m ～22.3 m;⑥细砂层:灰黄色，稍湿，稍密～中密，颗粒较均匀，级配一般，颗粒形状不规则，层厚0.5 m～2.8 m;⑦卵石层:灰褐、青灰等杂色，稍密，自然级配较好，未揭穿。勘察期间，在勘探深度范围内未见地下水。

GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范[6]及JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范[7]的规定，灰土挤密桩设计中，当采用局部处理时，对非自重湿陷性黄土，每边不应小于基底宽度的0.25倍，并不应小于0.50 m;对于自重湿陷性黄士地基，超出基础底面的宽度每边不应小于基底宽度的0.75倍，并不应小于1.00 m。当采用整片处理时，超出基础底面外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应小于2 m。灰土挤密桩处理地基的深度，应根据建筑场地的土质情况、工程要求和程控及夯实设备等综合因素确定。

3 灰土挤密桩设计

三门峡拟建场地为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅱ级，湿陷土层深度最大为22.2，各层土的天然含水量平均值为14.0% ～18.9%之间，饱和度平均值为38.0%～49.3%之间，根据场地地质条件及建筑物使用要求，建议采用灰土挤密桩进行整片地基处理。

根据场地地基土性质要求，对于本建(构)筑物场地建议处理至第③层或第④层。在工程中采用孔径370 mm，桩径450 mm，桩距900 mm灰土挤密桩，呈等边三角形布置，桩体回填材料采用3∶7灰土分层夯实，压实系数不小于0.97，灰土桩桩顶铺设0.5 m的灰土垫层，分层夯实，压实系数大于0.95。灰土挤密桩复合地基承载力特征值，应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定。复合地基承载力经验值计算数据见表1。

表1 复合地基承载力经验值计算数据表

根据公式得出置换率为22%，置换效果较明显。初步设计时，据经验值公式计算得到复合地基承载力由土体承载力95 kPa提高为195 kPa。考虑到现场施工等因素影响，提出按承载力180 kPa设计布置灰土挤密桩。

4 现场检测及挤密效果分析

试验采用压重平台反力装置，整个测试过程由RS-JYB静力载荷测试仪自动完成。

加载分级见表2。

表2 加载分级表

根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范[7]的有关规定进行检测，检测结果见表3。

取S1，S3，S6三点分别作P—S曲线，见图1。

经检测，复合地基承载力为181 kPa，达到设计要求，由图1及表3分析，随荷载分级增加，土体沉降量呈抛物线性型，土体较均匀。

5 结语

表3 复合地基荷载试验表

图1 P—S曲线图

根据检测复合地基承载力发现，检测结果满足设计要求，承载力由土体的95 kPa提高到181 kPa;从图1中可以看出，灰土挤密桩在消除土的湿陷性，提高承载力上作用明显。经灰土挤密桩加固处理后，原土层受到挤压，土质结构改变，土粒重新组合，机理上也证明了采用灰土挤密桩法处理湿陷性黄土效果较好。从处理的总体效果分析，在保证施工质量的前提下，如果承载力要求不高，桩孔之间的中心距离还可适当加大。

选用灰土挤密桩时，应从地质情况，土体含水量等多方面考虑，保证施工工艺。试验验证灰土挤密桩与土体共同作用，作用明显，挤密效果良好，灰土挤密桩对于消除土的湿陷性和减小渗透性，提高承载力等方面效果较为明显，是湿陷性黄土地区地基处理的重要方式之一，因其具有就地取材、以土治土、原位处理、深层加密和费用较低等特点，在我国西北及华北等黄土地区具有广泛的应用前景。

[1] 吕清天，郭彦林.灰土挤密桩在湿陷性黄土地基中的应用与研究[A].第六届全国土木工程研究生学术论坛[C].北京:清华大学，2008.

[2] 龚晓南.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[3] 钱鸿晋.湿陷性黄土地基[M].北京:中国建筑工业出版社，1985.

[4] 王 臻.灰土挤密桩桩间土挤密效果的理论分析与实验研究[D].西安:西安建筑科技大学，2004:15-16.

[5] 孙霁月.灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基的研究[D].济南:山东大学硕士学位论文，2007:6-8.

[6] GB 50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[7] JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范[S].