灰土挤密桩在湿陷性黄土地区客运专线梁场地基处理中的应用

康艳飞

（中铁十七局集团有限公司，山西太原030006）

1 概述

郑西客运专线灞河特大桥在DK444+350左侧设临潼制梁场。场地内的黄土状土具有湿陷性，湿陷性黄土的分布深度为2.50～8.50 m，湿陷系数最小0.000，最大 0.112,平均值0.022，自重湿陷系数最小值 0.004，最大 0.024，平均值 0.006，属Ⅰ（轻微）～Ⅱ（中等）非自重湿陷性黄土场地，承载力特征值160 kPa。

场地内地下水属于潜水类型，地下水位埋藏深度在9.30～12.2 m之间。地下水主要为上覆黄土类土，粉质粘土和砂类土中的孔隙水。其主要补给方式为大气降水和地下径流补给。并通过自然蒸发、人工开采和径流排泄。

场地地基土的组成自上而下为：人工填土、第四纪全新世冲洪积黄土状土、冲击砂类土及粉质粘土、第四纪晚更新世冲击粉质粘土等。

2 工艺原理

（1）黄土的强结构性及孔隙是产生工后沉降的主要原因，灰土挤密桩技术由于在施工过程中因冲击振动而对桩周土体充分扰动，使大孔隙黄土的原有结构受到破坏，且变得结构紧密，从而大大提高了抵抗湿陷和振陷的能力，减少了沉降。

（2）在成桩过程中，桩间土也受到很大侧向挤压力，同样也被挤密加固，形成了强制挤密区、挤密区及挤密影响区，提高了桩周土体模量，减小地基整体压缩变形。

（3）采用较重夯锤，孔内加固原材料单位面积受到高动能、强夯击，使地基土受到很高的预压应力，桩体强度高、模量大。实践表明，处理后的地基浸水或加载都不会产生明显的压缩变形。

（4）由于桩体及桩间土均得到了有效加固，复合黄土地基的整体刚度较均匀。

3 灰土挤密桩的设计

客运专线梁场重要结构物较多，主要有制梁台座、存梁台座、门吊（40 t～60 t）轨道基础、轮轨式提梁机（900 t）轨道基础等。该部分重要结构物直接关系制梁、存梁、提梁、运梁的质量和安全，对地基要求相当严格。一般其对地基的承载力特征值要求均在250 kPa以上，对地基的沉降特别是不均匀沉降极为敏感，其沉降要求以mm级，如制梁台座承担900 t客专箱梁、150 t模板及附属设施、300 t自重等的荷载，工况复杂，初张拉制梁台座两端受力相当集中，其对地基的不均匀沉降要求控制在2 mm之内。以上的梁场结构物因为对地基变形有着特殊的要求，其地基和基础设计均按甲级进行设计。

3.1 桩径、桩孔间距、排距的确定

3.1.1 桩径的确定

桩孔直径宜为300～450 mm，设计桩径时，根据当地常用设备规格、型号或成孔方法选用，参考西安当地和郑西客专湿陷性黄土路基处理普遍选用桩径为400 mm。

夯填后孔径：根据重锤夯填扩孔经验公式，夯填后扩孔直径：

D＝（1.1～1.2）d+30＝1.15×400+30≈500（mm）

3.1.2 桩孔间的中心距的确定

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025-2004）的规定，按三角形布置的灰土挤密桩的孔中心距：

式中：S——孔心距，m，待求；

D——挤密填料直径，m，取0.5 m；

d——预钻孔直径，m，取0.4 m；

ρdmax——击实试验确定的最大干密度，g/cm3，据西安经验值为1.6 g/cm3；

ρd0——地基挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度，g/cm3,取地勘报告1.3 g/cm3；

ηc——填控后，三个孔之间土的挤密系数，取0.93。

得：S＝0.887 m，取 S＝0.9 m。

即为桩孔中心距取为0.9 m。

3.1.3 排距的确定

为使桩间土得到均匀挤密，桩孔布置成等边三角形排列排距：

s＝0.866S＝0.866×0.9=0.799（m）

3.2 地基承载力的确定

据西安建筑设计院公式有：

式中：fspk——复合地基承载力特征值，kPa，待求；

fpk——灰土桩承载力特征值，kPa，取为500 kPa；

fsk——天然地基承载力特征值，kPa，按地勘报告取为160 kPa；

A——有效加固面积m2，A＝Ap＋As；

Ap——灰土桩截面积，m2；

As——桩间土受压面积，m2；

k1——系数，取为0.96；

k2——系数，取为1。

式中：m——置换率。

式中：d——桩身平均直径；

de——一根桩分担的地基面积的等效圆直径，对等边三角形布桩de＝1.05s（s为桩间距）。

得：m＝0.28

得：fskp＝250 kPa<（2×160 kPa＝320 kPa）

3.3 变形模量的确定和计算

根据公式：

式中：Ep——桩体的压缩模量，对于灰土桩可取其变形模量值，根据西安一带灰土挤密桩变形模量经验值一般为29～36 MPa，取平均值32 MPa；

Es——桩间土的压缩模量，此处保守取为地勘资料6.48 MPa。

得：Esp＝mEp＋（1－m）Es＝13.62（MPa）

即为其压缩模量。

3.4 确定灰土挤密桩参数

（1）桩径沉管挤孔桩径400 mm，重锤夯填料扩孔至500 mm；

（2）桩距900 mm，桩孔排距779 mm；

（3）置换率 0.28；

（4）桩长：根据现场黄土地基深度进行确定，以全部消除湿陷性黄土湿陷性为准，因其处理深度为中砂层顶面，有湿陷性黄土，其最大处理深度为8.5 m，保护桩长不小于0.5 m～0.7 m（做褥垫层前人工清除保护桩长）；

（5）桩身材料：桩身材料采用3:7灰土,掺加填料重量4%水泥,桩身填料夯后压实系数不小于0.97，桩体无侧限抗压强度不小于1 MPa；

（6）处理后桩间土：处理后桩间土最小挤密系数不小于0.84，平均挤密系数不小于0.93；

（7）处理后复合地基承载力：处理后复合地基承载力特征值不小于250 kPa；

（8）褥垫层：厚度500 mm，三七灰土，其压实系数不小于0.95。

3.5 桩的布置

平面布置型式正三角形网格布置；其布置范围应按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）规定，超出建筑物外墙基础底面外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应小于2 m，具体布置详见图1所示。

4 施工技术要点

4.1 工艺试验

在应用灰土挤密桩进行正式地基处理施工前，通过试验确定天然地基土和制桩材料的最大干密度、最佳含水量及其击实试验曲线，并在现场选择有代表性的地段进行试验或试验性施工，试验内容包含成孔、孔内夯实质量、桩间土挤密情况、单桩桩体强度和承载力特征值、桩间土承载力特征值、复合地基承载力特征值。试验结果应满足设计要求，并取得必要的参数后再进行大面积地基处理施工。

4.2 成孔工艺

成孔采用锤击或振动沉管。

（1）定桩位、桩机就位。根据桩基轴线标出桩位线并复测后，移动桩机至桩孔位置，机身应平稳，管桩应对桩孔对正，并确保施工中不发生倾斜，位移。

图1 郑州至西安铁路客运专线临潼梁场灰土挤密桩平面布置图

（2）成孔。成孔施工顺序先外排后内排，同排桩间隔1～2孔进行。

（3）检查桩孔的深度、桩径、和垂直度。桩孔中心偏差不宜超过桩距设计值的5%，桩孔垂直度偏差不宜大于1.5%。

4.3 灰土拌制

灰土按要求的灰土配合比，采用机械拌制至颜色均匀一致，边拌边加水达到试验室确定的最佳含水量。灰土填料通过击实试验取得取大干密度和最佳含水量。

4.4 桩孔回填夯实

（1）夯实机就位后应保持平整稳固，夯锤与桩孔中心距要相互对中，使夯锤能自由下落孔底。

（2）夯填前应检查孔径、孔深、孔的倾斜度、孔的中心位置，合格后还应检查桩孔内有无杂物、积水和落土，若有，须清理干净，填料前应先夯实孔底（夯次不得小于8～10次），夯到有效深度以下30 cm～50 cm，直至空地发出清脆响声为止，然后保证填料含水量接近最佳含水量的状态下，定量分层夯填。

（3）人工填料应指定专人按规定数量均匀填料，不得盲目乱填，更不允许用运料车直接倒料入孔。

（4）填料、夯击交替进行，均匀夯击至设计标高以上20 cm～30 cm时为止，桩顶至地面空档可采用素土轻击处理，待做桩上灰土垫层时，将超出设计桩顶的桩头和松动土层挖除。

（5）为保证夯填质量，规定填入孔内的填料量、填入次数、填料的拌和质量、含水量、夯击次数、夯击时间等均应有专人操作、记录和管理，并对上述项目按不应少于总桩数1.5%进行抽样随机检查。对于施工完毕的桩号、排号、桩数应逐个与施工图对照检查，如发现问题应立即返工或补填、补打。

4.5 质量检验标准（见表1）

表1 质量检验标准一览表

4.6 施工注意事项

（1）在进行灰土挤密桩作业前应在所在地充分进行勘察和调查，结合所在地区使用灰土挤密桩经验和工程实例分析，并选择有成熟施工经验和机械的队伍。在确定各种施工工艺前应进行成桩工艺、桩身材料配合比、地基加固效果有关试验工作，以证实灰土挤密桩方案的可行性并取得合理的设计和施工参数。

（2）松动层的预留：应在基顶标高以上预留0.5 m～0.7 m松动土层，在做褥垫层前由人工清除，禁止使用挖机清除保护桩长，基底标高以上0.5 m宜采用人工开挖，防止桩端头断裂。

（3）原材：土料，尽量利用就地挖出纯净黄土，土料中有机质含量不得超过5%，不得使用挖出的砂土，土料中不得含有砖块、瓦砾、生活垃圾、杂土、和粒径超过50 mm的碎石，土粒不得大于15 mm，含水量应接近最优含水量；石灰应使用消解后石灰，粒径不得大于5 mm，石灰质量应符合Ⅲ级以上标准，活性CaO＋MgO含量不低于50%；灰土配合比（体积比）为3∶7，当含水量超过最优含水量的±3%时，应予晾晒或洒水浸湿，在配置灰土过程中，需均匀加水浸湿、搅拌均匀、颜色一致，并应随拌随填孔，不得隔日使用。

（4）在实际灰土挤密桩沉桩施工中，应通过下沉难宜程度掌握土层变化规律，并采取相应的措施，以确定桩底。

5 结语

在郑西客专湿陷性黄土地区梁场地基处理中运用灰土挤密桩进行加固，取得了很好的效果。处理后的地基承载力均达到300 kPa以上，压缩模量达到13.62 MPa，湿陷系数满足了小于0.015的要求，在有效地消除黄土地基湿陷性的同时提高了梁场地基的承载能力。灰土挤密桩处理后的梁场地基满足了设计对地基承载力的要求，能有效地控制地基的工后沉降，满足梁场正常生产要求。