灰土挤密桩加固湿陷性黄土地基效果分析

杲 斐 吕擎峰

(1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州 730000;2.中铁二十一局集团第五工程有限公司，甘肃兰州 730000)

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔隙和垂直节理，地基在正常含水量情况下，其承载力一般能够满足结构荷载要求，但在浸水时它的荷载能力会急剧下降消失，致使地基大幅度的快速下沉产生湿陷。这种变形往往是在局部或突然发生的，而且很不均匀，对结构物破坏性很大，危害极其严重，所以消除黄土的湿陷性成为湿陷性黄土地层中路基工程施工的重点。当前国内外采用的地基处理的途径主要有三个方面:土体加密、土体加固和荷载传递方法，灰土挤密桩法加固湿陷性黄土地基为典型的土体加密法［1］。本文通过对兰州至重庆铁路工程兰州市榆中县境内的湿陷性黄土地基的加固，分析采用灰土挤密桩加固大厚度自重湿陷性黄土场地地基的效果。

1 工程地质概况

兰州至重庆铁路是西部大开发、全面建设小康和谐社会的基础设施，是连接西北和西南的铁路大动脉，按照时速200 km/h的客货共线设计。我公司承担的DK20+000～DK22+000段路基工程位于兰州市榆中县金崖镇宛川河南岸阶地，地形相对平缓，路堤最大填土高度16 m，钻探揭示工点范围内地层自上而下分别为①第四系上更新统冲积砂质黄土，厚度5 m～31 m，浅黄色，颗粒成分以粉粒为主，具孔隙，土质均匀，潮湿，稍密。Ⅱ级普通土，σ0=120 kPa;②细圆粒土，层状分布于砂质黄土底部，厚度大于10 m，夹有砂质黄土薄层，青灰色，砾石成分多为粒岩、石英岩，浑圆状为主，粒径大于20 mm约占20%，2 mm～20 mm约占50%，余为砂土填充，中密、潮湿，Ⅱ级普通土，σ0=450 kPa。第四系上更新统冲积砂质黄土为自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅳ级，湿陷层厚20 m，为典型的大厚度自重湿陷性黄土场地。根据静力触探成果分析，地面以下12 m的Ps＜3 MPa，为松软土。地表水不发育，勘查探孔内未见地下水。取工点范围内110个点位做黄土层的物理力学试验并记录数据(见表1)。

2 技术要求及施工情况

2.1 主要技术参数

为消除黄土的湿陷性和提高地基承载力，设计对路基地段黄土地基采用灰土挤密桩处理，桩径0.4 m，桩间距1.0 m，桩长8 m，桩位呈梅花形布设，路堤地段处理范围为坡脚外2 m～3 m，路堑地段处理范围为路肩以外2 m～3 m(见图1)，桩孔内夯填二八灰土，地基处理范围填筑5%水泥改良土作为上承层。桩内二八灰土压实系数(K)不小于0.97，桩间土挤密系数(nc)不小于0.93，并且消除湿陷性。处理后复合地基承载力不小于180 kPa。

图1 灰土挤密桩桩位平面布置示意图（单位：m）

2.2 加固机理

灰土挤密桩在施工过程中因冲击振动而对桩周土体充分扰动，使大孔隙黄土的原有结构受到破坏，桩间土受到很大侧向挤压力变得结构紧密，形成了强制挤密区、挤密区以及挤密影响区，提高了桩周土体模量，减小了地基整体压缩变形［2］。又因为桩体是由石灰和土拌和夯填而成，其作用原理是石灰和土拌合物通过离子交换、凝硬反应，以及石灰的碳化与结晶等物理化学反应形成具有高强度和大模量的灰土桩，相邻两桩或三桩成孔挤密后，使桩周土体干密度进一步增大，桩体与桩间共同组成人工复合地基，从而改善土质，降低土体原始孔隙比，使土体由高压缩性变为低压缩性，以达到消除湿陷性提高承载力的目的。

2.3 灰土挤密桩施工

根据地层和试桩情况，施工选用DD2A5型履带式柴油打桩机成孔，桩管采用热轧无缝钢管，直径400 mm，壁厚10 mm。成孔后选用夹杆式偏心轮夯实机，锤重约260 kg，分层回填灰土。

2.3.1 桩体材料

1)土料:选用纯净的黄土，有机质含量小于2%。使用前过筛，粒径不得大于15 mm，含水量控制在最优含水量的3%左右。2)石灰:采用二级石灰，石灰中活性 CaO，MgO含量不应低于50%，粒径应小于5 mm，夹石量不大于5%，未消解的残渣含量不大于11%。使用前24 h加水粉化。3)灰土:用质量合格的消石灰和纯净黄土，按2∶8体积比配制，经室内试验最大干密度ρdmax为1.55 g/cm3，最优含水率Wopt为17%。施工时在接近最优含水量(15%～19%)的情况下拌和均匀，随拌随填，不得隔日使用。

2.3.2 施工准备

施工前检测地基土的含水量、饱和度，当地基土的含水量小于12%或大于24%、饱和度大于65%时不能施工。处理区段地基土的含水量宜接近最佳含水量，当土的含水量低于12%时，对处理范围内的土层进行增湿。增湿处理应在地基处理前4 d～6 d完成，需增湿的水通过一定数量和一定深度的渗水孔均匀地渗入处理范围的土层中。

2.3.3 施工工艺

1)定桩位:首先将控制轴线引至工作面，打木桩固定，防止偏移，然后按设计要求桩间距进行布点，桩点布置完毕，用石灰标记桩位。2)桩机就位:根据桩基轴线标出桩位线并复测后，移动桩机至桩孔位置，机身应平稳，管桩应对桩孔对正，并确保施工中不发生倾斜、位移。3)成孔:采用沉管法成孔，隔行、隔排跳打法施工(见图2)，每个桩位成孔前必须保证桩机平整、稳固，沉管垂直，沉管尖对准桩位点，并在沉管上用红漆标明成孔深度指示线。桩位水平偏差不得超过桩距的5%，桩孔垂直度偏差不得超过桩长的1.5%。成孔施工顺序先外排后内排，同排桩间隔进行。4)灰土拌制:灰土按要求配比，采用机械拌制至颜色均匀一致，边拌边加水至含水量达其最优。5)桩孔回填夯实:根据试桩数据，选用夹杆式夯实机，锤重约260 kg，夯机就位后，使夯锤尖对准孔中心，保证夯锤自由落入孔底，避免孔口及孔壁的碰撞。就位后先底夯8次，再填料夯实，严格控制填料速度，按照每锹灰土夯击5次的频率施工，填料从下向上依次完成。

图2 灰土挤密桩隔排隔行跳打法施工示意图

3 地基处理效果分析

灰土挤密桩加固处理成桩后，采用静载试验确定地基的承载力，现场桩体开剖做桩体的干密度试验以评价桩身的夯填质量［3］。桩间土开剖检测全部处理深度内的干密度，并将其分别换算成平均压实系数和平均挤密系数;同时测定全部处理深度内桩间土的压缩性和湿陷性［4］。目的是检验场地经灰土桩加固处理后，各项技术指标是否满足TB 10414-2003铁路路基工程施工质量验收标准和设计要求。

3.1 复合地基承载力试验

按照设计图纸的要求，复合地基承载力不应小于180 kPa，采用堆载、慢速维持荷载法逐级加载［5］，试验最大加载量按照复合地基承载力标准值的2倍加载达到360 kPa，分9级加载，第一级加载量为48 kN，总堆载量480 kN，承载板采用正方形刚性承压板，边长 1.15 m，面积 1.322 5 m2，现场抽取 DK21+150，DK21+260，DK21+370三个断面6个点进行试验，并记录试验数据，绘制P—S曲线(见图3)。

图3 复合地基承载力试验P—S曲线图

试验的P—S曲线均无明显的比例极限，加载至设计承载力的2倍即360 kPa(480 kN)均未发生极限破坏现象。25+150左检测点终级荷载下总沉降33.7 mm，P—S曲线平缓光滑。25+150右检测点终级荷载下总沉降28 mm，P—S曲线平缓光滑。25+260左检测点终级荷载下总沉降37.7 mm，P—S曲线平缓光滑。25+260右检测点终级荷载下总沉降37mm，P—S曲线仍平缓光滑。25+370左检测点终级荷载下总沉降33.3 mm，P—S曲线平缓光滑。25+370右检测点终级荷载下总沉降30.47 mm，P—S曲线仍平缓光滑。各点试验曲线尾部均无明显拐点出现。根据TB 10014-2003铁路工程地质原位测试规程规定的方法来进行计算，取相对沉降S/b值所对应的荷载强度为σ0，地层为砂质黄土，稍密，故S/b取0.016，计算的 S为18.4 mm，P—S图显示所对应值均大于极限荷载的一半(240 kN)，240 kN处对应承载力为180 kPa。由此可知，6台静载荷试验点复合地基极限承载力均大于360 kPa，承载力特征值均大于180 kPa。

3.2 桩体灰土压实效果试验

根据设计要求，桩体2∶8灰土压实系数不小于0.97，施工过程中及时取出桩身灰土原状试样，测试其干密度。由于桩长8 m，采用开剖的方式挖探井进行检测，分别在桩顶、桩顶以下每1 m范围内取土样测定干密度，每根桩取样8个点，6根桩总共取样48个点，统计了试验数据(见表2)。

表2 桩身2∶8灰土的干密度及压实系数统计表

试验统计了每根桩的最大值、最小值，计算了平均值，其中4点的压实系数小于0.97，最小为0.95，占总数的8%，压实系数大于0.97的点位44个，占总数的92%，压实效果良好，能够满足验收标准和设计要求。

3.3 桩间土处理效果试验

桩间土试验，采用开挖探井的方式取样，自桩顶以下每1 m取土样测定干密度，进行湿陷性试验和压缩试验，计算挤密系数、湿陷系数和压缩模量，统计试验数据(见表3)。

工点范围内黄土的最大干密度ρdmax为1.74 g/cm3，最优含水率Wopt为16%。挤密系数为干密度与最大干密度的比值，检测6个探井共计48个点位挤密后的干密度经灰土挤密桩处理后桩间土的挤密系数最大值为0.98，最小值为 0.93，平均为0.95;压缩模量最大值为 35.1 MPa，最小值为 15.2 MPa，平均值为 21.9 MPa;湿陷性系数最大值为0.013，最小值为0.003，平均值为 0.007;自重湿陷性系数最大值为0.014，最小值为0.002，平均值为0.006。绘制分布状态图见图4。

表3 灰土挤密桩处理后桩间土主要物理力学性质统计表

图4 桩间土干密度散点分布图

4 结语

1)6个点位的单桩复合地基试验均加载到设计值的2倍以上，由P—S曲线可见，曲线平缓光滑，在各级荷载作用下，随着荷载的增加，承压板沉降量增加较均匀，且能在短时间内达到稳定。在最大荷载作用下，累计沉降量均小于69 mm，通过分析承载力特征值不小于180 kPa，满足验收标准和设计要求。2)桩体2∶8灰土的压实系数不小于0.97的占总数的90%以上，满足验收标准和设计要求。个别桩位桩体的灰土压实系数偏小，分析原因为夹杆式夯实机摆放不平整，导致夹杆倾斜，使得夹杆和锤体在自由下落时碰撞孔壁影响了夯实效果，在后续施工中要保证场地的平整度和确保夹杆式夯实机的整平。3)通过分析桩间土的干密度分布规律，可知桩间土挤密效果自下而上衰减，临近地表附近的挤密效果最差，桩底附近的桩间土挤密效果最好，在进行桩间土检测时可利用此规律，着重检测桩间土地表附近的挤密效果，施工时注意卡控桩顶部位的施工质量。4)经灰土挤密桩处理后，桩间土的挤密系数、压缩模量、湿陷系数、自重湿陷性系数均符合验收标准和设计要求，干密度增加了14.2%，压缩模量增大了102%，湿陷性系数降低了91.8%，自重湿陷性系数降低了68%，达到了预期的处理效果。5)我公司承担的兰渝铁路DK20+000～DK22+000段路基工程采用灰土挤密桩加固湿黄土地基的施工是成功的，施工各项数据满足TB 10414-2003铁路路基工程施工质量验收标准和设计要求。灰土挤密桩加固大厚度湿陷性黄土地基加固效果好，工艺简单、经济，应在湿陷性黄土地区铁路工程地基加固中广泛推广。

［1］李时宁.石灰桩膨胀法加固湿陷性黄土的理论与实验研究［D］.兰州:兰州理工大学，2005:4-5.

［2］张懿彪.灰土挤密桩在客运专线湿陷性黄土梁场地基加固中的应用［J］.铁道标准设计，2007(10):121.

［3］王雪浪，朱彦鹏.灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基理论分析及试验［J］.西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2010(8):291.

［4］TB 10414-2003，铁路路基工程施工质量验收标准［S］.

［5］TB 10041-2003，铁路工程地质原位测试规程［S］.