素土挤密桩在某均质土坝段地基处理中的应用

周延国，张彩双，王勇鑫

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

在湿陷性黄土地基上进行工程建设时，需考虑因地基湿陷引起附加沉降对工程可能造成的危害，选择适宜的地基处理方法，可避免或消除地基的湿陷或因少量湿陷所造成的危害。湿陷性黄土地基处理常用的方法有垫层法、强夯法、挤密法、预浸水法和单液硅化或碱液加固法等[1]。

挤密法是湿陷性黄土地区常用的地基处理方法之一，挤密桩包括碎石挤密桩、灰土挤密桩和素土挤密桩等。素土挤密桩是利用沉管、冲击或爆扩等方法在地基中挤土成孔，然后向孔内夯填素土成桩[2]。该方法造价相对较低，适用于处理地下水位以上且饱和度小于等于65%的湿陷性黄土，处理厚度在5～15 m之间[3]。

1 工程及地质概况

莲花寺水库工程位于甘肃省庆阳市境内的葫芦河上，葫芦河为黄河支流北洛河右岸的一大支流。莲花寺水库设计总库容为698万m3，调节库容350万m3，最大坝高25.5 m，死水位1 140 m，正常蓄水位1 147 m；莲花寺水库工程属Ⅳ等工程，工程规模为小(Ⅰ)型，主要建筑物为大坝和泄水建筑物。莲花寺水库枢纽采用河床右侧均质土坝+主河床混凝土泄洪排沙建筑物及河床左侧混凝土挡水坝段的布置方案。枢纽建筑物从河床左侧到右侧依次为混凝土重力式挡水坝段、底孔泄洪排沙闸、表孔泄洪闸、均质土坝等建筑物组成。

右岸均质土坝河床坝段分布第四系全新统冲、洪积层(Q4al+pl)，右坝肩分布第四系上更新统马兰组黄土(Q3m)。各土层的物理力学性质见表1。

表1 坝址区右岸各土层物理力学性质成果

根据勘察成果，坝基土具有湿陷性，存在湿陷性黄土的不均匀沉降问题，清基后坝基为非自重～自重湿陷性场地，其中河床坝段为非自重湿陷性黄土，其湿陷量计算值△s为105～267 mm，河床坝段湿陷等级为Ⅰ级轻微；右坝肩为自重湿陷性黄土，其湿陷量计算值△s为307～531 mm，△zs自重湿陷量的计算值为133～347 mm，右坝肩湿陷等级为Ⅱ级中等，湿陷深度5～7 m，湿陷性黄土处理是葫芦河莲花寺水库工程坝基处理的关键技术问题之一。

2 基础处理方案的选择

垫层法一般适用于处理湿陷性黄土深度小于3 m的地基，采用垫层法将达不到工程要求的处理深度。预浸水法一般适用于处理深度大于10 m且自重湿陷量不小于500的场地，且施工周期相对较长，单液硅化或碱液加固法工程造价高、不经济[4]。根据地基处理段的地质条件及工程造价分析，初步设计阶段选择了强夯法进行基础处理。

2.1 强夯法

强夯法适用于处理地下水位以上、含水量10%～22%且平均含水量低于塑限含水量1%～3%的湿陷性黄土地基[5]。当强夯施工产生的振动和噪声对周边环境可能产生有害影响时，应评价采用强夯法的适宜性。

根据湿陷性黄土地层时代、夯实厚度、处理深度内地层含水量、饱和度等因素，莲花寺水库工程右岸坝基、坝肩的黄土湿陷性处理采用5 000 kN·m强夯能级。

强夯法处理湿陷性黄土地基应根据要求选择有代表性的场地试夯或试验性施工，并根据试夯测试结果调整设计参数，或修改地基处理方案。

工程施工阶段，场地试夯过程中，发现强夯施工带来的震动、噪音对周围环境影响较大，据调查，在该范围内存在32户居民，32户居民中有2处属于已经废弃的房屋，有3户属于移民搬迁范围，强夯对其余27户居民的房屋及人身安全都有不同程度的影响。为了保证施工进度要求及施工安全，需修改地基处理方案。

素土挤密桩是加固地下水位以上湿陷性黄土地基的一种方法，是消除或减少较厚黄土湿陷性的一种简便而有效的方法，有较好的技术经济效果[6-7]。

2.2 素土挤密桩法

采取素土挤密桩方法施工时，对场地地质条件有如下要求：

1)当地基土天然含水量大于24%，饱和度大于65%时不宜选用素土挤密法；

2)当地基土天然含水量小于10%，采用素土挤密法时，对地基土要进行增湿处理；

3)当沉管夯击振动和噪声仍然对周边居民及建筑物仍有较大影响时，宜考虑预钻孔法成孔夯扩挤密桩法。

右侧河床及右岸均质土坝段地基黄土的天然含水量10.4%～24.3%、饱和度17%～64%，处理范围内土层厚度小于15 m，基本满足素土挤密桩的技术和处理深度范围要求。

根据上述右岸均质土坝段湿陷性黄土层的天然含水量、饱和度、湿陷下限以及土层的均一性等因素综合考虑，采用沉管法素土挤密桩进行坝基处理是适宜和可行的。

3 素土挤密桩初步设计

需要处理地基的地层为右岸坝坡区域的马兰黄土(Q3m)和河床第四系全新统冲、洪积物(Q4al+pl)，设计桩间土的最大干密度ρdmax取击实试验资料统计值，右岸坝坡区域的马兰黄土(Q3m)最大干密度ρdmax为1.74 t/m3，河床第四系全新统冲、洪积物(Q4al+pl)的最大干密度ρdmax为1.66 t/m3；马兰黄土(Q3m)地基挤密前的平均干密度ρd0为1.41 t/m3，河床第四系全新统冲、洪积物(Q4al+pl)地基挤密前的平均干密度ρd0为1.47 t/m3。

3.1 桩间距确定

挤密桩的孔位，宜按正三角形布置，孔心距可按下式计算：

(1)

根据挤密素土桩施工经验桩径采用0.35 m，采用(公式1)计算，右岸坝坡区域桩间距为0.93 m，河床区域为1.52 m。

3.2 处理范围及深度的确定

均质土坝段坝高小于20 m，建筑物级别为4级，该坝段可按乙类建筑物进行基础地基处理，需要消除地基土的部分湿陷性，根据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025-2018)规定[1]，如坝基位于非自重湿陷性黄土场地，处理深度不应小于地基压缩层深度的2/3，下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力不应小于100 Pka；如坝基位于自重湿陷性黄土场地，处理深度不应小于湿陷土层深度的2/3，下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于150 mm。

经计算，右岸坝坡区域采用桩长8.0 m；河床导流明渠右侧采用桩长8.0 m，左侧采用桩长6.0 m，工程管理区采用桩长6.0 m，素土桩横向处理宽度为坝基宽度，上下游两侧坡脚向外扩大宽度两排桩。

4 试验性施工及桩距调整

采用挤密法时，应先在场地内选择有代表性的地段进行试验或试验性施工，试验结果应满足设计要求，并应取得必要的参数再进行地基处理施工[8]。为验证初步设计素土挤密桩参数的施工效果，在现场进行了施工试验，结果显示，右岸采用桩距0.90 m，桩径0.35 m可满足设计要求，河床区域采用桩间距1.5 m，桩径0.35 m不能满足桩间土压实系数不小于0.93的要求。

经多次调整桩间距，河床区域采用1.0 m可满足桩间土的挤密要求，因此，最终确定桩径采用0.35 m，右岸坝坡区域桩间距为0.90 m，河床区域桩间距为1.0 m。素土挤密桩处理后桩间土的压实系数不应小于0.93。挤密土料来自选定土料场，填料时宜分层回填夯实，其压实系数不宜小于0.96。

5 施工过程控制及处理效果

5.1 成孔控制

施工过程中，在桩管上标示出桩长红线，可直观控制桩长无偏差。现场管理成孔垂直度进行实时监控，如垂直度偏差超过规范规定的范围，则会导致夯实时夯锤无法顺利落入孔底，在孔壁上摩擦，夯击能量降低[9]。

5.2 填料控制

1)经计算孔内虚铺厚度为0.5 m时，填土量为0.05 m3，填土小铲车斗容3约为0.15 m3，即控制每次填料量为1/3斗。

2)现场施工环境下，桩间土含水量都在16.1%～18.1%，比试验室环境下击实报告最优含水量略高，在实际施工时对回填土加水量应严格计算，再考虑施工过程中水分的损失，含水量控制在18±0.5%。回填土拌合应均匀，过低或过高均会导致压实系数不能达到要求。

5.3 夯实控制

夯实时夯锤应对准孔位中心，如有偏差，也会导致锤尖在孔口壁碰撞、摩擦降低夯击能[10]。夯击次数严格按照每次填土6～8击，过低导致夯击能不足；次数过高则会导致回填土中液化。现场测试中发现个别桩位夯实过程中孔底有吸锤、提锤困难及孔内成橡皮土的情况，所以在局部回填土拌合不均匀，含水量过大时，还应适当减小夯击次数。

5.4 处理效果检测

在设定的施工参数下，即锤击沉管成孔，1.5 t重夯实，回填土的含水量18±0.5%，虚铺厚度0.5 m，夯击能≥15 kN·m(夯锤重1 500 kg，提距≥3 m)，压实遍数为6～8遍(夯击次数≥6击)。

素土挤密桩的质量检测主要是检测桩身的压实度和桩间土的干密度，检测方式为在梅花形桩间进行人工挖探井，在成孔的探井中进行检测土参数取样，土样包括桩间土和桩体土，按孔深每隔1 m取一个土样，按设计要求桩体压实后压实度不小于96%，经最终检测结果桩体压实度平均值为96.3%，无湿陷性，合格率为95%，检测数量为总桩数的0.5%；桩间土的挤密系数全部达到0.93，桩间土的干密度不小于1.54 g/cm3，桩间土的平均湿陷系数为0.011，合格率为100%。

6 结 语

莲花寺水库工程素土挤密桩方案根据施工机械宽度以及工作半径将坝基和右坝肩分为几个工作平台，在平台上进行施工作业，利用机械打桩成孔横向挤压加密土层，在挤密成孔和桩孔回填置换的双重作用下，改善土体物理力学性能[11]，使桩周一定范围内土层受到挤压，扰动和重塑，使桩周土孔隙比减小，从而增加土体密实程度，降低土的压缩性，提高土体承载能力，降低甚至消除黄土的湿陷性效果明显，处理后的地基桩间土和桩体土密度相差不大，同一平面可作为均质地基考虑。