湿陷性黄土地区水泥粉煤灰碎石桩复合地基的应用研究

2022-06-25邵鹏远饶振兴

能源与环保 2022年6期

邵鹏远，高轩，饶振兴

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南郑州 450001)

我国黄土地面积约640 000 km2，其中湿陷性黄土面积约占其中60%[1]。我国的西北大部分地区、华北地区以及黄河流域的中部地区是湿陷性黄土的主要分布区域[2]。随着西部大开发战略的推进，西部地区经济蓬勃发展，高、大建筑物林立，大型高层建筑对地基的承载能力和抵抗变形能力要求严格。这使得不良土质地基处理成为必须克服的困难，这其中尤以湿陷黄土地基处理问题成为重中之重。所以必须采取一定的工程技术措施对湿陷黄土地基进行处理。考虑到水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)具有低工程造价、工期适宜、节能环保、对地基土改良效果明显[3]等一系列优势，将CFG桩引入湿陷黄土地基处理具有重要意义。

1 湿陷黄土失稳原因及复合地基加固机理

1.1 湿陷性黄土的湿陷原因

湿陷性黄土从颗粒组成以及矿物成分方面来讲，主要特征为：土颗粒中黏粒土颗粒和细粉粒土颗粒所占比例比较大，通常为40%～45%[4]，粗粉粒和砂粒所占比例为50%～60%。黏粒和细粉粒的矿物组成多为高岭石以及水云母[5]；从结构方面来讲，主要特征为：在漫长的黄土形成过程中，由于特殊的气候地理环境条件，湿陷性黄土多为风力搬运沉积形成[6]；无显著层理；垂直节理明显；大孔隙、空隙[7]。土体强度由颗粒间由可溶性盐胶结形成的内聚力以及在低湿环境下空隙间水汽界面压力差形成负压共同提供[8]。

湿陷性黄土遇到水之后，由于土体空隙大，水分迅速进入土体当中，空隙间水汽界面的负压消失，可溶性盐溶于水，造成土颗粒间的黏聚力消失，并且黏粒和细粉粒由于比表面积大且矿物成分遇水膨胀体积增大破坏原有结构，再加上水膜的润滑作用[9]，几方作用加起来协同作用在湿陷性黄土基上的压力，就会造成湿陷性黄土地基遇水后强度迅速丧失。并且湿陷性黄土地基变形是突然的、局部的、不均匀、不可控的。

1.2 CFG桩复合地基加固机理

CFG桩对湿陷性黄土地基的加固机理可概括如下：①桩体对桩周土的侧向挤密作用以及对桩端地基土的压密作用。CFG桩在插入到湿陷性黄土地基后桩周侧面，及以桩端为球心，球径为2d范围内的湿陷性黄土在压力作用下固结压实空隙率及孔隙率降低失去湿陷性[10]；②CFG桩插入到湿陷性黄土地基中，在基础范围内大面积大深度地置换出了具湿陷性黄土，而CFG桩的桩体强度大、刚度大，压缩性低、模量高，提高了加固区域的地基强度[11]；③CFG桩上设置的连续级配柔性嵌锁材料褥垫层可将地基上部传递荷载均匀分散地传递给桩以及被挤密的桩间土体，起到协调变形的作用[12]。三者共同起到加固湿陷性黄土地基的作用。

2 CFG桩复合地基的应用研究

2.1 工程概况

西部某黄土塬地区城市规划建设大型甲类建筑，建筑物设计地上35层，地下3层，基础底面埋深6 m，底板面积为48 m×48 m。根据地质勘察资料，该项目地基土类型为Ⅰ级非自重湿陷黄土，分层土力学指标见表1。

2.2 CFG桩复合地基设计

(1)桩长设计。将桩端持力层深度确定后即可确定桩长根据表1各土层地基承载力特征值选择④-1卵石层作为桩端持力层。所以设计桩长为23 m，由于各个底层均为粉土所以根据规范推荐采用长螺旋钻中心压灌成桩方式。

表1 分层土力学指标Tab.1 Mechanics index of layered soil

(2)桩径设计。桩径大小由成桩采用的机械设备决定，采用的机械设备为长螺旋钻杆所以桩径为500 mm。

(3)单桩承载能力设计：

(1)

式中，Ra为单桩竖向承载力特征值；n为长范围内所划分土层层数；qsi为桩身长度范围内第i层土的侧阻力特征值；lpi为桩身长度范围内第i层土的厚度；αp为桩底端阻力发挥系数；qp为桩端承载力特征值；Ap为桩的截面积。

代入数据商业资料、地勘文件、设计文件所给定的数据，经过计算水泥粉煤灰碎石CFG桩单桩承载力特征值为700 kN。

(4)处理后地基承载力特征值计算：

(2)

将地质勘察文件、设计文件、商业文件中数据代入公式后经过计算处理后地基承载力特征值为573.24 kPa。

(5)桩间距。根据《建筑地基处理技术规范》推荐，若采用长螺旋中心压灌成桩则建议桩间距为2～4倍桩径，该项目取中间值3倍桩径作为桩与桩间距，即1.5 m。

(6)桩体强度。根据公式：

(3)

式中，fcu为桩身材料28 d的立方体抗压强度。

桩身材料同步留样标准试块标养28 d后，进行立方体抗压强度试验的试验结果平均值为24.89 MPa，所以将桩身强度定为C25。

(7)褥垫层厚度。褥垫层厚度取桩径的50%且不低于300 mm，故本项目褥垫层厚度即为300 mm。

(8)布桩。根据设计文件、基础几何形状、地质勘察文件等资料，布桩形式为正方形布桩，桩与桩之的间距为1.5 m。桩数为1 156根。但是根据《湿陷性黄土地区建筑规范》要求考虑扩大地基的处理范围，所以地基处理宽度超出基础底面每个边的边长12 m[14]。所以实际打桩数为2 500根。CFG桩设计参数汇总见表2。

表2 CFG桩设计参数汇总Tab.2 Summary of design parameters of CFG pile

2.3 CFG桩消除湿陷性检验质量检验

采用CFG桩处理湿陷黄土地基后，应该根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)以及《建筑桩基检测技术规范》(JTJ 106—2014)，对经过处理的湿陷黄土地基进行地基土湿陷评价。并且测试在模拟浸水后的地基中，CFG桩的承载能力。从而进行的浸水单桩承载能力测试。用以评价CFG桩消除湿陷性的效果，从而评价CFG桩在湿陷性黄土地基上应用效果。

2.3.1 黄土湿陷性试验

(1)试验过程与方法。湿陷系数是一个力学参数用以评价湿陷黄土的湿陷性，是试验实测数据。因为单线法的受力状态和湿陷过程更加贴近地基的实际情况，所以采用单线法测定地基土的湿陷系数[13]。根据设计文件选定3个探坑进行取土。取土采用机械洛阳铲，在比桩身长度略长的范围内取土。

取土过程中务必保证对土样不扰动，务必保证保持土样的原状湿度、原状密度、原状结构。每层土样用环刀取5个试样，在天然状态下分级加荷，10 m内土层采用200 kPa每级50 kPa，10 m外土层采用300 kPa每级100 kPa。荷载经分级加载直至达到试验要求，土样经加载下沉稳定后，再将各个试样浸水直至饱和，产生的附加下沉稳定后方可终止试验。湿陷系数根据式(4)计算：

(4)

试验数据统计见表3。持力层以上各层黄土湿陷系数如图1所示。

表3 湿陷系数汇总Tab.3 Summary of collapsibility coefficient

图1 持力层以上各层黄土湿陷系数Fig.1 Loess collapsibility coefficients of each layer above the supporting layer

(2)试验数据分析判定。由表3试验数据可以看出，3个探坑在桩端持力层以上各个黄土层湿陷系数平均值为0.002 4、0.003 2、0.003 4。3个探坑湿陷系数的平均值为0.003，远小于《湿陷性黄土地区建筑规范》规定的0.015，可以认为经过CFG桩处理后的地基不具有湿陷性。

2.3.2 单桩竖向承载力静载浸水试验

(1)试验过程与方法。本试验的目的是检验黄土地基浸水饱和后CFG桩的竖向抗压极限承载能力。本试验根据设计文件选择12根桩。首先需要开发浸水坑，浸水试坑以CFG桩为中心开挖，试坑为正方形，长12 m、深0.5 m。浸水孔位于坑内，距离试验桩中心2 m的正位东、南、西、北处，浸水孔孔深略长于桩身长度。浸水孔用圆砾填实。坑内铺厚10 cm、直径1～2 cm的圆砾。注水过程中注意控制用水量需在注水管上设置开关及水表。试验过程中，保持浸水坑中水深20～30 cm。安装好仪器，做好桩头保护后即可逐级加载。每级加载分荷载为试验荷载的1/10。第一级加载2倍分荷载。试验装置如图2所示。

图2 单桩竖向荷载浸水试验装置Fig.2 Single pile vertical load immersion test

(2)试验数据读取与分析判定。分级桩顶加载后的第5、15、30、45、60 min分别采用水准仪读取桩顶下沉数据。60 min内桩顶沉降小于0.1 mm时可以施加下一级荷载。试验结果见表4。由表4可知，12根CFG桩浸水竖向抗压静载试验的荷载值均加载到最大1 600 kN时未达到相对稳定状态，可以判定此时未达到竖向抗压承载能力极限，则12根CFG桩的极限承载力值取本次试验荷载值1 600 kN。各个桩试验结果极差未超过30%。所以，此次12根桩极限承载能力的统计值为1 600 kN，取极限承载能力的50%为桩的承载能力特征值。浸水条件下施工后CFG桩的承载能力特征值为800 kN满足设计要求。