素土挤密桩在渠道湿陷性黄土中的应用

2019-01-02刘忠良

水科学与工程技术 2018年6期

刘忠良

（河北省水利工程局，石家庄 050023）

1 工程背景

南水北调中线工程渠漳古段SG3标道桩号74+660至75+095段属于I型（轻微）—II（中等）级湿陷性黄土场地。该段渠道筑堤工程早已完成施工，后发现该段黄土地基具有湿陷性，不仅在南水北调工程中具有代表性，在其他水利工程中特别是处理旧有渠道地基问题上也具有广泛的代表性。由于该段属于筑堤完成后发现黄土的湿陷性，且该段筑堤高度在原地面以上均超过了6m，选择方案时面临着巨大的土方工程量增加的困难，加之南水北调中线工程工期和工地周边土源紧张导致外购土困难，给解决该地基问题带来了诸多制约因素。

挤密桩施工也存在较多问题和难点，如土的含水量较大或较小，挤密层下部难以掌控。含水量较小时容易发生塌孔，遇上地基中大块孤石、墓穴、木材导致倾斜也是常见问题；挤密土含水量较大时还会发生缩孔现象，筑堤的沉降参数与挤密桩的密度通过试验和经验控制仍面临着诸多影响因素。

2 素土挤密桩机理

素土挤密桩是通过成孔设备所产生的横向挤压作用形成桩孔，桩孔内的土被挤向四周，使桩间土得以挤密，然后将备好的素土分层填入桩孔内，并分层夯实至设计标高。挤密的桩间土和密实的桩体土两者共同组合形成复合地基，共同承受基础的上部荷载，以消除地基土湿陷性、安全性、沉降性问题为目的，以土治土就地取材的办法提高承载力。

3 素土挤密桩法施工工艺

采用素土挤密桩法，首先考虑的是选取合理的机械设备，然后施工前必须进行试桩、原位测试和室内分析试验，目的是在实验过程中对施工原始数据进行记录，对记录数据分析、比较，确定最终的施工参数，用于指导施工。

3.1 机械设备

选用合理的施工机械设备，在整个施工过程中至关重要，适合南水北调较大工程量的地基处理，且能满足施工质量和进度的需要。设计图纸对桩径、处理深度的要求直接影响选择大型、中型还是小型的桩机，尽可能优先选用履带式柴油打桩机（型号W1001）、3t柴油锤，这种中小型设备最能节省投资。

3.2 工艺试验

施工前，选择施工机械设备进行试桩、原位测试和室内试验是尤为重要的环节，根据实验成果取得施工参数指导后续施工。首先设计要求的平均挤密系数，若设计指标为0.93以上即可，挤密桩的实验应挑选1.3m×1.3m和1.0m×1.0m两种孔距进行试验；若设计指标为0.95以上，应试验0.8m×0.8m和1.0m×1.0m两种孔距能否满足设计要求。桩径和处理深度看设计要求，孔径尽量选择400mm以内，超过400mm孔径的桩机重量较大，进场费用高，不适合渠道长距离移动施工的工作面。

挤密桩试验的布桩试验施工完成后，在土挤密桩形成强度7d后，应委托第三方检测机构进行检测，检测从处理面起至设计深度每隔1m取样，进行室内土工试验，检测项目有：土的含水量、密度、比重、饱和度、孔隙率、液限、塑限、压缩系数、塑性指数、压缩模量、抗剪强度、湿陷系数。在设计指标能够满足的情况下尽可能使桩间距增大以节省投资，若不能满足，则继续缩小桩间距或增大孔径。取样完成后的取样孔回填中粗沙，灌水沉降稳定。依靠此实验确定满足设计参数后，才能进入正式施工。

3.3 布孔

对于渠道已经筑堤的实际情况，布孔又要涵盖所有筑堤所占用的原地基基础。搭设的施工平台应达到同筑堤的底宽，选择优异的施工方案来布孔。首先要调查周围土源的情况，如需外购土来搭设施工平台，则要计算外购量与单价综合对比拆堤的投资哪个更节约。

南水北调中线工程漳古段SG3标段在外购土源较远、工程量大的情况下，外购桩身回填所需土料最为经济，平台采取拆除上部分筑堤结构，平整为挤密桩施工作业平台后进行布孔。布置形式采取三角形，根据坐标点对桩位准确定位，并进行标示，做好施工记录，桩位偏差控制在20mm以内。

3.4 成孔

采用沉管法成孔，成孔顺序由外向里间隔1孔进行，应注意避免因震动挤压造成相邻孔缩孔或坍塌，桩管上用红油漆画醒目的横线，保证达到设计要求深度。桩孔重心点的偏差不超过桩距设计值的5%，桩孔垂直度偏差应小于1.5%。桩孔直径允许偏差不超过设计值-20mm。桩长允许偏差+0.5m，施工现场对成孔孔径、孔深及桩位偏差做好详细记录。

（1）桩机安装平整稳固就位后，吊起桩管对准桩位，在桩管与桩锤间垫好缓冲材料后缓缓放下，使桩管、桩尖、桩锤于同一条直线上，借锤击力及桩管自重将桩管压入土中。

（2）桩尖开始入土时，先低锤轻击，待沉入土中1～2m后用预定的速度、落距、锤击沉管至设计高程。

（3）夯击沉管时，当桩的倾斜度超过1.5%时，拔管填孔重打，出现桩孔斜移、桩靴损坏等情况，及时回填挤密重打，成孔拔管后应及时检查桩尖。

（4）用柴油锤沉桩至设计深度后，立即关闭油门，及时匀速拔管，有困难时可转活桩管后拔出，并立即测量桩孔直径和深度，桩孔直径允许偏差不超过设计值-20mm，桩长允许偏差+0.5m。

（5）成孔后清底夯实、夯平，夯实次数3～5击，成孔后进行孔重心位移、垂直度、孔径、孔深检查。检查合格后进行吓到工序，若成孔后不能及时施工，必须对齐进行覆盖保护。

3.5 回填素土夯实

填料使用就地挖取的一般黏性土，土料应过筛，筛孔不宜大于20mm，不含有冻土块、膨胀土和杂土，有机质含量小于5%，保持土料的最有含水率。

采用偏心轮夹杆夯机夯填，夯填顺序同成孔顺序，夯填垂直直径30cm夯锤重量120kg，提升高度0.5m。填料时，分层回填夯实，压实度大于0.97。夯机就位后应保持平稳，夯锤正对桩孔，自由下落到孔底。按照取得施工参数进行控制，施工中成孔清底夯实、夯平，夯击次数为4击，夯填土分层夯实填筑，每次填料0.08m3，留好夯击记录用来控制参数和质量。

4 工艺优势和效益分析

本工程采用强夯法施工处理湿陷性黄土地基。强夯法的优点为施工简单、效率高、工期短，对湿陷性黄土的湿陷性消除的深度较大；缺点是震动和噪音污染大，处理渠道筑堤基础必须是未筑堤或拆除已筑堤才能施工。强夯法又称为动力固结法，是利用重力机械将重8～30t的夯锤吊起一定高度后释放，重锤从高出自由下落对地基产生强大的冲击能，在地基土中产生巨大的应力波来破坏土体原有的大孔隙结构，使土体锯补发生液化，并产生许多裂痕，增强排水通道，使孔隙水逸出，待孔隙水压力消散后，土体重新固结，提高承载力的过程。但本标段湿陷性黄土处理深度8.5m，若处理已筑堤渠段（74+660～75+095段），只能将筑堤进行拆除后再强夯作业，势必增加开挖回填工程量，工期增加、成本增加；强夯施工还会影响周边村庄的生活，影响村庄房屋的安全。

除了强夯以外翻压也是处理湿陷性黄土的一种处理方案，在没有确定挤密桩方案前，渠段（74+660～75+095）与之相邻的上游渠段采用翻压施工。翻压施工时不会产生振动波和噪音污染，但施工时将处理深度内的土全部挖出再进行碾压回填。本工程取土综合运距4.5km，施工周期长、成本高，其沿线存在较多软弱地基，换填、翻压的处理方案非常普遍。

通过实际施工（理论计算工程量相同施工渠段74+660～75+095段），可将强夯法、翻压法、素土挤密桩法进行综合对比，如表1。