山地地区双桩组合法处理湿陷性黄土

2022-02-02徐有娜王文哲涂序超庞振飞

洛阳理工学院学报(自然科学版) 2022年4期

徐有娜，王文哲，涂序超，庞振飞

(1.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007； 2.龙源(北京)风电工程设计咨询有限公司，北京 100032；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004； 4.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东深圳 518100)

湿陷性黄土浸水后，原来的稳定结构遭到破坏，黄土颗粒间发生物理和化学变化，土体强度降低，主要表现为地基发生湿陷性变形和整体下沉或不均匀沉降，地基承载力大幅下降，严重影响建筑物的安全使用。国内用于处理湿陷性黄土问题的主要办法有挤密桩法[1,2]、夯实法[3]、土体加固法[4]。周茗如等[5]研究了水泥浆注浆在湿陷性黄土中的加固机理，得出了水泥浆液能有效加固黄土，在压力作用下能快速对黄土湿陷性进行补偿。吉任等[6]探究了水泥土挤密桩在含盐湿陷性黄土的处理效果，水泥土挤密桩可以减小黄土湿陷性并提高地基承载力。李本挺等[7]通过现场探井取样评价场地处理后黄土的土体性质，灰土挤密桩处理过后的黄土地基孔隙比减小，干密度增大，湿陷性消除。刘明军等[8]通过素土挤密桩的方式处理湿陷性黄土，素土挤密桩可以有效地消除黄土的湿陷性，降低压缩性。王雪艳[9]研究碎石桩加固湿陷性黄土，对其承载力和沉降变形的影响，碎石桩对深度3 m以内的桩间土有较好的挤密效果，可有效消除湿陷性。

以河北张家口市某工程为研究对象，对素土挤密桩和CFG双桩组合法处理湿陷性黄土后的地基进行静载试验和轻型圆锥动力触探试验，并对地基处理完成后的楼座进行沉降监测。

1 工程概况

1.1 场地条件

该项目位于河北省张家口市桥东区杨家坟二五一医院东侧，项目为17栋住宅楼加地下车库。勘察工作钻探最大揭露深度为54 m，场地存在粉土状黄土，结合本次勘察室内土工试验资料及区域地质资料可知，拟建场地内粉土、粉质黏土层具轻微～中等湿陷性，不具自重湿陷性，湿陷系数为0.015～0.069，经计算得勘探点湿陷量均小于700 mm，地基湿陷等级判定为Ⅰ～Ⅱ级，且随深度加深总体上呈减弱趋势，湿陷层最大深度至地表下12.20 m处，有必要对场地进行地基处理。

1.2 湿陷性黄土处理深度的选取

地质勘察阶段从现地面探井取样，通过土工试验得到6号楼基底下部湿陷性黄土湿陷系数随深度的分布情况如图1所示，黄土的分布深度与黄土的湿陷性有着密切的关系。从图1可以看出，随着黄土的深度增加，黄土湿陷系数逐渐降低，最大湿陷系数为0.069，湿陷系数较大的湿陷性黄土主要分布在2～6 m之间，因为这一深度的土层形成较晚，受外界环境影响的变化较小；当湿陷系数小于0.015时，可认为黄土没有湿陷性，本地区非湿陷性黄土在勘探范围的深度内均有分布，而湿陷性黄土的分布深度主要集中在1～12 m之间。在地基处理工程中，若要消除黄土的湿陷性，只需要处理地面以下12 m深度以内的湿陷性黄土即可。

2 素土挤密桩及CFG桩设计

本工程采用素土挤密桩和CFG桩组合消除湿陷性黄土的影响并提高地基承载力。将填土层全部挖除至原状黄土，施工素土挤密桩。素土挤密桩桩径600 mm，桩孔按正三角形布置，桩间距1 300 mm，桩长5 m。其上采用素土换填碾压密实至设计基底标高20 cm，素土换填压实系数不小于0.96。CFG桩桩径400 mm，按正方形布桩，桩间距1 800 mm，一般桩长12 m。CFG桩成孔遇风化岩入岩1 m即可停止。素土挤密桩和CFG桩及地基检测点分布图如图2所示。

图1 湿陷性系数随土层深度变化图图2 6号楼桩位布置及检测点布置图

3 试验结果分析

3.1 钻探取土湿陷性试验分析

在6号地库的素土挤密桩施工完成后，检测布设13个桩间取土检测点，采用勘探钻机跟管钻进干作业工艺，在处理影响深度范围内自上而下按照竖向间距1.0 m取Ⅰ级原状土样，依据检测布设的13个点的土样室内湿陷性土工试验，试验结果和取样过程如图3和图4所示。由图3可知，在素土挤密桩处理深度范围内，13个检测点的土样湿陷系数均小于0.015，根据湿陷性的规定可知各点影响深度范围内的土样均不具有湿陷性，且大多数土样的湿陷系数小于0.005，处理效果十分明显。本项目采用素土挤密桩能很好地消除黄土地基的湿陷性，满足设计要求。

图3 检测点土样湿陷系数随土层深度变化图

3.2 轻型圆锥动力触探试验分析

轻型圆锥动力触探对比试验利用一定的锤击能量(锤质量10 kg)，将一定规格的圆锥探头打入素土挤密桩体、桩间土及未施工素土挤密桩湿陷性区域，探现场试验图如图5所示。根据桩体、桩间土检测点贯入锤击数，与对比点贯入锤击数对比，判定素土挤密桩施工区域地基挤密效果。在施工完成后，按施工完成总桩数1%比例检测布设了102个原位测试检测点(素土挤密桩体及桩间各51个点，共102个点)，并在未进行素土挤密桩消除湿陷性区域布设1个原位测试对比点。通过将102个原位测试检测点与1个原位测试对比点击数数据对比分析评价挤密效果。

与未处理点相比，经过素土挤密桩地基处理后在相同深度范围内，轻型动力触探试验击数一般都会增加，增加范围约在0～50击之间。说明处理后的土体更加密实，地基承载力有所提高，且N10击数均大于25击，符合相关规范规定，满足设计要求。6号楼地基轻型圆锥动力触探对比曲线如图6所示。

3.3 单桩静载检测试验数据分析

6号楼复合地基有单桩检测试验点3个、复合地基检测试验点3个。将6号楼复合地基的CFG桩单桩竖向抗压静载检测试验的试验数据绘制成荷载-沉降曲线如图7所示。

由图7可知，本次6号楼试验的3根CFG桩DS6-D1、DS6-D3、DS6-D4的荷载-沉降曲线为缓变型曲线，桩处于弹塑性变形阶段。本次试验的最大荷载为1 000 kN，3根桩对应最大试验荷载的沉降分别为5.74 mm、6.32 mm、3.77 mm，可知3根试验桩的单桩竖向抗压极限承载力大于1 000 kN，由此可知3根试验桩的单桩竖向抗压承载力特征值大于500 kN，满足设计要求。当试验荷载达到单桩竖向抗压承载力特征值时，3根桩对应的沉降分别为：DS6-D1为1.31 mm 、DS6-D3为1.66 mm、DS6-D4为1.10 mm。

3.4 复合地基静载检测试验数据分析

将6号楼复合地基的CFG桩复合地基竖向抗压静载检测试验的数据绘制成荷载-沉降曲线如图8所示。

由图8可以看出，6号楼复合地基检测试验的3个点的荷载-沉降曲线均为缓变型，加载过程复合地基处于弹塑性变形阶段。6号楼复合地基要求达到的竖向抗压承载力250 kPa，本次试验的最大荷载为494 kPa，约为设计荷载的2倍，误差不超过2%；复合地基竖向抗压承载力特征值按极限荷载的1/2取值，即可取250 kPa；当荷载为494 kPa时3个点的沉降量分别为15.02 mm、15.15 mm、22.17 mm。由于荷载-沉降曲线为缓变型，若按相对变形取值，s为复合地基静载荷试验泵压板的沉降量，b为承压板宽板，对于6号楼地基土体，可取s/b等于0.01时所对应压力，即取s=16 mm时所对应的荷载为复合地基竖向抗压承载力特征值，由图可知s=16 mm时3个点对应的特征值均大于250 kPa。依据规范里的2种规定，均满足设计要求。当实验荷载为247 kPa时，3个点的沉降量分别为4.21 mm、4.42 mm、6.81 mm。

4 实测数据对比分析

在6号楼四周布置10个楼座沉降监测点，监测6号楼至封顶阶段内楼座的沉降量，监测点沉降位移曲线图如图9所示。由图可知，沉降位移曲线先陡增后趋于平稳。这是由于上部楼层荷载增加，导致楼座沉降量剧增，封顶阶段上部荷载不变，沉降量趋于稳定。所有监测点沉降位移均先增大后趋于平稳，最大实测沉降位移为监测点6-4，沉降值5.82 mm，接近于试验测得的沉降量6.81 mm。