土挤密桩法消除黄土湿陷性的试验分析

贾淑敏，曹竹良

（1.河北省水利科学研究院，石家庄050057；2.河北省水利工程局，石家庄050000）

土挤密桩法首创于前苏联，主要用于消除黄土地基的湿陷性，至今仍是俄罗斯和东欧诸国处理湿陷性黄土的主要方法之一。

我国自20世纪50年代中期在西北黄土地区开始试验应用，长期以来，逐步在陕、甘、晋、豫等省区推广应用，取得了显著的技术经济效益，已是我国工程领域处理软弱地基和湿陷性黄土地基的主要方法。

1 基本原理

土挤密桩法是利用沉管、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，通过成孔过程中的侧向挤压作用，桩孔内的土被挤向周围，使得桩间土得以挤密，然后将备好的素土分层填入孔内，并夯实，形成的桩体称为土挤密桩。

用土挤密桩加固地基是一种人工复合地基，属于深层加固处理地基的方法，主要作用是提高地基承载力，降低地基压缩性。用于湿陷性黄土，则可以部分或全部消除黄土的湿陷性，这种施工方法可以就地取材，以土治土，原位处理，深层加固，并且费用较低，在西北及华北地区有比较广泛的应用。

2 设计与计算

2.1 采用土挤密桩法消除黄土湿陷性

宜按正三角形布桩，根据GB50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》的有关规定，孔心距可以按式（1）计算：

式中S为孔心距（m）；D为挤密填料孔直径（m）；d为预钻孔直径（m）；ρdo为地基挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度（g/cm3）；ρdmax为击实试验确定的最大干密度（g/cm3）；η軍c为挤密填孔（达到D）后，3个孔之间土的平均挤密系数不宜小于0.93。

2.2 成孔方法

考虑施工方便，处理深度不超过12m时，宜直接成孔，不宜预钻孔，挤密孔直径宜为0.35～0.45m，当挤密处理深度超过12m时，可以预钻孔，其直径宜为0.25～0.3m，挤密填料孔直径宜为0.5～0.6m。

2.3 最小挤密系数的计算

正三角形中心孔间土的最小挤密系数，可以按式（2）计算：

式中ηdmin为土的最小挤密系数：甲、乙类建筑不宜小于0.88，丙类建筑不宜小于0.84；ρdo为挤密填孔后，3个孔之间形心点部位土的干密度（g/cm3）。

2.4 孔内填土的压实系数

压实系数不宜小于0.97。

3 工程实例

南水北调中线工程永年县段，桩号74+500～75+095段属于Ⅰ（轻微）级～Ⅱ（中等）级湿陷性场地，需进行处理，由于该渠段距离村庄很近，采用强夯法处理，可能会给附近的民居造成一定的破坏，所以初步选择土挤密桩法进行加固处理，处理范围一般至堤身外坡脚外侧5m。为达到设计文件和技术规范的质量要求，在渠道地基进行素土挤密桩施工前，在桩号74+500～75+095段内先选200m长的渠段，进行了施工试验。

3.1 试验目的

根据现场的地质情况、工程的使用要求、施工设备能力及经验，通过现场试验，判定挤密桩加固地基能否满足设计要求，以及正确选取挤密桩施工参数，为施工提供可靠的依据。

3.2 工程地质情况

3.2.1 桩号74+500～74+700段

3.2.2 桩号74+700～75+055段

3.2.3 桩号75+055～75+095段

Q4壤土（局部夹粘土、砂壤土），地表至深度5.3～11.2m具有湿陷性，自重湿陷系数001～0.062，湿陷系数0.001～0.119，无～强湿陷性。渠道中部挖除后，该段场地自重湿陷量27～170 mm，湿陷量46～669 mm，属于Ⅰ（轻微）级非自重湿陷性场地～Ⅱ（中等）级自重湿陷性场地，湿陷性土主要分布于地表至深度5.3～8.5m。

3.2.4 试验区选择

由于桩号75+055～75+095段挤密桩范围较小不具有代表性；桩号74+700～75+055段湿陷系数小，不能代表其他段；桩号74+500～74+700段避免了以上两段的弊端；共布置2个试验区。左堤内坡为A试验区，桩号74+660～74+700；右堤内坡为B试验区，桩号74+660～74+700。

3.3 试桩选择位置

A试验区选择左堤内坡74+660～74+700段渠道内坡，B试验区选择右堤内坡74+660～74+700段，渠道内坡设置2段试验区，由于该段已填筑至渠顶高程，在试桩前先搭设打桩施工平台，平台搭设与顶桩齐平，平台顶宽7m。施工完毕后将平台土拆除移至外坡搭建施工平台，再进行渠底段挤密桩施工。

3.4 试验布桩参数的选取

3.4.1 孔间距的选取

孔间距是土挤密桩设计的最主要参数，孔间距直接决定了挤密效果的大小。在黄土的各个试验参数之间，湿陷系数和干重度、孔隙比、压缩模量之间的关系比较密切，相关性很好，在桩号段310个勘察阶段原状土样的实验结果分析中，177个样本具有湿陷性，平均干重度14.56g/cm3，平均孔隙比0.821，平均压缩模量4.12MPa-1，平均湿陷系数0.0373，133个样本不具湿陷性；平均干重度15.08g/cm3，平均孔隙比0.768，平均压缩模量10.48MPa-1，平均湿陷系数0.0075。本渠段用强夯法（3000kN·m）和翻压法处理后的土体的平均干重度要求在17.0g/cm3以上，处理后的土体不再具有湿陷性。可以看出处理以后的非湿陷性土样的平均干重度比具有湿陷性的原土样的平均干重度高出17%，理论上讲，通过挤密施工，如果能让孔间土的干重度提高17%以上，就可以消除其湿陷性，根据GB50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》的有关规定，以ρdo=1.45和带入公式中，可以求得设计桩间距为0.99m，试验施工时取1.0m。

试验时，选择桩间距1.3m和1.0m2种布置方式。

3.4.2 A试验区

A试验区试桩根数为270根，桩直径0.4m，平面呈正三角形布置，桩间距为1.3m，沉管成孔方法挤密成桩，分两序施工。

3.4.3 B试验区

B试验区试桩根数为418根，桩直径0.4m，平面呈正三角形布置，桩间距为1.0m，沉管成孔方法挤密成桩，分两序施工。

3.4.4 孔内填土

孔内填土分层夯实，压实系数不小于0.97。

4 试验检测

4.1 检测内容

688根土挤密桩试验施工完成后，在土挤密桩形成强度7d后进行检测。从处理面起至设计高程深度内每隔1m取样进行室内土工试验，检测项目有：土的含水量、密度、比重、饱和度、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、压缩系数、压缩模量、抗剪强度、湿陷系数。

4.2 主要参数检测结果分析

4.2.1 A试验区

4.2.1.1 施工前的主要参数

4.2.1.2 施工后的主要参数

桩间土挤密后处理深度范围内湿陷性黄土湿陷系数0.001～0.028，部分大于0.015的界限值，依据GB50025—2004《湿陷性黄土地区的建筑规范》有关规定，该土层未消除湿陷性；桩间土平均挤密系数均小于0.93 的界限值，不满足JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》要求；该试验区桩体，夯填压实系数均不小于0.97。该试验区不合格。

4.2.2 B试验区

4.2.2.1 施工前的主要参数

4.2.2.2 施工后的主要参数

桩间土挤密后处理深度范围内湿陷性黄土湿陷系数0.001～0.013，均小于0.015的界限值，依据GB50025—2004《湿陷性黄土地区的建筑规范》有关规定，该土层已不具湿陷性；桩间土平均挤密系数均不小于0.93的界限值，满足JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》的要求。该试验区桩体，夯填压实系数均不小于0.97。桩距为1.0m×1.0m的挤密桩满足设计及规范要求。

4.2.2.3 现场试桩和室内试验对比

桩直径0.4m、平面呈正三角形布置、桩间距为1.3m布桩未能消除黄土状壤土地基的湿陷性；桩直径0.4m、平面呈正三角形布置、桩间距1.0m布桩可消除黄土状壤土地基的湿陷性，可不再进行减小桩间距试桩。因此施工过程中采用桩直径0.4m、平面呈正三角形布置、桩间距1.0m布桩控制施工参数。

5 结语

挤密桩处理湿陷性黄土地基的深度大，施工速度快。挤密桩施工对附近已有建筑物的影响小，因此挤密桩施工适用范围大，施工干扰小。但其施工费用相对较高，因此在施工或设计前，在现场进行试桩、原位测试和室内试验，总结取得试验成果，根据试验成果，在满足地基处理要求的前提下选择合理的施工或设计参数，可将挤密桩施工费用降至最低。

［1］GB50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范［S］.

［2］JGJ79—2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［3］《工程地质手册》编委会.工程地质手册（第四版）［K］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［4］河北省水利水电第二勘测设计研究院.南水北调中线漳古段SG3标湿陷性黄土处理技术要求［R］.2011.

［5］河北省水利工程局.SG3标湿陷性黄土土挤密桩试验报告［R］.2012.

［6］GB/T50123—1999，土工试验方法标准［S］.