灰土挤密桩及在处理湿陷性黄土地基中的应用

何 斌 姜军周

灰土挤密桩是加固地下水位以上湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基的一种方法。灰土挤密桩一般适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基,处理深度宜为5 m～15 m。特别是对于以提高承载力、降低压缩变形性能、消除湿陷性和提高水稳定性为主的地基处理。但是,对于含水率大于23%及饱和度超过0.65的土层,由于成孔质量不好控制,拔管后容易产生缩颈、沉管时容易对邻近已回填夯实的桩体造成破坏,桩间土挤密效果差,不宜采用灰土挤密桩加固[1]。

1 灰土挤密桩的加固机理

1.1 土的侧向挤密作用

当采用沉管成孔时,桩孔部位的土被强制挤向桩孔周围的土体中,使桩周土被压缩、扰动、重塑,土体孔隙减小,土中气体逸出,土体密实度增大,压缩性降低,承载力提高。桩周土体被挤密程度由孔壁依次向外逐渐降低,孔壁附近土的干重度可接近甚至超过土体的最大干重度,也即压实系数λc可达到甚至大于1,而距孔壁1.5d～2.0d(d为桩孔直径)处,土体的干重度将降低到接近原始干重度。桩间土挤密效果试验表明,沉管对土体的挤密效果可以相互叠加,桩距越近,孔径越大,叠加效果越显著[2]。同时土的挤密效果还与土的天然含水率,土体的天然干重度有关。

1.2 灰土的物理化学反应

土体中掺入石灰后,首先,石灰中的Ca2+与土粒周围吸附的一价金属阳离子发生离子交换并吸附在粘粒周围,改变了土粒表面的带电状态,使土粒的吸水性能和膨胀性能大部分消除,土颗粒凝聚成团,增大了土粒的强度并使其粘性降低,改善了土的力学性质。其次,由于土颗粒表面与其周围介质的化学和物理变化,土颗粒表面大多带有负电,并在周围的空间形成电场,将介质中的水分子及游离的阳离子吸附于表面。同时,当散布在土颗粒表面或附近的氧化钙微粒与水接触时,氧化钙微粒表面被溶解,与水中的胶态氧化硅反应。生成具有半透膜作用的硅酸钙水合物包膜及其他复杂的水合物,包膜可优先让水渗入,氧化钙继续溶解。随着膜内渗透压的不断增加,包膜胀裂,盐溶液流到含有胶态氧化硅的水溶液内,生成新的硅酸钙胶凝物,形成放射状的管状纤维。硅酸钙水合胶凝管的不断生成,使周围土颗粒缠绕在一起,产生胶结强度,使拌和的灰土的强度大大提高,这是灰土桩强度提高的主要原因。在荷载作用下,为了保持桩体同桩间土之间的变形协调,应力向桩身发生集中,使复合地基承载力较原天然地基明显提高,沉降量明显减小[3]。

2 灰土桩的设计

2.1 桩孔直径、桩距和排距

国内目前挤密灰土桩施工大都采用沉管成孔工艺,桩管的直径为0.3 m～0.6 m,所以,桩径一般选用0.3 m～0.6 m。

桩距和排距通过计算或试验确定。而设计桩距和排距的目的在于使桩间土挤密后达到一定的平均压实度,桩间土的平均压实度为0.90～0.93。根据大量测试结果,按等边三角形布置与按正方形、梅花形布置相比,前者桩周土体挤密较均匀,有效挤密面积可达96%。因此,为了使桩间土得到均匀挤密,桩孔应尽量按等边三角形布置排列。但有时为了适应基础形式和尺寸,合理减少桩孔排数和孔数时,可适当采用正方形或梅花形布置。

2.2 处理范围、桩孔深度

灰土挤密桩的布置范围应超出基础底面边缘一定范围以增加地基的稳定性,防止基底下被处理土层在附加应力的作用下受水浸湿时产生侧向变形,并使处理与未被处理交界面的天然土体保持稳定。局部处理一般用于消除地基的全部或部分湿陷量或用于提高地基的承载力,通常不考虑防渗隔水作用。试验和工程实践表明对非自重湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基,每边超出基底边缘的宽度不小于0.25b(b为基础短边宽度),并且不小于0.5 m。在自重湿陷性黄土场地上,如要求完全消除地基土的湿陷量,每边应超出基底边缘的0.75b,并且不小于1 m。整片处理用于消除土层的湿陷性,同时还要求具有防渗隔水作用时,每边超出建筑物外墙基础外缘的处理宽度应大于基础局部处理的宽度,通常按压力扩散角或按处理土层厚度1/2确定,并且不小于2 m,以防止水从处理与未被处理土层的交界面渗入地基,提高整片处理地基的效果。

灰土挤密桩的处理深度应根据建筑物对地基的要求、地基的湿陷类型、湿陷等级、湿陷性土层的厚度,并结合打桩机械等条件综合考虑确定,桩长自基底算起一般不宜小于3 m。当以消除地基湿陷性为主要目的时,对甲类建筑,对非自重湿陷性场地,应将基础底面以下附加应力与上覆土的饱和自重压力之和大于湿陷起始压力的所有土层进行处理,或处理至地基压缩层的深度止;对自重湿陷性场地,应处理基础以下的全部湿陷性黄土层。乙类建筑,对非自重湿陷性场地,处理深度应不小于压缩层厚度的2/3,且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不应小于100 kPa;对自重湿陷性场地,处理深度应不小于湿陷层厚度的2/3,并将未处理土层的湿陷量控制在150 mm以内。当基础宽度较大或湿陷性土层厚度过大,处理2/3压缩层或2/3湿陷土层的厚度有困难时,在建筑物范围内应采取整片处理的方案,其处理深度对非自重湿陷性场地应不小于4 m,对自重湿陷性场地应不小于6 m。丙类建筑,对Ⅰ级湿陷性场地,地基最小处理深度应不小于1 m,且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于100 kPa;对Ⅱ级湿陷性场地,地基最小处理深度应不小于2 m,且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于100 kPa;对Ⅲ级和Ⅳ级湿陷性场地,自重湿陷性场地的最小处理深度分别不小于3 m和4 m,且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于200 mm[4]。

2.3 填料的选择

灰土填料中的土料应选用含蒙脱石、高岭石、伊利石、氯化物等矿物成分的黏土,且一般不允许含有机质、砖、瓦及石块,土料的pH值不宜小于7。当土料中小于60 μ m的颗粒含量小于35%时,应在石灰中添加适量的粉煤灰,而且土的颗粒不得大于15 mm。灰土中的石灰,一般应采用新鲜的消石灰(CaO),其颗粒不得大于5 mm[6]。

3 灰土桩的优点

与换土回填法相比无需开挖回填,因此,节约了开挖和回填土方的工作量,工期可以缩短大约一半。与钢筋混凝土桩相比,由于填入桩孔的材料具有就地取材的特点,工程造价可以降低许多,能取得较好的经济效益。与强夯法相比,由于不受开挖和回填的限制,灰土挤密桩的处理深度可以比较大,强夯法一般不超过8 m,灰土挤密桩处理深度可提高到12 m～15 m。同时,强夯法有较大的噪声污染而灰土挤密桩不产生噪声。与预浸水法相比,预浸水法适宜于深层湿陷性黄土层,自重湿陷量的计算值不小于500 mm的场地土层,一般工期长,施工难度大,需确定浸水时间、耗水量和湿陷量等诸多参数,而且6 m以上,尚应采用其他处理方法。与化学灌浆法相比,化学灌浆法处理地基成本高且处理后地基土的均匀性不好。

4 灰土桩处理湿陷性黄土地基的应用实例

4.1 工程概况及处理方案

西安市某5层综合住宅楼(局部6层),底部为产品展销大厅,上部4层为住宅,建筑物总长 72 m,建筑面积4 100 m2,底层为全框架结构,上层为砖结构,条形基础,基底设计荷载200 kPa。建筑场地位于填实的旧皇城护城河上,地貌单元属于渭河Ⅱ级阶地,从现在地面往下4.45 m～5.25 m深度内为杂填土,地下水埋藏于地面下3.46 m～3.63 m,地下水位以上的杂填土具有明显的湿陷性。由于场地土具有明显的湿陷性,并且地基承载力也低于设计要求,因此,必须进行地基加固。经研究论证,决定采用灰土挤密桩进行处理。灰土挤密桩按正三角形进行布置,间距2.5d(d为桩孔直径)。桩长4 m,穿透杂填土层支撑于粉质黏土层。灰土挤密桩桩径选用0.38 m。挤密的地基宽度为每边超出基础0.25b(b为基础短边宽度)。灰土挤密桩的桩身填料在地下水位以上采用2∶8灰土;地下水位以下采用3∶7灰土,并掺以适量水泥,以提高灰土的早期强度。

4.2 处理结果

本工程采用灰土挤密桩加固地基,处理效果良好,土体的物理力学指标有了明显的改善,湿陷性基本消除,地基承载力提高了近一倍。同时,本工程地基处理的工期为30 d,仅为一般地基处理工期的1/3左右。工程建成半年,通过沉降观测总沉降量约为20 mm,两柱间差异沉降小于1/1 000,远小于规范的要求。

5 结语

1)灰土挤密桩在成孔和夯实过程中,原处于桩孔部位的土体全部被挤入桩周土层中,可使桩周一定范围内的地基土得到挤密,承载力得到提高,湿陷性消除。适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土地基。2)灰土挤密桩与换填法、钢筋混凝土桩、强夯法、预浸水法、化学灌浆法相比,在处理湿陷性黄土地基时有许多优点,值得大力推广。

[1]龚晓南.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[2]刘景政.地基处理与实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[3]GB 50025-2002,湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[4]周新湘.湿陷性黄土地段路基填筑措施[J].山西交通科技,2003(12):7-8.

[5]齐志强.湿陷性黄土地基的处理方法[J].山西建筑,2009,35(11):106-107.

[6]吴军帅.灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基的试验研究[J].电力勘测,1997(9):1-4.