水泥土挤密桩复合基础处理研究

2018-05-14刘福春

现代交通技术 2018年2期

刘福春

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽阳 111010）

水泥土挤密桩法是软土地基加固处理的方法之一，是指用冲击或振动方法，把圆柱形钢质桩管打入原地基，拔出后形成桩孔，然后进行水泥土物料的回填和夯实，从而形成直径增大的桩体，并同原地基一起形成复合地基[1]。通常在强度低、易变形的湿陷性黄土地区应用较广[2]，以往工程实例表明掺入水泥土挤密桩后能改善地基承载能力[3]。

选择某客运专线DK663+209.07～DK665+839.75段作为研究对象，对不同里程的路基段进行相应的路基处理，包括施工工序及方法，对路基进行沉降检测。在参考挤密桩在隧道基础设计中改善黄土湿陷性的运用的基础上，采用水泥土挤密桩加固地基[4]。

1 工程概况及水泥土挤密桩原理

1.1 工程简介

某客运专线DK663+209.07～DK665+839.75线路位于山西省运城市盐湖区、临猗县和永济市境内，线路东起运城北出站端（DK653+500），向西跨越河津至运城公路（规划），在永济市北设永济北站后至标段终点（DK701+924.11），标段全长47.683 km。

1.2 工程地质

沿线地貌单元位于涑水河一级阶地、黄河三级阶地。地势开阔，地形较平坦，总体西高东低，北高南低。沿线出露地层主要有第四系全新统、上更新统为主，上部以第四系全新统冲积、上更新统冲湖积砂质黄土和黏质黄土为主，下部为第四系冲湖积粉质黏土、粉土、粉砂土、细砂层。

沿线所经地区水文地质条件相对简单，主要分为地表水和地下水，地下水主要有第四系孔隙潜水、承压水两种类型。涑水河一级阶地区：地下水位主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于全新统冲积砂类土和黄土层中，地下水位埋深2～10 m。黄河三级阶地区：地下水位主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于上更新统冲积砂类土中，地下水位埋深一般大于10 m。沿线各河流地表水水质较好，对混凝土无侵蚀性。

1.3 水泥土挤密桩施工

1.3.1 水泥土挤密桩的作用机理

水泥土挤密桩是将水泥和土料在孔外充分拌匀然后回填孔内并强力夯实形成具有一定强度的水泥土加固体，在此过程中，水泥和土体发生了复杂的物理、化学反应，起到了夯实挤密作用[5-6]。

（1）胶结作用

水泥和土体搅拌后，通过水解和水化反应生成可持续硬化的水化产物，有的颗粒通过离子交换使小颗粒凝结，其余则通过水泥自身水解增强吸附性而进一步胶结。

（2）夯实挤密作用

在夯击动力作用下土体结构会重新进行排列，体积压缩，密度增大，形成夯实水泥土的密实强度。

1.3.2 桩间地基土的作用机理

水泥土挤密桩按照桩的成孔方式可分为挤土水泥土挤密桩和排土水泥土挤密桩两种。类似灰土挤密桩的侧向挤密[7]，水泥土挤密桩是利用振动沉管或冲击成孔，由于成孔时的侧向挤压作用，使得桩间土得到第一次挤密，然后在桩孔内用水泥土拌合料分层夯填密实，夯填过程中，又对桩间土进行第二次挤密。排土水泥土挤密桩是采用人工洛阳铲或钻机成孔，在成孔过程中并未对桩间土造成挤密。然后在孔内分层回填水泥土拌合料并夯击密实，仅在夯填过程中对桩间土形成挤密效应。

2 水泥土挤密桩的施工工艺

施工之前对各土层及夹层的强度仔细勘测，有针对性地选择施工方式。水泥土挤密桩施工工艺流程为：成孔—制备水泥土一夯填成桩[8-11]。

2.1 成孔

成孔是水泥土挤密桩加固地基的第一步。根据成孔过程中取土与否，成孔可分为排土法成孔和挤土法成孔两种，其中排土法成孔又包括洛阳铲成孔、长螺旋钻机成孔两种，挤土法成孔又包括锤击沉管成孔、振动沉管成扎、冲击成孔3种。结合现场具体土质及岩层情况，本着针对突出、灵活结合原则，文章综合探讨洛阳铲成孔与冲击成孔。

2.2 水泥土回填夯实

在向孔内填料前，先夯实孔底。水泥土分层回填夯实，逐层以量斗定量向桩孔内下料，每层回填厚度280～320 mm，采用电动卷扬机提升式夯实机分层夯实。

(2015年徐州市中考数学卷第26题)如图1，在矩形OABC中，OA=3，OC=5，分别以OA、OC所在直线为x轴、y轴，建立平面直角坐标系，D是边CB上的一个动点(不与C、B重合)，反比例函数的图象经过点D且与边BA交于点E，连接DE．

在满足密实度和夯实系数的要求下，通过工艺试验确定施工机具的参数。夯填前测量成孔深度、孔径。回填夯实采用连续施工，各桩孔一次性分层回填夯实，不得间隔停顿或隔日施工以免降低桩的承载力。

应保证在碾压面以下1 m范围内，压实度不低于0.9或地基系数K30≥80 MPa。冲击碾压中，保证最后5遍的沉降量不得大于1 cm；强夯施工中，为满足夯实系数要求，由试夯所得夯击次数与夯沉量关系曲线确定最佳夯击次数，同时应满足最后两击的平均夯沉量不大于50 mm，夯坑周围不发生大的隆起。

2.3 褥垫层施工

（1）根据设计要求，对桩头破除后的基底进行测量放样，基底标高为-7.450 m，人工清理到设计标高，基底为卵石层。

（2）第一阶段完成后，一次铺设330 mm厚级配碎石，用压路机一次压实成型，压实后标高为-7.150 m。碾压时适当浇水湿润，以利于密实，每层碾压最后两遍的沉降差应小于1mm。在基坑东面、南面、北面挡墙处，从550 mm高墙顶45°放坡回填级配碎石至压实后褥垫层上面，严格控制好坡度。褥垫层压实后，复核标高，统一到达设计要求-7.150 m后，方可进行下道工序施工。

3 地基处理数据分析

通过对路基处理前后试验数据的处理分析，初步判断路基的处理效果。路基试验断面共有4个，分别是DK664+160断面、DK664+020断面、DK663+400断面、DK663+214断面，文章仅对DK664+160断面和DK663+400断面进行数据处理和分析。

试验数据包括饱和度、含水率、孔隙比、密度、塑限、液限、塑性指数、液性指数、压缩模量、固结孔隙比、压缩系数、粘聚力、内摩擦角、湿陷系数、干密度、颗粒分析。对于这些数据都进行了分析处理，此处只举出几个处理效果比较明显且具有代表性的分析结果，包括含水率、塑限与湿陷性。

3.1 含水率

由图1、图2可知，断面DK664+160土体取样总体处理后的土体在各深度的含水率都有明显的提高，平均幅度为3%。以3m深土体为例，该处的含水率提高幅度达到5%。在10m以下的较深的土层，含水率基本保持不变，处理前后的数值只有2%左右的波动。

图1 DK664+160处各深度含水率

图2 DK663+400处各深度含水率

在DK663+400断面处理前后各深度土体取样含水率基本不变，在12 m深的取样区间，其含水率呈现出一种略微波动性的持平。含水率平均变化幅度大致为1%。以7 m深土体取样为例，处理后的含水率比处理前高2%，3 m深土体取样的含水率相比较处理后的含水率，反而比处理前的低1%。

3.2 塑限

由图3、图4可以看出，断面DK664+160 m各个深度的塑限在处理前后变化很小，以4.5 m深为例，变化幅度仅1%左右。以6 m深度的取样数据为例，处理前后塑限变化值达到最大的3%。整体分析塑限数值的变化，呈现较为一致的上下略微浮动，变化不大。

断面DK663+400各个深度的塑限在处理前后变化很小，以5m深为例，变化幅度仅1%左右。以6 m深度的取样数据为例，处理前后塑限变化值达到最大的2%。整体分析塑限数值的变化，呈现较为一致的上下微小浮动，取样数值基本持平变化不大。

3.3 湿陷性

类似灰土挤密桩的改善效果[12]，由图5、图6可以看出，断面DK664+160在较浅深度土体的湿陷系数有一定的降低，总体降低大致在0.03。以3m深的土体取样为例，土体湿陷系数由处理前的0.06，降低0.02，湿陷系数的降低达到工程中对不良地基处理的目的。在6m及其以下较深土层湿陷系数的变化不明显，几乎为0。特别指出的是，该断面在深度分别为1.5m、4.5m和7.5m处，由于缺少一些数据，参考价值不高。

图3 DK664+160处各深度塑限

图4 DK663+400处各深度塑限

图5 断面DK664+160处各深度湿陷性

图6 断面DK663+40处各深度湿陷性

断面DK663+400在较浅深度土体的湿陷系数有一定的降低，约为0.05。以6 m深的土体取样数据为例，土体湿陷系数由处理前的0.07，降低到处理后的0.01，湿陷系数的降低达到工程中对不良地基处理的目的。在7.5 m及其以下土体湿陷系数出现一些波动，数值为0.02左右，这可能是由于地基处理时的扰动引起的。特别指出的是，该断面在深度分别为3 m、4.5 m、10.5 m和12 m处，由于缺少一些数据，参考价值不高。