柱锤冲扩桩法处理湿陷性黄土地基研究

江来云

(中铁五局集团机械化工程有限责任公司，湖南 衡阳 421000)

我国60%左右的黄土都是由湿陷性黄土构成，且绝大部分位于我国的黄河中游地区，其面积大约达到了27万km2。湿陷性黄土的这种分布，使我国西部大开发中的很多基础建设、铁路公路建设时，都要面临湿陷性黄土地基处理这一问题。随着我国对交通事业的大力发展，高速铁路、客运专线铁路、城际铁路建设规模日益扩大，高等级铁路对路基工程工后沉降控制要求十分严格，沉降控制成为路基工程设计的关键环节。因此如何处理湿陷性地基成了急需解决的难题，目前常见的处理方法有强夯法、垫层法、桩基础、化学加固法、预浸水法、柱锤冲扩桩处理法等等。如刘智[1]阐述了强夯法的运用过程，有效处理了湿陷性黄土地基沉陷问题。刘春[2]则对黄土湿陷性地基带来的影响和其破坏形态进行了分析,深入了解湿陷性黄土,并综合各种因素探讨了渠道湿陷性黄土地基的处理方式。然而柱锤冲扩桩适应性强、效果好[3]，因此广泛运用于湿陷性黄土地基处理中[4]。本文以银西高速铁路甘宁段工程为背景，系统的分析湿陷性黄土易沉降的根本原因，然后提出柱锤冲扩桩处理该地基的基本原理，运用柱锤冲扩桩来处理地基沉陷过大的问题，使得地基承载力满足设计要求，为今后解决类似问题提供工程借鉴意义。

1 工程背景

如图1所示，本项目位于陕甘宁交界处，地层上部均为自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅱ级～Ⅳ级，湿陷土层厚度最大约30 m。

在施工点处地层主要为砂质黄土、细圆砾土、上更新统风积砂质黄土、冲积细圆砾土，下伏白垩系砂岩夹泥岩。其工程地质特征如表1所示。

表1 试验地基土层物理指标

2 湿陷性黄土破坏原因

湿陷性黄土地基在局部荷载作用下，不仅产生竖向变形，而且产生水平位移。其主要原因是浸水状态下土体自身结构产生变化，抗剪强度也急剧降低，侧向极限能力大大削弱。在多种因素的共同作用下，使得地基出现大量侧向挤压，导致湿陷性的扩展。对于自重湿陷性黄土来说，由于在重力作用下，湿陷变形区各水平面被水浸泡后没有压差，因此不存在侧向挤压现象，但在外荷载作用下，附加应力范围内存在侧向挤压现象。通常，最大压力发生在基础周围的垂直段上，并且集中在基础宽度的1.0倍～1.5倍的深度范围内。当基底压力或压力较大时，侧向挤压的水平范围和影响深度也较大。

3 试验方法与试验步骤

3.1 柱锤冲扩桩作用原理

柱锤的冲扩桩技术是借鉴了土桩、强夯置换等施工方法的优缺点发展起来的[5]。采用柱锤进行冲击扩径桩，采用直径为300 mm～500 mm，长度为2 m～6 m,质量为1 t～8 t的细长柱锤。主要用于提升5 m～10 m的高度，将地基土打入孔内，达到设计深度数次，填充桩柱夯扩桩，并与桩间土相互作用。其中，柱锤冲击扩径桩的处理方法是在冲击钻进过程中，对桩位原土进行强制挤压，对侧向土产生挤压作用[6]。锤底土体受到强烈冲击，孔底土体被夯实。在成桩过程中，将夯实的填料挤入桩周土中，桩径不断扩大到1.5d～2.5d(d为孔径)。桩间土进一步夯实，特别是复钻施工中的桩间土的夯实效果更好。原状土不断压实，冲扩成孔时孔隙不断压缩，在瞬时荷载作用下，土体中产生较大的冲击波，破坏土体原有结构，局部液化，产生大量裂缝，增加排水渠道，排水顺畅。超孔隙水压力消散后，土体在桩周(1.5d～2d)内发生塑性变形，达到强夯效果[7-9]。在柱锤冲击过程中，对孔边土体进行切割和挤压，并对孔底土体进行夯实，对桩间和桩底土体具有压实作用。

随着柱锤深度的增加，上覆土压力增大，压实效果增强。柱锤孔内压实机理不同于强夯。强夯是将地表土层夯实[10]。压实效果与深度直接相关，随着深度的增加，压实效果逐渐减弱。当钻孔达到一定深度时，由于上覆土压力和桩侧土的约束，压实效果较好。

3.2 试验步骤

本次试验采用机械设备有CFG23型液压步履式长螺旋钻机、卷扬提升式夯机(锤重3 t)、小型装载机，如图2，图3所示。根据设计图纸和施工现场实际情况，试桩位置拟设于DK385+109.23～DK385+441.73段区间路基，桩径0.6 m，桩间距1.4 m，桩长8 m，桩位按正三角形布置。按长螺旋成孔工艺进行，预成孔直径40 cm，成孔后夯击成孔直径为60 cm，本次试验42根柱锤冲扩桩。

施工时，桩体应呈梅花形布置，间距为一孔。每7根桩分成一组(外围6根，中间1根)。成孔后回填，在处理过程中，由外向内进行施工。

试桩共分六组，每组7根。当螺旋成孔后，夯锤对准桩孔中心，自由下落至孔底，孔底夯击不少于4次，当听到清脆的锤击声后，开始进行回填夯击。每次夯击次数以听到清脆的锤击声为止，并记录夯击次数，试验参数如表2所示。

表2 柱锤冲扩桩工艺性试验参数

4 试验结果

通过对第一、二、三组试验桩的检测，根据静载荷试验结果，该场地水泥土柱锤冲扩桩复合地基承载力特征值f=213 kPa，满足设计要求。原状土地基承载力特征值f=132 kPa。其次该场地3口探井土样湿陷系数均小于0.015，说明湿陷性已全部消除。并且桩间土平均挤密系数ηc=0.93～0.94，均不小于0.90，满足设计要求；桩身水泥土压实系数λc=0.97～0.99均不小于0.97，满足设计要求。且由图4可知，三组试验段地基静载试验中最大的沉降值分别为4.03 mm,15.62 mm和7.10 mm，都满足设计要求。

根据试验结果的综合反映，桩间土的物理力学性质得到明显改善，完全消除了黄土的湿陷性。桩径远大于设计要求。该施工技术完全满足设计要求，表明该技术是一种经济、可行、有效的黄土地基处理方法。

5 数值模拟

为了能够让所建立的模型尽可能的能和原始地质条件相吻合，同时为了方便数学计算，所以需要对原始的地质条件进行一定的设想与简化。结合实际工程概况，把数值模型中的岩土设定为连续均匀的介质，模型的尺寸为半径×高度=1 m×2 m的圆柱体，模型如图5所示，因此在模型的上边界施加一个由0 kN缓慢加大到466 kN再减少到0 kN(加压与泄压)，如图6所示，并监测试件顶面中点的位移，约束条件为底部全约束，其他面不做约束。试块力学参数见表3。

表3 试块力学参数

模拟检测曲线结果如图7所示，在荷载逐步增大的过程中，顶面中点也在不断的往下位移，起始位移的速率比较小，但随着时间的增长速率不断地加大，最后达到最大位移为16 mm，接下来突然卸载，曲线有所下降，说明在卸载之后试件恢复了一小部分的变形，最后变形量稳定在了15.7 mm，与实际工程结果相吻合。

6 结论

1)在柱锤冲扩桩作用下，桩孔中的土体在剪切作用下横向挤压，形成被动破坏区。桩间表土在被动土压力的作用下被抬升。随着深度的增加，柱锤在孔内形成较强的压实作用，孔下土体在压缩机制下形成主压实区和次压实区。冲孔深度越大，压实范围越大。

2)柱锤冲扩桩处理湿陷性地基时，随着夯击次数的增加地基的承载能力得到提升，试验可知选用水泥土回填厚度为80 cm，锤重3 t，锤距为2 m，锤击次数8锤时，桩顶以上2 m范围内夯击10锤，综合效果最好。

3)在地基静载试验中，地基沉降值随荷载的增大而增大，桩土中水泥土的平均压实度达到0.97(轻夯标准)。桩间土的平均压实度达到0.93(轻压实标准)，s<0.015。试验结果符合设计要求，达到了预期效果。