利用建设发生土作填充材料的密实桩加固研究

陈 涛

哈尔滨商业大学，黑龙江 哈尔滨 150028

利用建设发生土作填充材料的密实桩加固研究

陈 涛

哈尔滨商业大学，黑龙江 哈尔滨 150028

本项目提出并研究了利用建设发生土作为压密固结砂桩填充材料进行地基处理的方法。研究了建设发生土作为压密固结砂桩填充材料进行地基处理过程中压密固结砂桩的物理特性和工学性能，提出了用建设发生土进行土的类别划分后，把作为建筑弃土的黏性土按比例掺入到优质砂中，作为固结砂桩的填充材料，形成了黏土含量大于5%的固结砂桩经地基加固的观点，进行了固结砂桩填料的颗粒级配测试，细颗粒含量测试，塑性指数测试，进行了三轴压缩试验和渗透性试验，发现剪切抵抗角越大，细颗粒含量越小；剪切抵抗角越大，塑性指数越小；渗透系数越大，细颗粒含量越小；渗透系数越大，塑性指数越小。深入研究了利用建设发生土进行地基加固的机理和密实填充与松散填充的机理。利用建设发生土进行地基加固的结果，既节约了大量的优质砂，又减少了砂资源的过量开采，同时也减少了建筑垃圾的外运量，减少和保护了环境污染，符合资源节约型社会的发展要求。

建设发生土；固结砂桩；剪切抵抗角；塑性指数；渗透系数

随着我国经济的快速发展，近年来，工程建设发展较快，土木工程建设的规模也日益扩大。我国幅员辽阔，地基土类型复杂，这对于建筑结构地基设计提出了较高的要求。在建构筑物的建造和使用过程中，软弱地基的影响不容忽视。建构筑物对地基的稳定性和沉降变形控制提出了很高的要求，而软土的强度低，透水性差，压缩性高，结构性强且易受到扰动影响。建构筑物软弱地基产生的沉降、变形对建构筑物安全有很大的影响，为保证建构筑物的安全性，需要对软土地基进行加固处理。

软弱地基所造成的破坏促使从事地基处理的研究人员和岩土工作者对软弱地基加固问题进行了大量的研究。修建在软土地基上的建筑物，要考虑稳定和沉降两方面的问题。为保证建筑物在施工过程中和完工后的稳定，要对结构荷载可能引起的软土地基滑动破坏进行承载力计算，必要时应采取相应的稳定措施；为使工后剩余沉降量控制在建筑物的容许变形范围内，应采取减小沉降、加速固结等措施。

通过对大量复合地基的研究和实验，发现砂桩复合地基的密实效用、排水效用和桩体效用能够有效提高软弱地基的承载能力，从而使用砂桩处理软土地基成为目前处理软土地基的主要方法之一。

近几年我国建筑用砂量以10%以上的速度增长，去年达75亿吨，许多地方河道非法采砂愈演愈烈，造成环境破坏，安全事故频发。天然砂是不可再生资源，随着大规模的开采利用，已日渐走向枯竭。压密固结桩中所需要的填充材料优质砂的开采量也面临着逐年减少的趋势，要保证将来能够持续的供应，也将是很困难的事情。

另一方面，随着我国经济建设的高速发展，基本建设的投资也越来越多，建筑物施工中开挖基础的基坑土、边坡土或碎石等建设发生土的数量也呈逐年递增趋势，如果把这些建设发生土用作填充材料，使其有效的利用起来，这也是我国建筑业要面临解决的重大课题之一，同时也将是减低环境负荷发展循环经济的重大措施之一[1]。

1 砂桩加固地基的研究

据Hughes＆Withers引用Moreau等的资料，砂桩加固技术在19世纪30年代起源于欧洲，但长期缺少实用的设计计算方法和先进的施工工艺及施工设备，砂桩的应用和发展受到很大的影响。砂桩在其应用初期，主要用于松散砂土地基的处理，最初主要采用冲孔捣实的施工方法，而后又采用水冲振动施工方法。德国人S．stenenmal936年提出了振冲的概念，采用振冲法处理砂土地基，直接形成密实的砂桩，1937年由德国Toham Keher公司研制成第一部振冲器； 第二次世界大战后，原苏联在这方面的研究取得了较大成就，使此种施工方法得到较广泛应用。特别是20世纪50年代初期，随着振动打桩机的出现及振动式打拔管施工法的应用，使砂桩的应用得到了发展。19世纪50年代后期，日本将此施工方法的开发、应用提高到一个较高水平。产生了目前日本采用的振动式和冲击式的施工方法，并采用了自动记录装置，提高了施工质量和施工效率，并使其应用范围由处理砂土地基拓展到处理软土地基，处理深度也有较大幅度地增加(已达到30m左右)．砂桩技术自50年代引进我国后，在工业、交通、水利等建设工程中都得到了应用。我国从1977年研制出第一台振冲器起，包括1979年宝山钢铁厂应用该项技术处理地基等，使该技术应用逐步引向深入。

砂桩是指采用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将砂挤压入已成的孔内，形成大孔径的砂所构成的密实桩体。目前国内外砂桩常用的成桩方法有振动成桩法和冲击成桩法。早期砂桩用于加固松散砂土和人工填土地基，如今在软黏土中，国内外都有使用成功的丰富经验。但国内也有失败的教训，对砂桩用来处理饱和软土地基持有不同观点的学者和工程技术人员，认为黏性土的渗透性较小，灵敏度又大，成桩过程中土内产生的超孔隙水压力不能迅速消散，故挤密效果较差，相反却又破坏了地基土的天然结构，使土的抗剪强度降低。如果不预压，砂桩施工后的地基仍会有较大的沉降，因而对沉降要求严格的建筑物而言，就难以满足沉降的要求。所以应按照工程对象区别对待，最好能进行现场试验研究以后再确定。

2 本文的研究内容及方法

本文针对采用砂桩处理软弱地基时，在作为桩体填料的优质砂中掺入部分建设开挖产生的建筑发生土，分析砂桩的工学特性，根据试验数据，具体分析了砂桩加固软弱地基的承载特性，排水固结性能，讨论了砂桩复合地基的适用性。研究成果对有关工程建设的设计与施工具有指导意义。

本文主要研究砂桩加固软弱土地基的加固效果，采用标准三轴压缩试验和渗透性试验，确定地基土的承载力标准值和砂桩复合地基承载力标准值，以及砂桩的渗透系数，并对砂桩进行评述，直接为实际工程提供技术支撑。通过本项目的研究可以开发利用建设发生土作为砂桩的部分填料的软弱土地基砂桩加固处理的方法，从而为原本的建筑垃圾建设发生土的在资源化，为建设发生土用于地基处理提供了新的途径。

2．1 研究内容

（1）砂桩加固软弱地基的机理分析

本文主要内容是要进行砂桩加固软弱土地基的效应分析。首先介绍了砂桩加固软弱地基的基本原理和特性，重点分析了砂桩的置换作用、排水作用、挤密作用和成桩作用，还分析了砂桩复合地基的沉降特性。

（2）砂桩的工学性能试验和施工可行性研究

主要进行建设发生土的类别划分、三轴压缩试验、渗透性试验，分析砂桩处理软弱地基的地基土的承载力标准值和砂桩复合地基承载力标准值，并对砂桩进行评述。测试项目主要为建设发生土的粒组划分、填料的内摩擦角、塑性指数和渗透系数。

（3）分析砂桩复合地基加固的效果

软弱地基的主要危害是承载力过低，沉降过大。因此，地基加固的主要目的就是增加地基的承载力，加速固结沉降。本项目根据标准三轴压缩试验和渗透性试验得到的测试结果，分析了砂桩复合地基加固的效果，为工程应用提供了技术支撑。

2．2 研究的方法

本项目侧重于室内试验方面的研究，采用试验测试的方法进行分析，主要是根据三轴压缩试验(SPT)测得砂桩填料的内摩擦角，得出地基土的承载力标准值和振冲砂桩复合地基承载力的标准值，根据渗透性试验，依据渗透系数，确定砂桩的排水固结性能，按照填料的不同密实状态下的粒组，细颗粒含量，确定其承载力与渗透系数，进行砂桩适用性评价。

研究具体分为四个部分进行：建设发生土的分类，砂桩的填料的制作，试件设计制作，试验测试，测试结果分析评价。

（1） 建设发生土的分类

介绍了作为砂桩的填充材料建设发生土的分类，一般划分原则和该项目砂桩中的使用设计情况。

（2） 砂桩的填料的制作，试件设计制作

介绍了砂桩的填料的制作方法、试件设计制作流程、要求和须注意的问题。

（3） 试验测试

介绍了三轴试验、渗透性试验的目的和任务。

（4） 测试结果分析评价

通过砂桩试验测试结果，分析砂桩的强度特性和透水特性，进行砂桩适用性评价。

3 建设发生土作为压密固结密实桩强度和渗透性试验

本项目是利用建设发生土作为压密固结密实桩法中砂桩的部分填充材料，并对其性能进行分析研究，评价其适用性。通常对于填充材料的质量要求是，细颗粒含量不得大于5%，因此，除第一类第二类以外的土，即（第三、第四、第五、第六类土），要想利用它们作为填充材料时，就要对材料的粒组、成分进行分类整理，明确材料的工学特性，给予必要的评价。

3．1 填充材料的性能及其要求

碎石桩、砂桩等地基处理方法中，对于填充材料性能，必须满足设计和施工两方面的要求。砂桩用于处理黏性土地基时，由于砂桩与周围的黏性土形成了复合地基，要求砂桩不仅自身要具有足够的强度，而且更要求砂桩对周边地基具有良好的排水减压机能。因此，为了评价作为填充材料的材料特性，在密实状态下成桩后，砂桩自身抗剪强度和渗透系数是两个重要因素。对桩身强度要求排水剪切内摩擦角（Φd也称剪切抵抗角）应大于30º[2]，而对于渗透性则要求渗透系数（k）应在10-4cm/s以上。而砂桩用于处理砂性土地基的时候，对填充材料的性能仅有桩身强度方面的要求，在可以维持桩的扩径的情况下，要求处理后的周边地基强度得到更大提高，此时，施工的可行性就成了主要问题，填充材料在桩管内，当桩管上提后，地基中能否形成密实的砂桩是关键所在。

至今为止，从施工方面看，对于各种填充材料，其成桩过程都是：就位——填料——拔管（填充材料上拔）——复打（至密实）。桩管内的材料在桩管上提过程中，寄希望材料具有较好的透气性（透水性），为了评价填充材料上拔性能的指标，在桩管拔起时材料（松散状态下）的渗透系数，就成了控制的目标。渗透系数大约为10-4cm/s时，认为具备良好的上提条件。

砂桩的机能和设计要求

地基土 砂桩的作用机理 对砂桩的要求 基本值黏性土承载力增大应力集中效果减小沉降效果高强度砂桩（SPC）排水机能密实强度透水性耐久性Φd≥30～35° Fc＜3～15% k≥10-3～10-4 cm/sec D15＞5×(原地基D15) D15＜5×(原地基D85)长期的稳定，不破碎砂性土密实机理 强度桩径保持强度N值＞改良后N值（周边地基土）Fc=原地基的Fc

在对填充材料的要求中，大部分土的材料特性是由颗粒组成决定的，尤其是仅根据细颗粒含量的多少来划分的。由于第一类建设发生土为几乎没有细颗粒含量的干净砂土，其剪切抵抗角大，透水性好，即使不做剪切试验和透水试验而只对它的细颗粒含量进行控制，就能保证满足基本的要求。但是像第三至第六类这样的建设发生土，由于细颗粒含量高，而呈现出中性土或黏性土的特征，为了判断它们能否作为填充材料，就必须了解它们的材料性能、剪切强度及透水性之间的关系[3]。对于含有更多细颗粒的建设发生土，使其作为填充材料，为了明确其适用性，经人工调整粒度后，进行了不同材料的试验。对于中性土、黏性土，塑性指数是一个重要指标，本项目研究的重点就是粒组特性以外的另一个材料特性即塑性指数。

3．2 根据室内试验研究适用土的工学特性

3.2.1 使用材料

试验中采用的人工调制试料如图表1所示，砂砾成分、粉土成分和黏土成分，分别按不同含量组成的12种不同粒组的试样，分为4组（A～D），是成分含量各不相同的粘土。其中黏土部分，主要采用的是含有黏土矿物成分（蒙脱石和高岭土）的材料，并尽可能使其粒度相接近，混合均匀而制成的。含有不同矿物成分的4组黏土中，其细颗粒含量（粉土+黏土）基本相近，由于4组黏土中各自矿物成分的含量不同，活性也不相同，因此制成了塑性指数为大、中、小不同的试样。高中低塑性材料的塑性指数范围分别是28～47、12～18和2.6～6。

把这12种试料看成是建设发生土，进行试验。试验分两种情况，即密实填充状态和松散填充状态，密实填充状态即假想试验材料可以达到100%密实度；松散填充即假想试验材料可以达到80%～85%密实度，拔管时，材料没有阻塞黏管的状态。把试料分别制成直径为50mm，高为100mm的和直径为100mm，高为127.3mm的圆柱体试件，进行三轴不排水压缩试验和变水位渗透试验。

3.2.2 三轴压缩试验机及试验方法

三轴压缩试验机按照技术程序，用3-4个圆柱形试样,分别在不同的围压(即小主应力σ3)下，施加轴向压力(即主应力差σ1-σ3)直至试样破坏，计算抗剪强度参数(黏聚力，内摩擦角)的技术操作。

三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。

试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等，因此不发生剪应力。然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏。设剪切破坏时由传力杆加在试件上的竖向压应力为Δσ1，则试件上的大主应力为σ1=σ3+Δσ1，而小主应力为σ3，以(σ1-σ3)为直径可画出一个极限应力圆，如图中的圆I，用同一种土样的若干个试件(三个上)按以上所述方法分别进行试验，每个试件施加不同的周围压力σ3，可分别得出剪切破坏时的大主应力σ1，将这些结果绘成一组极限应力圆，如图中的圆Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。由于这些试件都剪切至破坏，根据莫尔-库伦理论，作一组极限应力圆的公共切线，即为土的抗剪强度包线，通常可近似取为一条直线，该直线与横坐标的夹角即为土的内摩擦角ψ，直线与纵坐标的截距即为土的内聚力c。

表-1 材料的粒度及塑性指数

破坏时的摩尔应力圆及其包络线

对应于直接剪切试验的快剪、固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法：

（1）不固结不排水试验

试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。

（2）固结不排水试验

试样在施加周围压力σ3打开排水阀门，允许排水固结，待固结稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。

（3）固结排水试验

试样在施加周围压力σ3时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏。

3.2.3 试验结果

（1）强度特性

密实状态下进行了9种材料试验，疏松状态下进行了6种材料试验。剪切抵抗角和细颗粒含量之间的关系如图1所示。由图中可知，剪切抵抗角和细颗粒含量之间不存在有意义的关系。图2所表示的是各种材料的塑性指数和剪切抵抗角之间的关系。从图中可以看出，无论是密实填充还是疏松填充，剪切抵抗角都随塑性指数的增大而减小，塑性指数在30以下时，都能保证剪切抵抗角在30°以上。

图-1 剪切内摩擦角和细颗粒含量的关系

图-2剪切内摩擦角和塑性指数的关系

（2）渗透特性

对于密实填充状态下的9种材料和松散填充状态下的9种材料进行了试验。图3表示的是渗透系数和细颗粒含量之间的关系。细颗粒含量越高同时塑性指数越大，渗透系数越小。但是两者的渗透系数之间存在着2～3个数量级的差异。图4表示的是渗透系数和塑性指数之间的关系，与图2所示的抗剪强度和塑性指数的关系一样，可以看出渗透系数随着塑性指数的增大而减小。另外由图可知，在松散状态下，塑性指数在30以下时，可以保证渗透系数达到10-4cm/s以上，而密实状态下渗透系数只能达到10-5cm/s以上。

图-3渗透系数和细颗粒含量的关系

图-4渗透系数和塑性指数的关系

4 主要研究结论

本报告从分析砂桩加固软弱地基的机理出发，讨论砂桩复合地基的特性，说明砂桩复合地基承载力特性；本项目中，为了验证建设发生土（砂、粉土和黏土）作为再利用填充材料的适用性，经过人工调整后，制备了不同种类的试样，进行了室内试验，并且分析了影响强度和渗透性主要因素，研究了与强度和渗透性相关的塑性指数。得出以下结论：

（1）塑性指数越大，抗剪强度越小，对于塑性指数在30以下的中、低塑性材料，能够保证排水剪切内摩擦角在30°以上。

（2）疏松状态下能够确保渗透系数在10-4cm/s以上，但是，密实状态下的渗透系数却很小，因此，对于密实状态下的砂桩，需要采取一些辅助措施，改善其透水性能，使其能够达到所要求的渗透系数。

（3）砂桩成桩过程中，填充材料的优劣，直接影响施工效率。可以说施工效率依附与材料的渗透性能，而渗透系数与塑性指数之间具有良好的相关性，因此，施工中要考虑材料的塑性指数给施工带来的影响。既对于塑性指数在30以下的中、低塑性材料，渗透系数在10-4cm/s以下时，有可能出现材料黏管而影响施工质量和施工效率的现象。

对于塑性指数在30以下的中、低塑性材料，即使细颗粒含量高，也适合作为填充材料，具有较大的内摩擦角；松散填充状态时，渗透系数较大，材料不会附着在管壁上适合做填充材料。但是密实填充状态下，渗透系数却相当小，为了保证砂桩能有效地排水，必须要采取提高渗透性的其他辅助方法。

由此可见，与以往对填充材料质量的要求规定细颗粒的含量小于等于5%的限制，不如说对于非塑性、中低塑性材料，如果塑性指数Ip≤30，与细颗粒含量无关，都可以考虑作为砂桩等密实桩法中的填充材料。就是说，填充材料再利用的适用性，从非塑性、中低塑性的砂性土到细颗粒土，有了更广阔的适用范围。

[1]阮广雄．环境岩土工程综合评价及建筑垃圾加固地基的应用研究[D]．广东：广东工业大学，2006．

[2]小桥秀俊，大下武志．建设发生土和建设污泥[J]．土和基础，2007（10）：38-40．

[3]龚晓楠．软黏土地基土体抗剪强度若干问题[J]．岩土工程学报，2011,33（10）：1596-1600．

陈涛（1993-），男，哈尔滨商业大学，本科。研究方向：工程结构。

哈尔滨商业大学大学生创新创业训练计划校级项目，项目编号：201410240111