湿陷性黄土地基的无振动挤密处理新技术研究

贾 鋆

(中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

湿陷性黄土地基的无振动挤密处理新技术研究

贾 鋆

(中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

随着我国工业与民用建设等级不断提升，对工后沉降和变形的控制要求更加严格。在湿陷性黄土区的隧道，既有运营线路及车站，房屋等小空间、狭小场地，以及对施工振动有严格控制要求的施工场地中，现有湿陷性黄土地基的处理方法及施工设备有一定的局限性。根据特殊施工要求，研发了竖向静压、竖向倒拔、横向静压的无振动挤密处理设备，进行了现场参数试验和处理效果评价。研究结论：采用竖向倒拔、横向静压的方法对湿陷性黄土地基进行挤密处理时，施工设备能够实现小型化、轻便化和无振动，处理效果能够满足相关规范要求。

湿陷性黄土；地基处理；无振动挤密

1 概述

中国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，其范围北起阴山山麓，东北至松辽平原和大、小兴安岭山前，西北至天山、昆仑山山麓，南达长江中下游流域，面积约63万 km2。这一广大地区是我国文明历史的发祥地，长期以来人类经济活动频繁、进行了大量的基础工程建设。由于黄土的自身结构存在着特殊性，导致其具有湿陷性且承载力不能满足设计要求，所以在施工前必须对湿陷性黄土地基进行处理，处理方法多样，施工机具种类繁多。随着我国社会经济的快速发展，铁路、公路、房屋等建设等级不断提升，对工后沉降和变形的控制要求更加严格，所以现有湿陷性黄土地基的处理方法及施工机具在特殊施工场地中受到了一定的限制，需要针对相应的工况条件进行新技术和新设备的研发工作。

2 特殊场地湿陷性黄土地基的施工要求

2.1 小空间场地施工要求

我国已在黄土地区修建了大量的普通铁路隧道、普通公路隧道等小空间构筑物，由于设计标准低，除将洞门基础进行换填处理外，一般情况下没有对基础做特殊处理，结构没有发生明显的沉降情况。但随着我国国民经济的快速发展，在黄土地区大规模兴建高速铁路、高速公路等高等级的基础设施，对基础的工后沉降控制要求严格，均要求对湿陷性黄土地基进行处理。

根据郑西高速铁路大断面湿陷性黄土隧道的施工要求，隧道内地基处理时施工容许高度小于6.7 m，宽度小于7.8 m。在既有工民建、古建筑的湿陷性黄土地基加固处理中，施工容许空间小于3 m，这就要求相应的施工设备实现小型化。

2.2 狭小场地施工要求

在位于城市中心的建筑群中进行湿陷性黄土地基处理时，施工场地受周围建筑物或构筑物的影响而非常狭小。如既有运营火车站、货场等列车通过密度高，地下管线复杂，地上配电线路纵横交错，为减小或避免对既有线干扰，地基处理时的施工空间将非常狭小。

在狭小场地进行湿陷性黄土地基的挤密加固处理施工中，施工设备必须能够满足场地的特殊要求，需要小巧灵活、易于操作，且施工干扰小。

2.3 严格控制振动的场地施工要求

穿越湿陷性黄土层的铁路隧道、公路隧道因施工中的洞体开挖，使土体原有受力状态受到了扰动，施工中的振动易造成隧道土体破坏、山体开裂、塌方。相关规范对隧道初期支护的施工振动没有相应控制标准，根据郑西客运专线大断面湿陷性黄土隧道地基挤密桩施工振动监测与分析结果显示，湿陷性黄土隧道施工时的振动安全要求波速为0.02～0.03 m/s[1]。

随着现代工业的迅速发展，城市规模日益扩大，施工中产生的振动对都市生活环境和工作环境的影响引起了人们的普遍关注。振动的主要危害表现为对建筑物安全的影响，以及室内环境中对人体舒适度的影响[2]。为防止住宅建筑(含商住楼)内部振动源对室内居住者的干扰，并便于对住宅建筑内设备振动的控制设计，《住宅建筑室内振动限值及测量方法标准》(GB/T 50355—2005)、《城市区域环境振动标准》(GB 10070288)等国家标准规定了住宅建筑室内的铅垂向振动加速度级(La)昼间Ⅰ级和Ⅱ级限制分别为76～90 dB、81～95 dB，夜间Ⅰ级和Ⅱ级限制分别为73～87 dB、78～92 dB[3]。振动加速度级的计算公式为

La=20×lg(a/a0) dB

其中，a为加速度有效值，a0为基准加速度，我国取1×10-5m/s2。

因此，在对振动有严格控制要求的施工场地，采用冲击挤密的冲击锤、振动打桩机、柴油锤打桩机等具有较大振动的机械设备不再适用。

3 无振动挤密处理方案

3.1 土体挤密反力分析

(1)竖向土体挤密反力

在湿陷性黄土地基的挤密处理中，土体挤密反力按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中对黏性土中混凝土预制桩取值[4]，竖向静压挤密锥头的极限侧阻力qsik和极限端阻力qpk如表1所示。

表1 静压锥头极限侧阻力qsik和极限端阻力qpk标准值 kPa

若静压挤密锥头的锥尖角度为33°，垂直高度为50 cm，母线长度为52 cm，最大直径为30 cm，挤密锥头竖向荷载由侧阻力qsik和端阻力qpk两部分组成。随着土体被挤密的同时，土体的侧阻力和端阻力由锥尖向两侧逐渐增大，如图1所示。

因此，直径30 cm的挤密锥头所受天然土体反力Fs1计算如下

Fs1=Fsik+Fpk=cos(33°/2)·S侧·qsik+sin(33°/2)·S侧·qpk=0.96×0.25×86+0.28×0.25×2 300=181.6 kN

若土体挤密过程中，土体变得越坚硬，则土体侧阻力与端阻力均变得越大。当土体挤密后，土体挤密反力Fs2计算如下

Fs2=Fsik+Fpk=cos(33°/2)·S侧·qsik+sin (33°/2)·S侧·qpk=0.96×0.25×105+0.28×0.25×3 800=291.2 kN

图1 φ30 cm竖向挤密锥头示意(单位:cm)

由以上计算可知，在湿陷性黄土地基挤密处理过程中，若采用直径为30 cm的挤密锥头进行竖向静压挤密时，竖向反力近似在181.6～291.2 kN。

(2)水平向土体挤密反力

若将直径20 cm、高50 cm的横向挤密装置置于预成孔中，如图2所示，进行分段挤密，则所受天然土体反力Fh1计算如下

Fh1=S侧·qpk=0.314×2 300=722.2 kN

同样在挤密过程中，土体变得越坚硬，则土体端阻力变得越大。当土体挤密后，土体挤密反力Fh2计算如下

Fh2=S侧·qpk=0.314×3 800=1 193.2 kN

由以上计算可知，在湿陷性黄土地基挤密处理中，若采用直径为20 cm的横向挤密装置进行横向静压挤密时，水平反力近似在722.2～1 193.2 kN。

图2 φ20 cm横向挤密装置示意(单位：cm)

3.2 竖向倒拔无振动挤密构想

本文在3.1节中进行了竖向静压土体挤密反力的初步估算，按照《锚杆静压桩技术规程》(YBJ227—1991)中的规定，最终压桩力为设计单桩垂直容许承载力的2.0倍[5]，即实际的竖向土体挤密反力配重为363.2～582.4 kN。如此大的反力配重，使施工设备无法实现小型化和轻便化。

因此，如图3所示，若采用竖向倒拔的方式将特制倒拔无振动挤密装置置于预成孔底部，然后采用液压系统将该装置的头部加压张开，再以地面为反力支撑点采用液压起重系统将该装置一次性竖向拔出而达到挤密的目的。

图3 竖向倒拔无振动挤密设备示意

竖向倒拔无振动挤密方案的构想，使竖向土体挤密反力通过液压系统完全转化为地面的支撑力，无需额外配重，可以实现设备的小型化和轻便化。

3.3 横向静压无振动挤密构想

本文在3.1节中对横向挤密装置的反力进行了初步估算，若从预成孔的孔口开始，利用轻型卷扬机将特制的横向无振动挤密装置置于预成孔中一定深度(350～558 mm)，再利用液压系统将该装置的撑土叶片张开完成挤密，然后收拢撑土叶片，再利用卷扬机将挤密装置向下吊入一定深度(350～558 mm)进行挤密。如此反复操作直至设计深度，如图4所示。

图4 横向静压无振动挤密设备示意

横向静压无振动挤密的构想，通过特制的横向无振动挤密装置将挤密反力完全转化为液压压力，无需额外配重，无需特殊支撑，可以实现设备的小型化和轻便化。

4 无振动挤密处理试验

为检验湿陷性黄土地基无振动挤密处理技术的可行性，在兰州东出口桃树坪隧道4号斜井附近的杨洼沟库房取土平台上进行了竖向倒拔和横向静压无振动挤密的基本参数试验。

4.1 竖向倒拔无振动挤密

竖向倒拔无振动挤密试验中，直径为150 mm的预成孔采用GX-100地质钻机进行排土预成孔，然后由φ150 mm的预成孔扩径至φ350 mm的挤密孔，需分别采用1号、2号、3号倒拔无振动挤密装置分级成孔，各级变径范围分别为150→200 mm、200→300 mm、300→350 mm。倒拔无振动挤密装置类型及相应最大起拔力如表2所示。

4.2 横向静压无振动挤密

(1)台阶式锥形挤密方法

表2 竖向倒拔无振动挤密最大起拔力

横向静压挤密作业时系统压力在6.4～7.8 MPa，换算后负荷为68～96 kN。

(2)分级横向挤密方法

空载时该“横向挤密装置”撑土叶片的张合时间分别为3 s，挤密作业中系统压力为15 MPa时(75 kN)，撑土叶片的张开时间为8 s，闭合时间为3 s。按10 m孔深计算，每级横向挤密装置需20～30 min完成。

4.3 无振动挤密处理效果评价

为验证利用无振动挤密设备处理湿陷性黄土地基的可行性，进行以“竖向倒拔无振动挤密设备”为主的样机加工试制。完成了62个孔径为350 mm，孔间距分别为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 m，孔位呈正三角形方式布置，孔深为8 m的无振动挤密孔成孔试验。

挤密成孔试验完成后，针对不同的孔间距，对三孔之间的黄土原状样进行了采集，共采集到58组试样，并进行了湿陷系数、挤密系数等室内土工试验，部分试验结果如表3、图5所示。

表3 三孔之间黄土挤密系数及湿陷性汇总

图5 3孔之间黄土挤密系数对比曲线

从表3、图5可以看出，当桩间距为0.6、0.7 m时，桩间土的湿陷性完全消除，平均挤密系数均大于0.9，最小挤密系数均大于0.88，均满足《铁路工程地基处理技术规程》(TB 10106—2010，J 1078—2010)的要求。当桩间距为0.7 m时，桩间土的挤密系数满足《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)的具体要求。

因此，采用无振动挤密处理技术加固处理湿陷性黄土地基时，完全能够满足规范要求，能够满足特殊场地的施工要求，能够保证高速铁路及甲、乙类建筑的地基稳定性。

5 结论

(1)湿陷性黄土地基挤密处理中小型无振动挤密设备的土体挤密反力可通过液压系统进行转化，可消除设备小型化与较大挤密反力之间的矛盾。

(2)小型竖向倒拔无振动挤密设备，可使竖向挤密反力通过液压系统完全转化为地面的支撑力，存在着钢丝绳容易断裂、表层土体全部被扰动而松散等缺点，但无需额外配重，成孔速度快。

(3)小型横向静压无振动挤密设备，通过特制的横向无振动挤密装置将挤密反力完全转化为液压压力，存在施工速度较慢的缺点，但无需额外配重，无需特殊支撑，处理效果最好。

(4)采用小型无振动挤密设备对湿陷性黄土地基进行挤密处理后，能够消除桩间黄土的湿陷性，处理效果能够满足相关规范的具体要求。

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A New Vibration-less Compaction Technology for Collapsible Loess Foundation

JIA Yun

(Northwest Research Institute CO. Ltd. of China Railway Engineering Corporation， Lanzhou， Gansu 730000)

With the advance of industrial and civil construction grade， the requirements for controlling post-construction settlement and deformation are getting stricter. The existing methods and equipments have certain restrictions and shortages for treatment of collapsible loess foundations where requirements for vibration control are mandatory， such as the existing line and station， buildings of small space and narrow site. To meet special construction requirements， a new vibration-less compaction equipment and technology is developed with vertical static pressure， vertical pull down and lateral pressure， and details site parameter test and treatment effects evaluation. The compaction method with vertical static pressure and lateral pressure to treat collapsible loess foundations has made it possible to have construction equipment minimized， portable and vibration-less， and the treatment meet the specifications．

Collapsible loess; Foundation treatment; Vibration-less compaction

2013-12-11；

：2013-12-26

贾 鋆(1983—)，男，助理工程师，E-mail：jiayuncareer@sina.cn。

1004-2954(2014)09-0048-04

U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.012