灰土挤密桩加固湿陷性黄土地基的研究

Study on Reinforcement of Collapsible Loess Foundation by Lime Soil Compaction Piles

WANG Liang

摘要：采用灰土擠密桩加固湿陷性黄土具有高效、快捷、经济等优势。本文以兰海高速公路临洮至渭源段LW4标段采用灰土挤密桩进行湿陷性黄土加固处理的工程实例为依托，详细阐述了灰土挤密桩各施工设计参数的选定方法和试验优化过程。对处理过的复合地基进行承载力检测的结果证明，本项目采用的灰土挤密桩加固湿陷性黄土达到了设计要求的良好处理效果。

Abstract： The use of lime-soil compaction piles to reinforce collapsible loess has the advantages of high efficiency， speed and economy. This paper relies on the engineering example of the limestone compaction pile for the collapsible loess reinforcement treatment in the LW4 section of Lintao to Weiyuan section of Lanhai Expressway and expounds the selection method and experimental optimization process of various construction design parameters of lime-soil compacted piles in detail. The results of bearing capacity test on the treated composite foundation prove that the lime-soil compaction pile used in the reinforcement of the collapsible loess achieves the good design effect.

关键词：湿陷性黄土;灰土挤密桩;地基加固;施工参数;关键技术

Key words： collapsible loess;lime-soil compaction pile;foundation reinforcement;construction parameters;key technology

中图分类号：TU472                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0172-03

0  引言

我国地域内较为广泛地分布着湿陷性黄土，黄土的湿陷性带来了诸多不良工程地质问题。为了满足建筑物对地基承载能力、安全稳定性的要求，需对黄土湿陷性进行有效的处理。目前对于湿陷性黄土的处理方法及措施较多，每种方法的处理技术效果各异，经济投入也差别较大。本文通过兰海高速公路临洮至渭源段LW4标段所遇到的湿陷性黄土特征进行分析，并对各种加固湿陷性黄土地基技术效果及经济优势进行了分析说明，以获得高效、快捷、经济加固处理本项目湿陷性黄土的方法，为今后类似项目湿陷性黄土处理方法的选择提供参考依据。

1  工程概况

本工程为兰州至海口国家高速公路临洮至渭源段LW4合同段，包含正线7.358km，G212国道改移2.585km。本项目主要位于黄土高原区陇中（陇西）黄土高原亚区，地处陇西高原黄土高原西南边缘的洮河、渭河分水岭，纵跨黄河流域。地势西北高东南低，地形相对复杂，有山梁、河谷、川台地，本合同段线路平均海拔约2260m。

沿线湿陷性黄土主要分布于洮河河谷Ⅲ级阶地及其以上阶地、丘陵地带的黄土与黄土状土，厚度一般为5～8m，以黄色为主，有灰黄、褐黄等色;含有大量粉粒，具有肉眼可见的大孔隙，无层理，垂直节理发育，一般具有湿陷性。

根据土工试验检测，沿线的湿陷性场地和湿陷等级分段为：标段属自重湿陷性场地，为Ⅲ（严重）～Ⅳ（很严重）。

由于黄土湿陷性会引起如下工程地质问题：路基沉陷、桥台失稳、边坡变形破坏、黄土陷穴等。故需对本项目的湿陷性黄土进行处理，确保高速公路路基、桥涵等各结构的安全稳定性。

2  湿陷性黄土处理要求达到的目的及处理方法的比选

2.1 湿陷性黄土处理要求达到的目的

为了消除黄土湿陷性引起的路基沉陷、边坡变形破坏、黄土陷穴等病害问题，需消除黄土的湿陷性，提高地基土的承载强度，本标段黄土湿陷性加固的要求如下：

①因本项目为自重式湿陷性黄土，为避免路基工后沉降过大，需处理基底以下的全部湿陷性土层。即本标段黄土加固处理最深8m。

②湿陷性黄土地基经处理后，桩间土达到中等密实，压实系数λc≥0.95，复合地基承载力需满足≥200kPa以上。

2.2 加固方案的比选

进行湿陷性黄土的处理方法较多，也相对成熟，但在不同的地质条件下，各类处理方法技术可行性、适用性、处理深度及处理效果各不相同。

故进行处理方案选定时，需了解各类加固措施的优缺点，针对本项目选择一种技术可行、效果显著及经济合理的加固方法。本项目针对湿陷性黄土处理加固常用的挖土换填、化学改良、灰土挤密桩、强夯法等不同方法进行比选，以选定适合本项目施工条件，且技术可行、进度可控、经济合理的处理方法。

2.2.1 换填

对于浅层地基采用灰土或是其他合格取土进行换填的处理方法经济适用。但本项目最大处理深度达8m，换填法需进行大量的弃方和取土分层碾压回填，经测算，如果采用灰土换填，综合单价近37元/m3，故换填法不适合本项目。

2.2.2 化学改良

化学改良为采用水泥或石灰对湿陷性黄土进行改良，其施工工艺方法与换填类似，需开挖所有湿陷性黄土进行改良后再分层回填。

故也不适合本项目8m深度的湿陷性黄土处理。

2.2.3 强夯

本项目湿陷性黄土加固达8m，经强夯设计计算，需8000kN·m能级方能达到有效加固深度。根据以上强夯能级，按拟采用的施工机械、夯锤、布点形式、夯击遍数、置换深度等进行测算，综合单价近59元/m3，施工成本高，故强夯于本项目而言，施工成本高。

2.2.4 灰土挤密桩

相对于换填土，灰土挤密桩避免了开挖及换填，故减少土方开挖及换填的工程量，施工工期节约超50%。由于不受开挖和回填的限制，灰土挤密桩可以深层加固，处理深度大，能够很容易进行本项目深度8m土层的加固处理。经对灰土挤密桩的综合单价进行分析，综合单价仅20.3元/m3，施工效益良好。

经技术比较及经济分析，本项目湿陷性黄土采用最终采用灰土挤密桩进行加固处理。

3  灰土桩加固参数设计

3.1 桩孔直径

当设计桩径d偏小时，则需增加桩数，即提高打桩和回填的工作量;但采用过大桩径，则桩间土挤压密实度不足，导致消除湿陷性效果不佳。且大桩径对成孔设备要求高。故桩径通常为300～450mm，根据本项目成孔方法及所选成孔设备，桩径设计为0.4m。

3.2 处理深度及宽度

本项目为自重湿陷性黄土场地，处理地基以下的全部湿陷性土層。

处理宽度超路基边缘线、结构物外缘线以外2m。

3.3 桩位及桩距

灰土桩的挤密效果与桩距有关。而桩距的确定又受原状土的干密度和孔隙比影响。需通过试验或计算确定设计桩距。

①桩位呈等边三角形布设，桩间距（s）通常为2.0～2.5倍桩径;

②或按估算（m）。

—桩间土最大干密度（t/m3）;原状土的平均干密度（t/m3）;—处理后桩间土平均挤密系数（不宜小于0.93），对一般工程不应小于0.9;d为桩孔直径（m）。将本项目土体物理力学指标、处理要求及挤密桩参数等代入上式中，经计算得桩径0.96m。结合本项目施工所用机械设备及以往类似项目施工经验，拟采用的桩距为0.9m，按等边三角形布设。

3.4 填料及压实系数

孔内的填料消石灰与土的体积配合比为3：7。

要求桩心土压实系数λc≥0.95;桩间土ηc≥0.90。

并于桩顶标高以上设计400mm厚灰土（消石灰与土的体积配合比为2：8）垫层，垫层压系统lc≥0.95。

3.5 施工成桩工艺的选择

本项目采用沉管成孔，即采锤击打桩机将带桩尖的特制管桩打入土层，达到设计处理深度后慢慢拔管而成孔。沉管法成孔的孔形规整、孔壁光滑，施工技术及挤密效果易于控制，质量得到保证，且常用的沉管桩机与本项目桩管直径、长度等相适应，能够取得较好的加固质量及经济效益。

4  试桩

大面积黄土地基挤密桩处理前，先进行试桩，并采用平板载荷试验，以验证经处理后的复合地基承载力能否达到标准值fK≥200kPa的要求。

完成试桩后，选取了代表性的4组单位桩进行复合地基平板静力载荷试验。压载荷板的面积为0.81m2。试验数据所得的P-S曲线见图1和表1所示。

由图1、表1的灰土桩处理湿陷性黄土复合地基载荷试验结果可得，灰土桩地基处理后的复合地基承载力标准值fK达到≥200kPa的要求。

5  施工质量试验检测

5.1 击实试验

采用SJ-Q型标准击实仪进行本项目的击实试验。地基原状土的最大干密度为1.67g/cm3，最佳含水量为19.5%。桩体灰土的最大干密度为1.73g/cm3，最佳含水量为18.6%。

测试数据于表2、表3所示。

对表2、表3的检测结果进行分析可得，采用以上设计参数的灰土挤密桩进行地基加固的桩心填料、桩间土的压实及挤密效果满足设计要求。

5.2 处理后的黄土湿陷性试验

进行灰土桩处理后的黄土湿陷性变化试验，以测定地基经灰土挤密处理后是否还具有湿陷性。试验采用单线法进行。具有代表性的测坑测试数据如图2、图3所示。

由图2、图3可看出，在不同压力情况下，不同土层的湿陷系统数均小于0.015，按国内《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）的要求，可判定经灰土挤密桩处理后的地基土已消除了湿陷性，达到处理的目的。

6  施工关键技术

①在夯填施工前应进行夯填工艺试验，确定合理的分次填料量和夯击次数。

②成孔施工时地基土宜接近最优含水量，若含水量低于15%，则采取增湿措施，即在挤密桩施工前4～6d，设置合适数量和深度的渗水孔进行渗水增湿，使增湿水均匀地渗入原状土层中。

③灰土挤密桩的施工处理顺序。本项目灰土挤密桩处理的线路长，总体采取分段施工。对于处理面积较大段落，从道路中线向外间隔1～2孔进行。当进行局部小面积处理时，采取从外向里间隔1～2孔的顺序进行。

④成孔后需将孔底夯实，并按施工规范要求对桩孔的直径、深度和垂直度进行抽样检查，桩孔的垂直度偏差控制在1.5%内;桩孔中心点的偏差控制在桩距设计值的5%内。

向孔内填料前，孔底应夯实，并应抽样检查桩孔的直径、深度和垂直度;桩孔的垂直度偏差不宜大于1.5%。成孔检测合格后，按设计要求将拌制合格的灰土分层填入孔内直至设计标高，并分层认真夯实。

⑤处理时，全程安排专人对成孔、回填质量进行监测，同时做好施工记录。当原状土与勘察、设计资料不符，需立即停工处理。查明原因并采取有效处理措施后，方能继续施工。

⑥如成孔后的桩内有渗水、涌水或是积水等现象时，可将孔内水抽排干净，或采用混凝土桩体、碎石桩替代水下部分的桩体，水上部分桩体还为灰土桩。

⑦施工中桩体出现堵塞、缩颈、孔内土体坍塌、挤密成孔困难时，采取如下措施进行处理：1）当土体含水量过大，并发生较严重缩颈时，将块状生石灰、水泥干灰、粉煤灰、干砂、碎砖碴等填入孔内;當含水量过小时，先浸水增湿，使土体达到或临近最优含水量后再继续施工;2）遵守成孔顺序，由外向里间隔进行（硬土由里向外）;3）施工时成孔一个，夯填一个，或是隔几孔跳打夯填;4）合理控制挤密桩的有效挤密范围。

7  结束语

①本项目竣工后，经过6个月的沉降观测，地基稳定无变形，工程实践表明，灰土挤密桩用于湿陷性黄土地基时，不论是消除土的湿陷性还是提高地承载力都是效果明显的。

②施工实践表明，如果原状土的含水量超过24%、饱和度大于65%，成孔和拔管施工时，容易出现桩孔缩颈和桩周土体隆起等问题，达不到要求的挤密效果。故地下水位以下或是处于细饱和带的土层不适合采用沉管成孔工艺。

③挤密效果受原状土天然含水量的影响较大，当原状土接近最优含水量时，土体呈塑性状态，可达到最佳挤密效果。当含水量过小时，土体坚硬状态时，则降低了有效挤密区。当含水量过大时，由于挤压会出现超孔隙水压力，导致不能挤密土体，且扰动降低了孔壁周边土体强度，拔管时容易产生缩颈等质量情况。

参考文献：

[1]GB50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[2]吕敬军.灰土挤密桩在湿陷性黄土地基加固中应用研究[J].科技视界，2014（16）.

[3]陈飞林.高强度花岗岩中大直径钻孔灌注桩施工技术[J].施工技术，2014（1）.

[4]耿琦.湿陷性黄土填方区地基处理方案浅析[J].科技情报开发与经济，2011（17）.

作者简介：王亮（1985-），男，河北廊坊人，毕业于河北建筑工程学院，研究方向为施工技术。