浅谈加固处理湿陷性黄土地基的方法.doc

增刊 浅谈加固处理湿陷性黄土地基的方法作者 韩振才 刘江 胡艳东 中冶地勘岩土工程总公司唐山公司 摘 要 本文简要阐述了湿陷性黄土的加固机理、主要加固方法。特别对不同工艺的夯扩灰土桩法进行了论述关键词 湿陷性黄土 地基 加固方法1 前言在我国，黄土和黄土状土广泛分布在华北、西北等地，且地层多、厚度大。在这些地区，一般气候干燥、降雨量少，蒸发量大，属于干旱、半干旱气候类型。黄土分布地区年平均降水量在250500 mm之间。黄土在自重或一定荷重作用下受水浸湿后其结构迅速破坏而发生显著的附加下沉，以至在其上的建筑物遭到破坏。这是黄土的一种特殊性质。我国湿陷性黄土分布约占黄土分布面积的60，大部分在黄河中游地区。由于各地黄土堆积环境、地理和气候条件不同，致使其在堆积黄土的物理、力学性质等方面都具有明显的差别，湿陷性有自西向东、自北向南逐渐减弱的规律。在十五期间，国家提出开发大西北的战略，这就使西北地区的基础设施建设快速发展起来，掀起了高速公路、高速铁路、机场、高层住宅等建设热潮，而湿陷性黄土在我国西北部地区大面积存在，怎样消除黄土的湿陷性，经济、快速地加固好地基就是摆在大家面前的一个难题。2 湿陷性黄土的湿陷机理湿陷性黄土按其湿陷机理可分为高可溶盐的湿陷性黄土和高空隙率的湿陷性黄土，由于这两类湿陷性黄土的湿陷性机理不同，因此应对湿陷性黄土地基有可靠的鉴定和正确的认识，并采取必要的工程措施防止或消除它的湿陷性。湿陷性黄土除了具备黄土的一般特征外，粒度成份以粉土颗粒为主，约占50%以上，具有肉眼可见的孔隙，它呈松散、多孔结构状态，孔隙比很大，天然剖面上具有垂直节理，含可溶盐(碳酸盐、硫酸盐类等)较多。垂直大孔性、松散多孔结构和遇水即降低或消失的土颗粒间的加固凝聚力是它发生湿陷的内部因素，而压力及水是外部条件。关于黄土湿陷性的鉴别，地基湿陷程度的判别，可以室内压缩实验为主，并以此提出工程上评价湿陷性的定量指标。 3 湿陷性黄土地基的处理方法为了保证湿陷性黄土地基上建筑结构及路基的安全和正常使用，在绝大多数情况下都必须考虑地基处理，湿陷性黄土地基处理的目的是消除黄土的湿陷性，同时提高地基的承载能力。 湿陷性黄土地基处理的方法很多，在不同的地区，根据不同的地基土质和不同的结构物，地基处理应选用不同的处理方法。在勘察阶段，经过现场取样，以试验数据进行分析，判定属于自重湿陷性黄土还是非自重湿陷性黄土，以及湿陷性黄土层的厚度、湿陷等级、类别后，通过经济分析比较，综合考虑工艺环境、工期等诸多方面的因素。最后选择一个最合适的地基处理方法，经过优化设计后，确保满足处理后的地基具有足够的承载力和变形条件的要求。所采用的有垫层法、强夯法、灰土桩挤密法、深层搅拌桩法、振冲碎石桩法等。本文根据近几年在工程建设中所见所闻，浅述一些自己的看法和建议与同行共同讨论。3.1灰土和素土垫层法3.1.1将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖至预计的深度，然后以灰土或素土分层回填夯实。垫层厚度一般为1.03.0m。它消除了垫层范围内的湿陷性，减轻或避免了地基因附加压力产生的湿陷，可以使地基的自重湿陷表现不出来。这种方法施工简易，效果显著，是一种常用的地基浅层处理或部分湿陷性处理方法，经这种方法处理的灰土垫层的地基承载力可达到300KPa(素土垫层可达200KPa)且有良好的均匀性。3.1.2施工中应注意的问题：(1)地基土的含水量，对于含水量较大，或曾局部基坑进水者，要采取相应的措施(如凉晒等)，严格控制灰土(或素土)的最佳含水量，对接近最佳含水量时，宁小勿大，偏大时土体强度则显著下降，变形明显增大。(2)垫层处理的宽度要达到规范要求，使碾压设备能充分碾压到位，还使形成的垫层压实度产生差异。(3)严把质量关，施工中碾压分层的厚度不宜大于30cm，并逐层检测压实度，达到设计规范要求。3.2强夯法3.2.1强夯法亦称动力固结法，通过重锤的自由落下，对土体进行强力夯实，以提高其强度，降低其压缩性，该法设备简单，原理直观，适用广泛，特别是对非饱和土加固效果显著。这种方法加固地基速度快，效果好，投资省，是当前最经济简便的地基加固方法之一。3.2.2施工中注意的问题(1)首先在设计阶段，应考虑湿陷性黄土处于哪一种类别、等级，以及场地等因素，因为强夯的夯击能量，夯点布置，夯击深度，夯击次数和遍数等因场地而异，土的含水量、孔隙比及夯击的单位面积夯击能对湿陷性黄土的强夯有效加固深度起着重要的作用。在经过试夯后确定出设计参数，确定施工设计方案，因此不经试夯确定施工参数往往会给工程造成后患。(2)由于强夯影响深度内土的含水量差异，会导致局部处理效果不佳，对于此种情况必须采取土的增湿或减湿措施，以免出现橡皮土情况。如有此种情况，应立即停止夯击，当凉晒一定时间后，在夯击坑内加入碎石类的粗骨料，继续夯击。(3)施工中在控制关键工序上严把质量关，因为一份设计提供后，锤重、落距、夯点布置等是没有随意性的，而唯一可能被人为改变的是夯击次数，因在试夯时根据最后夯击的沉降量来确定夯击次数的，当别的参数已确定后，它就成为影响处理的唯一因素，所以施工中应以它为质量控制的关键工序管理点。(4)强夯结束后，检测的重点是判定它的有效加固深度是否达到设计要求，因为有效加固深度的第一标准应是消除湿陷性，也就是以s0.015作为判别指标。所以检验手段应采用探井取不扰动土试样进行检测。当这一指标达到要求后，一般情况下对承载力的要求等也均可满足。3.3深层搅拌桩法3.3.1探层搅拌桩是复合地基的一种，近几年在黄土地区应用比较广泛，可用于处理含水量较高的湿陷性弱的黄土。它具有施工简便、快捷、无振动，基本不挤土，低噪音等特点。深层搅拌桩的固化材料有石灰、水泥等，一般都采用后者作固化材料。其加固机理是将水泥掺入粘土后，与粘土中的水分发生水解和水化反应，进而与具有一定活性的粘土颗粒反应生成不溶于水的稳定的结晶化合物，这些新生成的化合物在水中或空气中发生凝硬反应，使水泥有一定的强度，从而使地基土达到承载的要求。深层搅拌桩的施工方法有干法施工和湿法施工两种，干法施工就是“粉喷桩”，其工艺是用压缩空气将固化材料通过深层搅拌机械喷入土中并搅拌而成。因为输入的是水泥干粉，因此必然对土的天然含水量有一定的要求，如果土的含水量较低时，很容易出现桩体中心固化不充分、强度低的现象，严重的甚至根本没有强度。在某些含水量较高的土层中也会出现类似的情况。因此，应用粉喷桩的土层中含水量应超过30%，在饱和土层或地下水位以下的土层中应用更好。湿法施工是将水泥搅拌成浆后注入土中的方法。水泥浆通过柱塞式泥浆泵强制注入，除非特殊情况很少断浆，施工中一般采用预搅下沉时就喷浆的工艺，因此桩体的均匀性比干法施工好。但喷浆增加了水泥土的含水量，强度会受到一定影响，实际应用时需根据土的工程性质，尤其是含水量情况作出适当的选择。 3.3.2施工中应注意的问题(1)必须在设计或施工中采取有效措施来保证搅拌桩复合地基各参数能达到各自的设计值，否则设计的可靠度会降低，如桩端为硬土，或桩长超过临界桩长时，(桩间土承载力拆减系数)取值高于规定，就必须采取设置褥垫层或其他方法使桩间土发挥较高的强度，选用较高的桩体强度时，就必须采取增加水泥用量、掺加外加剂、复搅等措施，才能保证设计与预期的实际结果比较一致。(2)施工中为达到强度要求，有必要进行复搅。复搅是在桩的一部分或桩的全长重复搅拌一次，其作用是：改善桩体的均匀性，如第一次注浆不均匀时，可通过复搅调节，提高桩长方向上的均匀程度，同时，也使桩截面内的均匀性得到改善。现场不同桩段有不同的水泥掺入比，使不同桩段有不同的桩身强度。(3)加强施工管理，因为桩体的固化材料需由压缩空气作载体，而气体流速、流量受土层情况的影响，人工难以调节，所以施工机械应采用带有自动控制喷浆、喷粉的装置，以消除施工中一些人为因素，便于监督检查，避免由于喷浆和喷粉不均匀或者喷浆量、喷粉量未达到设计要求而发生断桩问题。(4)现场施工中应勤于检查，严格监督。深层搅拌桩属于一种柔性桩，桩身检测较困难，施工时质量有疏忽，就可能发生断桩现象。目前用低应变动测法检测搅拌桩的质量得到了肯定，可用此法或结合抽芯取样检测法控制质量。3.4 夯扩灰土桩法。本文以下重点以郑西铁路客运专线渑池-灵宝段夯扩灰土桩的试验为例，阐述了取土引孔夯扩水泥土桩和柱锤冲扩灰土桩（DDC法）两种不同工法采用不同的施工参数加固处理湿陷性黄土地基的效果比较。取土引孔方法有机动洛阳铲冲击法和长螺旋钻机钻孔法。3.4.1场地工程地质及水文地质条件本段属黄河二级阶地,海拔高程365380m,地形较平坦.本段地层属第四系黄土（Q3）砂质黄土中，主要不良地质为湿陷性黄土，具有轻微中等湿陷性，湿陷性黄土厚约1015m。主要有以下六层：2-1砂质黄土（较松软）：浅黄、灰黄、黄褐色，稍密，级普通土，厚度10米，具有轻微中等湿陷性。桩周极限摩阻力fi=-10kPa。2-2砂质黄土：灰黄、黄褐色，稍密中密，具有轻微中等湿陷性。桩周极限摩阻力fi=-15kPa。2-2-1砂质黄土：灰黄、黄褐色，稍密中密，具有轻微中等湿陷性。桩周极限摩阻力fi=-215kPa。2-3砂质黄土：灰黄、黄褐色，局部为砂质黄土，中密密实，一般不具湿陷性。桩周极限摩阻力fi=60kPa。2-4粉细纱：灰黄，稍密中密，透镜体分布于黄土中，厚04m，埋深1520m。桩周极限摩阻力fi=50kPa。3-8粗圆砾土：中密密实，潮湿。桩周极限摩阻力fi=150kPa。地下水埋深5060m。3.4.2第一阶段试验（1）试验方案设计桩间土和平均挤密系数统计值及代表值 表1指标计值干密度平均挤密系数区号n范围值mn范围值m区151.431.611.53150.820.910.86区151.451.601.51150.830.910.85区151.431.731.61150.820.960.90区151.481.691.59150.820.930.89备注n-频数 m-平均值试验共设4个区，每区9根，共36根。三角形布设，桩长16 m，成孔孔径0.35m，夯扩后桩径不小于0.45m。填料为1：10水泥土。其中区、区桩间距1100mm，排距950mm；区、区桩间距1000mm，排距866mm。区、区两个区分别采用柴油锤打桩机锤击沉管成孔（柱锤冲扩法）（011m）和机械洛阳铲冲击（1116m）成孔综合进行，成孔孔径400mm，夯扩成桩后桩径不小于450mm。区、区两个区采用洛阳铲冲击（取土引孔法）（016m）成孔，成孔孔径350mm，夯扩成桩后桩径不小于450mm。四个区桩孔填料均采用1:10水泥土（体积比）。隔排跳打施工工艺，人工或机械拌和灰土。每次填料约0.1m3，夯锤重20kN，落距为3.50m，夯击次数为4击。（2）试桩检验内容及手段1）评价桩身夯填质量。2）评价桩间土湿陷消除程度及挤密效果。3）确定单桩承载力及单桩复合地基承载力特征值。检验采用井探、单桩载荷试验、单桩复合地基荷载试验及室内土工试验等综合手段。（3）检验结果分析与评价A、桩间土的挤密效果桩间土的湿陷性据三桩形心处的桩间土湿陷性试验结果显示：1）、区：2个探井抽检的32件土样的湿陷系数s2.0均小于0.015，表明桩间土湿陷性消除。2）区：1个探井抽检的16件土样的湿陷系数分别在5.0m、7.0m、13.0m深度短的湿陷系数分别为s2.0=0.028、s2.0=0.020、s3.0=0.015，湿陷系数s0.015，其余深度湿陷性消除。表明桩间土未完全湿陷性消除。3）区：1个探井抽检的16件土样的湿陷系数s2.0仅3.0m深度段的s2.0=0.026，湿陷系数s0.015，其余深度湿陷性消除。表明桩间土未完全湿陷性消除。从桩间土湿陷性试验结果显示：、区挤密效果较好，区次之，区较差。桩间土的平均挤密系数根据土工试验结果报告，经数理统计求得桩间土d和计算求得相应的平均挤密系数分别列于表1：表1统计结果显示，四个区处理深度内桩间土的平均挤密系数分别:区：=0.86；区：=0.85；区：=0.90；区：=0.89 均未满足高速铁路3孔之间桩间土的平均挤密系数大于0.95的技术要求。桩间土的最小挤密系数根据土工试验结果报告，经数理统计求得桩间土d和dmin计算求得相应的dmin分别列于表2：桩间土d和dmin统计值及代表值 表2地层2-1砂质黄土2-2砂质黄土2-3砂质黄土统计值指标n范围值mn范围值mn范围值m区(g/cm3)71.381.571.4471.401.561.4621.351.401.38dmin70.760.870.8070.790.890.8320.770.800.79区(g/cm3)71.351.591.4271.411.501.4421.391.461.43dmin70.740.880.7870.800.850.8220.790.830.81区(g/cm3)71.411.571.5071.431.511.4821.361.411.39dmin70.780.870.8370.810.860.8420.770.800.79区(g/cm3)71.401.541.4671.431.491.4621.361.451.41dmin70.770.850.8170.810.850.8320.780.830.81备注1. 素土击实试验结果：2-1砂质黄土dmax=1.81g/cm3,2-2砂质黄土dmax=1.76g/cm3,2-3砂质黄土dmax=1.75g/cm3,(见图表4-24-4)2.n-频数 m-平均值表2统计结果显示：区：桩间土的dmin=0.790.83；区：桩间土的dmin=0.790.83；区：桩间土的dmin=0.790.84；区：桩间土的dmin=0.810.83。均未满足高速铁路三孔之间桩间土的最小挤密系数大于0.93的技术要求。桩间土处理前后工程性能比较桩身水泥土w和c统计值及代表值 表3指标统计值w(%)平均挤密系数区号n范围值mn范围值m区41.431.6116.140.981.010.99 区41.451.6016.240.981.021.00 区41.431.7316.140.981.031.00 区41.481.6915.540.981.021.00 备注1:10水泥土试验结果：wop=14.6%，dmax=1.76g/cm3(见图表4-1）为比较处理前后地基土的工程性能改善程度。在试桩区附近天然地段挖掘一个探井，间隔1.0m采取不扰动土样，进行了室内土工试验。对比结果表明，四个区2-1砂质黄土（松软土）工程性能改善效果较好，而2-2砂质黄土、2-3砂质黄土两层土的工程性能改善效果不明显。桩间土挤密效果综合评价综合桩间土的湿陷性试验和挤密系数（平均挤密系数、最小挤密系数）测试结果分析对比认为，区、区挤密效果较好，区次之，区较差。区、区桩间土湿陷性已消除，但平均挤密系数、最小挤密系数还未达到高速铁路技术要求。区、区桩间土湿陷性未完全消除，平均挤密系数、最小挤密系数亦未达到高速铁路技术要求。B、桩身夯填质量井探剖桩宏观显示：桩身夯填连续、完整，水泥土拌和较均匀。据现场桩径两侧结果显示：四个区的桩径大部分介于480600mm之间，个别桩达680mm。满足桩径要求。据桩身水泥土土工试验结果报告经数理统计，求得w和c统计值及代表值列于下表3统计结果显示：1）桩身水泥土w=15.5% 16.2%，接近最优含水率（wop=14.6%）。2）桩身水泥土c=0.99 1.00.。C、桩体单位截面积承载力及单桩复合地基承载力桩体单位截面积载荷试验有关参数见下表4。桩体单位截面积载荷试验有关参数 表4项目数值 编号 P=2000kPaP=1000kPa对应的沉降量(mm)沉降量(mm)回弹量(mm)T1-1(区)5.651.341.90T2-1(区)7.151.741.42T4-1(区)6.051.741.87综合桩体单位截面积载荷试验结果，参照GB50025-2004规范附录J之相关规定，桩体单位截面积承载力特征值fpk=1000kPa。单桩复合地基承载力：复合地基载荷试验有关参数见下表5。复合地基载荷试验有关参数 表5 项目数值编号P=2000kPaP=470kPa对应的沉降量(mm)沉降量(mm)回弹量(mm)T1-1(区)24.895.055.58T2-1(区)38.346.127.50T4-1(区)14.295.704.88综合复合地基载荷试验结果，参照GB50025-2004规范附录J之相关规定，桩体单位截面积承载力特征值fpk=470kPa。（5）结论及建议1）桩身夯填连续、完整；夯扩后桩径达到设计要求。2）桩体单位截面积承载力标准值fpk=1000kPa复合地基承载力标准值fpk=470kPa，可满足高速铁路技术要求。3）采用柱锤冲扩工法区、区挤密效果较好，采用引孔工法的区次之，区较差。区、区桩间土湿陷性已消除，但平均挤密系数、最小挤密系数还未达到高速铁路技术要求。区、区桩间土湿陷性未完全消除，平均挤密系数、最小挤密系数亦未达到设计要求。3.4.3第二阶段试验由于桩间土的挤密系数未达到高速铁路技术要求，因此，重点对柱锤冲扩工法进行二次试验。（1）主要试验参数如下： 柱锤冲扩桩成孔孔径0.35m，夯扩后桩径不小于0.45m。试验桩分为2组，呈等边三角形布设，桩长16.0 m，填料水泥重量含量13%，采用柴油锤直接挤扩成孔。其中第一组7根，桩间距0.8m，排距0.693m；第二组6根桩间距0.7m，排距0.606m。 （2）试验施工：1）成孔设计要求采用挤扩成孔，最大孔深16米，目前没有与之配套的施工设备，为满足施工要求，试验施工单位对ZKL800DB型长螺旋钻孔机进行了改装（安装柴油锤夯扩机滑道，购置厚壁无缝钢管，并将原钻机操作系统移至驾驶台外边）。经现场试验，改装后的钻机可满足施工要求。2）孔内夯实试桩采用的是水泥重量含量13%的水泥土，其含水率控制在182%。第一组桩所采用的夯扩机夯锤锤重1吨，每填料一车即0.1m3夯5击，落距4米。从桩夯填的数据可以看出，土层越深，相同的填料量夯实后的桩长越大，挤阔程度越小，反之土层越浅，相同的填料量夯实后的桩长越小，挤阔程度越大，土层在接近表层处土质最为疏松，以下随着深度的增加，土质越来越密实，越不容易挤阔，所以单桩桩身上部直径大，下面直径小。就填料量来说，单孔填料量范围4.3 m35.1m3,平均桩径450mm。（3）试验检验结果分析与评价考虑到前一阶段试验取得载荷试验成果：其桩间距1.1m、1.0m复合地基承载力470kPa能够满足设计要求，本着既要满足设计要求，又要经济便捷的原则，桩间距为0.8m、0.7m的两组试验桩采用井探及室内土工试验相结合的方法进行检测，未做静载试验。1）桩间土的平均挤密系数根据土工试验结果报告，经数理统计求得桩间土d和d计算求得相应的平均挤密系数分别列于表6：桩间土d和d统计值及代表值 表6指标统计值组号d(g/cm3)dn范围值mn范围值m第一组(a井)151.521.791.63150.841.000.905第二组(b井)151.521.811.64150.841.010.911备注：计算挤密系数所用最大干密度07mdmax=1.79g/cm3； 716mdmax=1.81g/cm3表6统计结果显示，试桩处理深度内桩间土的平均挤密系数:第一组(a井)d=0.905; 第一组(b井) d=0.911。2）桩间土的最小挤密系数根据土工试验结果报告，经数理统计求得桩间土d和计算求得相应的最小挤密系数分别列于表7：桩间土d和dmin统计值及代表值 表7地层统计值指标d(g/cm3)dminn范围值mn范围值m第一组(a井)161.491.731.56160.820.970.86第一组(b井)101551.801.63100.851.010.90第二组51701.831.7650.941.020.98备注：计算挤密系数所用最大干密度07mdmax=1.79g/cm3； 716mdmax=1.81g/cm3表7统计结果显示，两组试桩处理厚度桩间土的最小挤密系数分别为：第一组(a井)dmin=0.86; 第一组(b井) dmin=0.90；第二组：dmin=0.98；3）桩间土的湿陷性据阶段第一组桩3桩形心处的桩间土湿陷性试验结果显示：湿陷系数s2.0在0.0000.002范围内，远小于0.015，表明桩间土湿陷性完全消除。第二组桩心距较第一组小，桩间土湿陷性完全消除。4）桩间土挤密效果综合评价综合桩间土的湿陷性试验和挤密系数（平均挤密系数、最小挤密系数）测试结果分析对比认为，两组试桩挤密效果均较好，且第二组强于第一组。两组试桩桩间土湿陷性均已完全消除，虽然平均挤密系数、最小挤密系数还未完全达到高速铁路技术要求，但这仅是其中的一项指标，而且相差不大，综合考虑此工法可以满足高速铁路对沉降变形的要求，所以可以用于高速铁路施工。第一组桩前期检测(a井)与后期检测(b井)对比后期检测挤密系数比前期有所提高: 平均挤密系数提高0.6%，最小挤密系数min提高4.6%。3.4.4 试验结论（1）采用柱锤冲扩法（柴油锤沉管冲扩成孔夯扩灰土桩）施工工艺加固处理湿陷性黄土的效果比取土引孔夯扩水泥土桩工艺好。（2）通过改变夯扩灰土桩施工参数如桩间距、成孔直径、夯扩成桩直径等，可以得到不同的加固处理效果，满足不同的工程需要。桩间距越小、成孔直径与夯扩后桩径的差值越大，加固处理效果越好。（3）柱锤冲扩桩法（DDC法）可以用于加固处理深厚湿陷性黄土地基和对变形要求高的高速铁路等重要工程的地基处理。但该工艺需改造现有的机械设备，采用柴油锤冲扩成