浅析灰土挤密桩的地基加固原理及其在湿陷性黄土地区的工程应用

■孙 昭，范冠先 ■.陕西省机关事务管理房屋修建处，陕西 西安 70006;.西安建筑科技大学，陕西 西安 70055

1 引言

湿陷性黄土地基的“土桩挤密法”由前苏联阿别列夫教授于1934年提出来的，桩孔可采用沉管、爆炸或冲击等方法取得，至今此方法依然应用于俄罗斯和东欧各国的湿陷性黄土地区。自50 年代中后期，我国的甘、陕、晋、豫及华北等黄土地区先后逐步开展了灰土挤密桩的试验研究和应用推广。70 年代开始对灰土(或土)桩挤密湿陷性黄土地基和杂填土地基进行系统研究，并随着机械化程度提高，在湿陷性黄土地区大量采用，甚至在有些地区大面积应用于消除黄土地基的自重湿陷性，其效果较为显著。近些年来，随着经济建设步伐加快，灰土挤密法在湿陷性黄土地区公路建设等方面应用也较为广泛，特别是用于消除厚度较大的黄土地基湿陷性和处理大量的填土地基。灰土挤密桩和土挤密桩的作用和工艺设备基本上相同，但灰土挤密桩对提高承载力、降低土的压缩性、减小变形等方面效果更为显著。

2 灰土挤密桩的加固机理

2.1 灰土挤密桩的概念

湿陷性黄土的主要特征是干密度小而孔隙比大，这也是其产生湿陷性的根本原因。试验研究与工程实践已经证明，当黄土的压实系数和干密度达到某一标准值时，其湿陷性便可消除。灰土桩挤密法正是基于这一原理，利用沉管、爆炸、冲击等方法在地基中挤土，形成桩孔(直径为25～60cm)，然后向孔内夯填素土或灰土。桩体与桩间挤密土体共同作用，提高黄土地基的承载力并消除其湿陷性。

2.2 桩间土挤密原理和特点

挤土成孔或沉桩对桩周土的挤密作用，可采用圆孔扩张的理论来描述。当处在极限平衡状态时，圆孔外围将出现塑性区，弹性区出现在塑性区之外，土体处于弹性状态，如图1 所示。

图1 圆柱形孔扩张

图2 桩周土挤密系数ηc试验结果

塑性区内土体因挤压孔隙率减小、密度增大，塑性区之外的土体仍处于弹性状态。桩间土侧向挤密不同于一般碾压和夯实土的情况，属于土体的侧向挤压。它挤入的土体一般是定量的，挤入量与桩距及桩径的大小有关，其挤密效果还与土层的干密度、含水量以及土的强度指标等密切相关;与夯实扰动土或分层碾压相比，挤密土的不均匀性更为明显。

图2 表示现场试验测得的单桩挤密效果变化情况。在有效挤密区内，桩间土的挤密系数从桩边至两桩中点或桩中心点逐渐减小，中心点处挤密效果最低。桩间土挤密系数的不均性是客观存在的，因此评价挤密效果应以平均挤密系数为准。

图3 表示相邻两桩挤密的试验结果。由此可见，合理的桩孔中心距常在(2.0～3.0)d 的范围内。群桩试验结果表明，相邻桩孔挤密区交接处的挤密效果相互叠加，桩孔中心部位上土的干密度会有所增大，并使桩间土的干密度变得较为均匀。从图(3)可看出，挤密桩的桩距越近，挤密效果的叠加越明显。

图3 同一场地不同桩距挤密效果

图4 灰土桩桩身的分段荷载(σ)及桩周摩阻力(f)的分布

灰土桩身的应力测试结果如图4 所示。在竖向荷载作用下，在一定深度内桩体即产生压缩变形及侧向膨胀，在(6～10)d 深度以下其值趋近于零。桩体自身的强度特别是上层灰土的质量和强度决定了灰土桩的承载力。荷载试验的结果表明，灰土桩面积只占压板面积20%却承担了总荷载的50%左右，对降低了基础底面一定深度内土中应力、消除了持力层内产生的压缩变形和湿陷变形产生有利影响。此外，灰土桩能够约束桩间土的侧向变形并增加土体的强度，由于桩间土只产生竖向压密变形，压力与沉降大致呈线性关系，复合地基的承载力和变形模量得到提高。

3 灰土挤密桩复合地基的主要特点及其影响挤密效果的因素

3.1 灰土挤密桩复合地基的主要特点

(1)灰土挤密法不同于分层碾压或夯实扰动土的方法，它属于一种横向挤密，它不但可达到所要求加密处理后的密实度指标，同时使得处理后的地基更加均匀;(2)相比与土垫层法，灰土挤密桩无需开挖回填，有着节约工作量，缩短工期的优点;(3)不受开挖和回填土方的限制，不需要大面积开挖，处理深度更大(5m～15m);(4)填入桩孔的材料是素土、灰土、石灰等廉价材料，可以就地取材，不但可以节约成本还可以减少工作量，通常造价低于一般性湿陷性黄地基处理方法，有良好的经济效益和可行优质的技术效果。

3.2 影响灰土挤密桩挤密效果的因素

影响灰土挤密桩挤密效果的主要因素有土的含水量和土的原始干密度。土的含水量达到其最佳含水量时，挤密效果最好;土的含水量偏小时，土的强大和硬度都比较大，不容易被挤压密实且挤密有效半径减小，造成沉管、冲击成孔和拔管等的施工困难;土的含水量过高时，由于挤密引起超孔隙水压力，使土体只能向外围移动而难以挤密，同时孔壁附近的土强度降低，容易产生桩孔缩径等现象。其次，土的原始干密度对挤密范围及效果也有影响，原始干密度小时，挤密有效范围小，效果也差。原始干密度是设计桩间距的基本依据。综上所述:成孔挤密效果在于土的含水量，桩距大小决定于土的干密度。在多数情况下，凡温陷性的黄土一般均可挤密成孔和有效。

4 灰土挤密桩地基的施工及其质量控制

4.1 灰土挤密桩的施工程序

(1)平整场地，组织好排水系统，对有防雨要求的机械设备尤其是电源处，做好防雨工作，确保施工安全。(2)测量放样并设定桩位。用钢钎为每个桩位作点，并用白灰作为标志，按三角形方式布置桩位，并给每个桩位编号。(3)备料:施工前，备齐施工所需材料，生石灰和土要准备妥当。拌和一般采用现场拌制，拌合标准为拌合料颜色一致且其含水量保持在最优含水率左右，“手捏成团，落地开花”为鉴定其含水率的标准，配好的灰土要做到当日日使用。(4)成孔:安装好桩机，复查桩架和桩位，检查机械并调整适当后开始成孔。核实桩相关指标包括桩径、桩长、桩位偏差、垂直度等，如发现有缩孔现象或沉管速度与试桩时相比差异较大时，需及时拔管检查，发现异常情况，及时通知监理和设计单位，洽商后采用相应的处理方法，灰土挤密桩的成孔顺序采用隔点跳行法施工。(5)夯填成桩:采用试桩确定下料的参数进行下料，填料前对孔底进行夯实，直至出现清脆声后方可夯填，回填料以锤型夯锤压实。灰土夯填至标高后，做好相应标志，夯填紧跟桩机，以免随着时间延长产生缩孔影响成桩质量。

4.2 灰土挤密桩的施工质量问题处理

(1)成孔困难。当土的天然含水量ω ≤12% 可认为土体含水量较低，此状态下的土一般呈坚硬状态，挤密效果较差，容易塌孔，导致成孔困难。这时可通过预先浸水来提高土的含水量，使土的含水量达到最佳含水量，然后再进行成孔。(2)沉管速度显著减慢。对于人工填土地基，当遇到了石块、砖渣、混凝土块等夹层;对于湿陷性黄土场地，当遇到了卵石层砂、角砾等时，会出现沉管速度减慢和桩锤回弹量变大的情况。这时需要特别注意桩管垂直度的变化，同时减小桩锤的落距，并减缓沉管速度。(3)沉管速度猛然加快。一般是遇到了孔洞、、软弱层、墓穴时沉管速度会明显加快，这时可以提出桩管，填入土料、砂质土料(填料高度要大于软弱层厚度30cm～50cm)，然后再进行沉管挤密，反复上述步骤数次，直至贯入速度正常为止。(4)场地局部地段含水量ω ≥24% 或饱和度Sr ＞65%时，一般会出现塌孔、渗水、缩颈、桩孔周围土隆起等现象。可以采用的处理办法:出现局部轻微缩颈的现象时，用洛阳铲削扩桩颈，直至达到设计要求并立即回填夯实。当桩孔缩颈现象较严重时，可在孔内填入生石灰块、干散砂土、碎砖渣，等待一段时间后，再将桩管沉入土中重新成孔。(5)拨管困难。采取措施:向桩管周围及孔内注入适量的水减小摩擦或者把桩管旋转活动后再继续拨管。

5 结论

通过灰土挤密桩复合地基的原理及应用分析，得出了以下几点结论:(1)灰土挤密桩可以较大程度的提到复合地基的承载力，对消除黄土的湿陷性具有显著效果。(2)挤密桩对桩间土挤密效果有显著的改善作用，且挤密桩与土组成的复合地基能够充分发挥桩土作用。(3)用灰土挤密桩法进行地基加固的方法，属于“地表作业，深层加密”的原位地基处理方法，它不但利用来原来土体的结构特性，在此基础上形成了桩和土体联合地基，使得土体的强度和水稳定性得到改善;灰土挤密法加固地基还有节约材料、土方用量少的优点，在处理湿陷性地基问题中具有广泛的发展前景，值得应用推广。

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