孔内强夯法处理湿陷性黄土地基的应用综述

2023-01-13周小松朱才辉乔建伟李鑫磊王颖蛟

地基处理 2022年6期

周小松，朱才辉，乔建伟*，李鑫磊，王颖蛟

（1. 机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2. 陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，陕西西安 710043；3. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安 710048）

0 引言

我国西北地区广泛发育湿陷性黄土层，在工程建设中存在大量黄土地基加固问题。自20世纪90年代孔内深层强夯技术开创以来，由于该技术采用高能量的高压夯击和动态冲、砸、挤压的强力压实和挤密作用，形成的桩体十分密实，桩周土也能得到强力挤密。目前困扰大厚度黄土地基遇水湿陷、承载力不足等问题也主要采用该技术进行处理。

然而，孔内深层强夯技术在实际施工时，往往面临没有合适的理论去指导施工参数，通常是在现场试桩来确定相关参数，造成了工期和资金上的浪费。因此本文通过大量孔内深层（超）强夯技术在湿陷性黄土地基处理的工程实践为背景，选取了具有代表性的50个DDC工法[1-49]和6个SDDC工法[50-55]的工程实际案例进行分析，分别统计了研究区域、原始地层结构（原地基承载力、湿陷厚度和湿陷等级）、填料、施工参数（夯击能、成孔直径、成桩直径、桩长、桩径、布桩方式）等因素以及处理效果情况（湿陷性消除、复合地基承载力），对其进行了总结归纳，并分析了各个因素对处理效果的影响规律。为湿陷性黄土地区应用DDC或SDDC技术的设计和施工提供参考。

1 DDC法地基处理

自孔内深层强夯（DDC）法开创以来，被广泛应用于湿陷性黄土地区的地基处理中，它夯击能量大，处理深度深，能有效消除处理范围内的湿陷性，较大幅度提高地基土的密实度，降低地基土的变形，增强其承载力。然而，具体施工中填料类型以及施工参数中夯击能、桩长、桩径等因素究竟该如何选择，目前尚没有一个明确的结论。为了考察孔内深层强夯（DDC）法在湿陷性黄土地区应用情况和处理效果的影响因素，根据收集的 50多个典型应用案例，分析了研究区域与原始地层结构情况，填土材料和桩长、桩距等因素与处理后湿陷系数和复合承载力之间的关系。统计情况如表1所示。

表1 DDC法处理湿陷性黄土地基统计情况Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

续表1 DDC法处理湿陷性黄土地基统计情况Continuation of Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

1.1 DDC法应用现状

由表1、图1可知，DDC工法主要应用于陕西（48%）、山西（20%）、甘肃（14%）、河南（11%）、青海（5%）和宁夏（2%）等地区具有不同湿陷等级的湿陷性场地。

图1 DDC工法在不同区域的应用Fig. 1 Application of DDC in different areas

由图2可知，根据DDC工法所应用的湿陷性黄土场地多为Ⅲ级自重湿陷性场地（30.6%），其次为Ⅱ级自重湿陷性场地（26.6%），再次为Ⅳ级自重湿陷性场地（20.1%），其余均为I、Ⅱ级非自重湿陷性场地（各占11.3%）。可见，DDC工法处理的湿陷地基类型多为Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性场地。其中，DDC工法处理的湿陷场地中位于陕西地区的西安、咸阳、宝鸡、渭南、铜川等地，其湿陷土层厚度最小值为6.0 m，最大值为30 m，平均值为12.3 m，湿陷类型存在自重和非自重，湿陷等级为Ⅱ～Ⅲ级。位于山西地区的长治，其湿陷土层厚度为 3.4～14.4 m，湿陷类型为非自重，湿陷等级为Ⅱ级。位于河南地区的洛阳，其湿陷土层厚度为14 m，湿陷类型和等级为Ⅱ级非自重湿陷。位于陇东陕北地区的榆林、庆阳、延安等地的湿陷土层厚度最小值为10 m，最大值为26.5 m，平均值为18.25 m。从中可以看出不同区域湿陷土层的厚度以及湿陷类型和等级会随着陇西地区→陇东陕北地区→关中地区→山西地区→河南地区逐级递减（图3），这与文献[21]提出的“中国湿陷性黄土工程地质分区略表和参考表”结果是一致的。由图4可知，DDC工法在湿陷土层厚度一般（5～20 m）的场地中应用最多，其应用案例大于统计总数的一半以上（70.4%），而其它不同厚度的应用占比不足30%，如对于湿陷性土层深度在 25～35 m之间的 DDC工法应用占16.4%，在20～25 m之间占比约为6%，其中厚度较小（0～5 m）或超大（35～40 m）的地层中应用最少，分别占比4.5%和3.0%。主要原因可能是小厚度湿陷性黄土处理可采用其他简便方法，如强夯法、垫层法，而超大厚度湿陷性黄土地基采取 DDC工法时，施工工艺及造价相对较高，且处理效果较差。

图2 DDC工法在不同湿陷性等级场地的应用Fig. 2 Application of DDC in different collapse loess site

图3 黄土湿陷等级变化示意图Fig. 3 Schematic of change of loess collapsibility grade

图4 DDC工法在不同湿陷土层深度的应用Fig. 4 Application of DDC in different depth of collapse loess layers

综上所述，DDC工法已被广泛应用于不同湿陷等级和湿陷类型的黄土地基处理中，应用于一般湿陷厚度土层中，且处理效果较好，但对于大厚度和超大厚度湿陷性黄土地基处理应用还较少，对其处理效果有待进一步研究。

1.2 填料对地基处理效果影响

DDC工法常用填料包括素土、灰土（其配比主要采用2∶8和3∶7）、水泥土（其配比主要采用1∶4、1∶5、1∶6、1∶9）、碎石、渣土和建筑垃圾等，DDC工法施工期间，填料的用量每循环约0.12～0.14 m3，单循环用料过多会导致挤密效果不够，过少则造成工程浪费。

统计已有案例DDC工法中填料占比如图5所示。由图5可知，2∶8灰土使用频率最高，达35%，3∶7灰土使用频率次之，约为25%，素土使用频率约为15%，渣土使用频率约为8%，1∶9的水泥土使用频率约为4%，其余占比均低于2%。由此可见，目前DDC工法在处理湿陷性黄土地基使用的填料以灰土为主，总占比约为60%。

图5 DDC工法中填料的应用Fig. 5 Application of fill materials with DDC method

根据不同填料进行DDC处理前后的地基承载力对比发现（见图 6，其中横坐标表示统计数据的编号）：原地基的承载力范围为70～175 kPa，平均值为133 kPa；DDC法处理后复合地基的承载力范围为160～800 kPa，平均值为324 kPa，处理后的承载力提高范围为1.4～4.7倍，平均为2.5倍。因此，采取 DDC处理后复合地基承载力显著提高，且均达到了工程建设要求的地基承载力许可值。

图6 DDC工法处理前后地基承载力对比分析Fig. 6 Comparison of bearing capacity of foundation soil after and before DDC method treatment

统计采用素土处理后的复合地基承载力特征值平均值为300 kPa；2∶8灰土桩的复合地基承载力特征值最大值为407 kPa，最小值为200 kPa，平均值为375 kPa；3∶7灰土桩的复合地基承载力特征值最大值为450 kPa，最小值为250 kPa，平均值为341 kPa；1∶5水泥土桩的复合地基承载力特征值为320 kPa；碎石土桩的复合地基承载力特征值为450 kPa；渣土桩的复合地基承载力特征值最大值为 302 kPa，最小值为210 kPa，平均值为274 kPa。可以看出随着填料强度的增大，处理过后复合地基承载力特征值也随之增大。DDC处理后地基承载力由大到小顺序依次为：碎石→2∶8灰土→3∶7灰土→1∶5水泥土→素土→渣土。

1.3 DDC设计参数对地基处理效果的影响

由表1给出的统计数据可以得出孔内深层强夯法在施工中要控制的参数包括夯击能、成孔直径、成桩直径、桩距、桩长、桩的布置方式。统计结果如下：

（1）夯击参数。统计上述50个文献，发现DDC工法采用的夯锤质量一般为 1～20 t不等，常用夯锤质量为1.5～3.0 t；落距为0.5～12 m不等，常见夯锤落距为5～8 m；夯击次数一般为5～10次不等，常用夯次为6～8次；夯击能一般为90～5 000 kJ/层，常用夯击能为800～2 000 kJ/层。由于地层、填料、施工控制水平的差异性，导致夯击次数、夯击能与地基处理效果之间的关系较为离散，且目前针对该方面研究成果较少。

（2）成孔直径d。统计成孔直径如图7所示。由图7可见，DDC工法成孔直径一般在0.35～2.0 m不等，其中成孔直径主要为0.35～0.4 m，占83.7%，其原因主要是工程实际成孔工艺一般采用机械钻孔、掏孔，受到施工机具的影响较大。

图7 DDC工法处理地基成孔直径分布范围Fig. 7 Distribution range of hole diameter of foundation treated by DDC method

（3）成桩直径D。统计成桩直径分布范围如图8所示。由图8可知，实际工程中桩体直径分布在0.49～2.2 m，其中成桩直径主要分布在0.55～0.70 m范围内，约占88%。定义挤密比=成桩直径/成孔直径，绘制成孔直径、成桩直径和挤密比分布曲线如图9所示。从图9可知，挤密比约分布在1.2～2.0之间，平均挤密比约为1.5，表明DDC工法的挤密扩孔效应明显，可显著提高0.5倍成孔直径范围土体的密实度。

图8 DDC工法处理地基成桩直径分布范围Fig. 8 Diameter distribution range of piles treated by DDC method

图9 DDC工法处理地基挤密比分析Fig. 9 Analysis of compaction ratio of foundation treated by DDC method

（4）桩间距l。统计桩间距分布范围如图10所示。从图10可知，实际工程中常用的桩距分布范围为0.7～4.5 m不等，其中桩间距为0.9～1.2 m占比最大，为82.3%。绘制桩间距与成孔直径和成桩直径的比值变化曲线如图11所示，由图11可知工程常用桩间距是成桩直径的1.4～2.2倍，平均值约为1.7；桩间距是成孔直径的 2.2～3.4倍，平均值为2.5，与规范《孔内深层强夯法技术规程》（CECS197∶2006）[51]建议的桩间距为2.0～3.0 d相符。此外，黄雪峰等[52]研究发现当不同桩间距布桩可以消除黄土湿陷性时，选择桩间距较大布桩可以节约大量工程建设成本，但当桩间距越小消除湿陷性效果和地基承载力提高系数也越高，因此采用DDC工法进行地基处理时需要确定最优桩间距。

图10 DDC工法成孔桩间距分布范围Fig. 10 Spacing distribution range of pore-forming piles by DDC method

图11 桩间距与成孔直径、成桩直径比值Fig. 11 Ratio of pile spacing to hole diameter and pile diameter

（5）桩长L。绘制处理深度与湿陷性土层厚度变化曲线如图12所示。由图12可知，地层湿陷性深度与 DDC处理深度基本保持一致，实际处理深度（桩长）可能与设计承载力需求及建筑物重要性等级有关。桩长是根据湿陷性土层厚度以及建筑物级别设计，若要全部消除湿陷量，桩长要大于等于湿陷土层厚度，若允许存在一定的剩余湿陷量，则桩长小于湿陷土层厚度。在填料相同条件下，桩长越长，复合地基承载力也就越高，其消除的湿陷性土层厚度也就越大。

图12 DDC法处理地基深度与湿陷性地层厚度关系Fig. 12 Relationship between foundation depth and collapsible loess thickness treated by DDC method

（6）桩的布置方式。目前DDC工法在工程上采用的布置方式都是正三角形。

2 SDDC法地基处理

孔内深层超强夯法（SDDC）是在孔内深层强夯法（DDC）基础上发展起来的，SDDC法相对于DDC法锤体自重更重，一般约为10～15 t，夯击能更大，成孔直径也会增大，从而桩间土以及桩体的密实度更大，产生的复合地基承载力高。SDDC地基处理统计情况见表2。

表2 SDDC法地基湿陷性黄土处理的统计情况Table 2 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with SDDC method

2.1 SDDC法应用现状

由表2可知，目前SDDC法应用情况相对DDC而言数量较少，主要集中在关中地区的西安，其处理的湿陷土层厚度最大值为13.0 m，最小值为7.5 m，平均值为 9.8 m，湿陷类型为自重湿陷或非自重湿陷，湿陷等级为Ⅱ～Ⅲ级；位于陇东地区的庆阳湿陷土层厚度为 7.0～26.0 m，湿陷类型为I～Ⅳ自重湿陷。可以看出与1.1节分析结果是一致的。

2.2 填料对地基处理效果影响

根据表2统计数据可见，SDDC工法处理湿陷性黄土地基所采用的填料主要为：灰土、渣土、素土。采用不同填料地基处理后的承载力相比原地基承载力均显著提高，采用素土桩的复合地基承载力特征值最大值为290 kPa，最小值为260 kPa，平均值为275 kPa；采用3∶7灰土桩处理后的复合地基承载力特征值最大值为375 kPa，最小值320 kPa，平均值为 352 kPa；采用渣土复合地基桩承载力特征值为273 kPa。总体而言，提高倍数平均约为天然地基的2.33倍，与DDC处理效果基本相当。

2.3 SDDC参数对地基处理效果的影响

根据表2的统计资料显示，SDDC法施工参数中锤重一般为2～15 t不等，常用夯锤质量为10～15 t；其落距一般为5～13 m不等；夯击次数一般为4～6次；夯击能平均为1 000～3 000 kJ/层；成孔直径一般为1.2～2.0 m，平均由DDC的0.4 m增大到1.2 m；成桩直径由DDC的0.6 m扩大到1.8 m；桩间距也保持着2.0～3.0倍成孔直径，为2.6～4.5 m；布桩方式仍为正三角形布置。桩长的设计也是根据原地基湿陷厚度来确定。挤密后，地基的湿陷性系数一般能降至0.015以下，完全消除地基湿陷性。