灰土挤密桩处理厚层新素填土方法研究

李志亮，杨庆义，纪成亮

(山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 250010)

随着近年来经济快速发展，工程建设领域越来越多的遇到填土地基问题，对于素填土地基，常用的处理方式为换填垫层法、挤密桩法、强夯法等，作者结合工程实例，探讨了采用灰土挤密桩法处理新近堆积厚层素填土的可行性，验证了设计、施工参数，为类似工程处理提供借鉴经验。

1 工程概况

该工程为青海西宁郊区某电力工程，工程场地内上部广泛分布黄土状粉土层，层厚为2.80～15.50 m；部分地段因场地平整，分布厚度6.00～8.20 m的新素填土；下伏密实卵石层；素填土分布地段(此地段未分布黄土状粉土)附属建筑物采用灰土挤密桩地基处理方案。

1.1 场地地层条件

场地位于湟水河南岸，地貌单元属山前斜坡地与湟水河高阶地过渡地带；地层岩性主要为第四系素填土、黄土状粉土、卵石；下伏第三系泥质砂岩、泥岩，具体见表1，地下水赋存于卵石层及基岩裂隙中。

表1 场地地层条件

1.2 素填土特性分析

场地内素填土为场地平整时，将挖方地段黄土状粉土及少量卵石挖运堆积于地势低洼的填方地段而形成，主要成分为黄土状粉土，局部混卵石，堆积时间仅为半年，因此应定性为粉性新素填土。

填土堆积方式为短期内翻斗车倾倒、推土机推进堆填方式，堆填厚度6.00～8.20 m，未分层碾压，仅上部因堆填机械运行产生一定压密效果，根据堆填方式初判填土层在水平及竖向有一定均匀性；根据现场试样密度试验结果，填土干密度平均值1.30 g/cm3，此干密度未考虑局部卵石分布的影响，介于堆积密度与黄土密度之间；从干密度数值结合其形成原因判断，粉性新素填土层结构松散，具有高压缩性，且具有一定湿陷性，需进行处理后才能作为小型或一般建筑物持力层。

2 处理方案

2.1 地基处理方案

填土区附属建筑物采用灰土挤密桩对素填土进行处理，灰土挤密桩的处理深度须穿透素填土层，到达②卵石层顶面，复合地基承载力特征值不小于180 kPa。

2.2 参数设定

2.2.1 桩身填料

考虑到场地内素填土结构松散，具有高压缩性，为满足建筑物对复合地基承载力要求，确定采用三七灰土作为桩身填料，桩体压实系数不小于0.96。

2.2.2 桩径与桩距

本次采用桩径500 mm灰土挤密桩，桩间距计算如下：

式中：s为桩间距(m)；d为桩孔直径(m)，取0.50 m；d为地基挤密前被处理土层的平均干密度(g/cm3)，素填土干密度为1.30 g/cm3；ρdmax为桩间土最大干密度(g/cm3)，依据黄土状土轻型击实试验结果最大干密度为1.73 g/cm3；λc为地基挤密后，桩间土的平均挤密系数，本试验按0.93计算；η0为形状系数，正三角形布桩为0.952。计算得s=1.09 m，本次桩间距选择1.10 m。

2.2.3 复合地基承载力估算

式中：fspk为复合地基承载力特征值(kPa)；fpk为单桩承载力特征值(kPa)，取500 kPa；fsk为桩间土承载力特征值(kPa)，挤密处理后桩间土fsk取110 kPa；m为桩土面积置换率，本工程 m=18.7%。

计算得试验区二fspk=183 kPa，与设计所要求180 kPa基本一致。

3 施工方案

3.1 施工材料

(1) 消石灰与土(场地内黄土)的体积配合比为3∶7。

(2) 灰土拌合所用土料应性质稳定，不得使用含有冻土块、生活垃圾以及有机质含量大于5%的耕土、淤泥质土，同时不得使用膨胀性土和盐渍土。

(3) 消石灰的质量应合格，有效(CaO+MgO)含量不得低于60%；本工程消石灰检测参数见表2。

表2 消石灰粉技术指标统计

(4)灰土应拌和均匀，回填前含水量应接近最优含水量，允许偏差应为±2%；灰土击实试验结果见表3。

表3 击实试验技术指标统计

3.2 地基土参数

成孔时，地基土含水量宜接近最优含水量，本次施工前地基土击实试验及含水率试验结果见表4。

表4 击实试验及含水率指标统计

地基土天然含水量为平均值为12.8%，接近最优含水量13.8%，且不小于12%，可不进行增湿作业。

3.3 施工设备

本次采用锤击沉管方式成孔，成孔设备采用DD35型导杆柴油打桩机，沉管底口封闭，底部管箍外径450 mm；夯实设备采用电动自行式卷扬夯实机，夯锤重1.5 t，夯锤直径300 mm，高3.0 m，锤底凸出呈锥形。

3.4 施工工艺

3.4.1 成孔工艺

成孔采用锤击成孔方式，为防止桩孔周围地面隆起以及成孔困难，采用三遍成孔方式，每一遍间隔两排。成孔顺序见图1。

3.4.2 夯填工艺

每遍成孔完毕立即进行回填夯实，回填夯实流程如下：夯机整平稳固并对准桩孔中心→底夯→填料→夯实填料→上层填料→夯实上层填料→至桩顶标高→夯机移位；夯填时应先底夯，夯击次数一般为8～10击；单层填料量0.10～0.15 m3(虚填厚度约50～80 cm)，夯锤落距2.0～5.0 m，每层锤击次数7～10击。由于夯实时桩体上部与桩体下部夯锤落距的差异，在夯填距桩顶标高3 m以下桩体时，锤击数控制在7～8击，夯锤落距不小于5.0 m；当夯填3 m以上桩体时，锤击数控制在9～10击，夯锤落距不小于3.0 m。为增加基底下桩间土挤密效果，在设计桩顶标高以上增夯0.50 m，该部分在载荷试验检测前挖除。

图1 成孔顺序示意图

3.4.1 参数统计

桩孔成孔及夯填主要参数见表5、表6。

表5 成孔参数统计

表6 夯填参数统计

3.5 环境影响

根据经验，本次成孔及夯填施工过程中地面震动影响范围为50 m、噪音影响范围大于200 m，灰土拌合期间存在扬尘可能；为有效消除或降低灰土挤密桩施工带来的环境影响，应采取夜间停止施工、施工材料抑尘覆盖的环保措施。

3.6 施工方案综合分析

(1) 成孔施工时三遍成孔总锤击数以及最后1 m锤击数呈现递增的趋势，说明成孔施工对桩间土起到一定的挤密作用，且三遍成孔挤密叠加效应明显。

(2) 回填夯实前必须进行底夯，本试验底夯次数一般控制在8～10击；由于成孔及邻孔夯填施工产生的振动、成孔设备提升刮擦孔壁等原因，夯填前桩孔底部可能塌落一定厚度的虚土，塌落虚土厚度不应大于90 cm且底夯后孔底压实土厚度不应大于30 cm，如不满足上述要求，则应采取二次成孔或洛阳铲掏土清孔的处理措施。

(3) 灰土挤密桩施工成孔直径450 mm，挤密后桩体直径478～515 mm，平均500 mm。

(4) 因素填土局部混卵石，该层土夹石厚度约为0.2 m～2.0 m；该区域成孔期间，桩孔由于土夹石导致塌孔严重，施工期间对该部分桩孔进行素土回填并二次成孔，二次成孔未发生塌孔现象。

(5) 由于夯填施工时桩体上、下部夯锤落距的差异，在夯填距桩顶标高3 m以下桩体时，夯锤落距不小于5 m，锤击数控制在7～8击；夯填3 m以上桩体时，夯锤落距不小于3 m，锤击数控制在9～10击，上述措施有效解决了上部土体因上覆压力低而不易挤密的情况。

4 质量检测

4.1 桩体压实效果

桩体密实度数据见表7。

表7 桩体密实度检测数据统计

桩体压实系数均不小于0.96，平均值0.97，满足规范要求；桩边缘处压实系数小于桩中心处，但差异不大。

4.2 桩间土挤密效果

桩间土挤密效果检测数据见表8。

表8 桩间土挤密效果检测数据统计

桩径外100 mm处平均挤密系数为0.99，三桩中心平均挤密系数为0.98，数据表明桩间土在水平及竖向密度均匀，挤密效果良好，满足设计要求。桩间素填土干密度最小1.71 g/cm3，根据经验，可以间接判断处理后桩间素填土无湿陷性。

4.3 湿陷性消除效果

本次对桩间素填土进行了湿陷性试验检测，处理深度内桩间土湿陷系数0.003～0.007，表明处理后桩间土无湿陷性。

4.4 复合地基承载力

本次共布置三点平板载荷试验，最大加载至540～600 kPa，承压板累计沉降量30.66～34.91 mm，p－s曲线均出现明显陡降段，见图2，可认为三点均已加荷至破坏状态，灰土挤密桩复合地基承载力特征值取240 kPa、变形模量取17 MPa。

图2 代表性检测点p－s曲线

4.5 复合地基压缩模量

通过测定桩体及桩间土试样压缩模量计算复合地基压缩模量如下：

式中：Esp为复合土体的压缩模量(MPa)；Ep为桩体压缩模量(MPa)，试验得21.6 MPa；Es为桩间土压缩模量(MPa)试验得19.7 MPa；m为复合地基置换率，m=18.7%。

计算得：复合土体的压缩模量为20.1 MPa，建议取15 MPa。

5 结语

(1) 三七灰土挤密桩桩径500 mm、桩距1.10 m处理后粉性新素填土复合地基承载力特征值可达240 kPa、变形模量可达17 MPa，该特征值下载荷试验对应沉降量约10 mm。

(2) 灰土挤密桩处理厚层新素填土地层效果明显，桩间填土挤密效果明显，处理后密度大幅度提高，且水平及竖向均匀性较好，处理后无湿陷性。

(3) 施工过程中应充分考虑成孔孔底落土、上部桩间土不易挤密等问题，并采取相应措施解决。

(4) 挤密桩法施工对邻近场地有振动、噪音、扬尘等环境影响，施工时应采取有效措施解决。

[1]DL/T5024－2005，电力工程地基处理技术规程[S].