水泥土挤密桩在大厚度湿陷性黄土地区渠道地基处理中的应用研究

孙章平

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

引洮二期供水工程是172项重大水利工程项目之一，是甘肃中部干旱区会宁、通渭、安定、陇西、静宁、武山、甘谷、秦安等八县区经济社会发展的唯一水源工程，工程以城乡生活、工业供水为主。工程区地处陇西黄土高原，海拔在1500～2620m，相对高差一般<300m。工程所在地分布有不同时代、不同成因的黄土。渠道大部分位于湿陷性黄土地基上，主要有马兰黄土及洪积黄土状土，以及全新统洪积黄土状土。湿陷厚度变化较大，一般为10～20m，局部可达30m左右。

在湿陷性黄土地基中，经常会出现由于渠道渗漏、雨水冲刷等原因造成渠基湿陷破坏的现象。甘肃地区渠道湿陷性破坏的工程实例有：靖会工程甘沟干渠地基分布最广的为上更新统马兰黄土，分布厚度一般为3～10m，最厚达15m以上，地基处理采用原土翻夯1.5～2m，其上设水泥土垫层300mm，运行过程中由于渠道渗漏，造成基础沉陷，变形严重；引大入秦工程东二干某隧洞连接段明渠，表层为4m厚粉质黄土状土，设计时采用原土翻夯，运行不到10年，渠身开始裂缝，渠道变形等。各种工程实例表明，工程出现渗漏破坏的薄弱地段，主要发生在明渠、暗渠、隧洞连接段等施工条件相对简单而容易被忽视的渠段，而不是施工条件复杂的隧洞、渡槽等建筑物。因此，湿陷性地区渠道设计应予以重视，选择经济合理的地基处理方式，对渠道安全运行至关重要。

本文以引洮二期工程总干渠末端渠道为例，介绍了水泥土挤密桩主要设计方法及处理效果的检验，对类似工程具有一定的借鉴意义。

1 黄土湿陷性机理及评价

1.1 黄土地基湿陷性机理

湿陷性黄土具有结构疏松、孔隙比大、遇水湿陷等特性。目前国内外学者对黄土湿陷性机理提出了许多假说，欠压密理论主要认为湿陷性黄土由于气候干燥少雨，土中水分不断减少，盐类析出，胶体凝结，产生了粘聚力，形成以粗粉粒为主的大孔隙结构。当土体湿度不大时，在自重或外力的情况下，不足以克服土中粘聚力。当土体受水侵湿时，结合水渗入颗粒之间，粘聚力减小或消失。在自重或外力作用下，土体发生下沉湿陷。

1.2 地基湿陷性评价

根据引洮二期工程总干渠末端试验数据，判定该段地基湿陷性等级，并以此为依据，选择经济合理的地基处理方式。湿陷性黄土地基湿陷等级应根据自重湿陷量和湿陷量计算值综合确定，由表1计算值可得，Δzs为1212mm，Δs为1332mm，该地段为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅳ级(很严重)。

式中，δzsi—第i层土的自重湿陷系数；hi—第i层土的厚度，mm；βo—陇西地区取1.5；

表1 湿陷性黄土地基的湿陷等级判定表

式中，δsi—第i层土的湿陷系数；hi—第i层土的厚度,mm；β—考虑基底下地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数，基底下0～5m深度内，β=1.5；5～10m深度内，β=1；10m以下至非湿陷性黄土层面，在自重湿陷性黄土场地，取工程所在区βo。

自重湿陷量计算深度自天然地面算起，至非湿陷性黄土层顶面为止，其中自重湿陷性系数δzsi<0.015土层不计。湿陷量计算深度自基础底面(基底标高不确定时，自地面下1.5m)算起；在自重湿陷性黄土场地，累计至非湿陷性黄土层顶面为止，其中湿陷系数δsi<0.015土层不计。

2 地基处理方案比选

目前，因不同地质条件，不同构筑物形式，地基处理方式不同，地基处理主要有预浸水法、垫层法(灰土垫层、水泥土垫层等)、强夯处理、灌注桩、挤密桩等方法[5]。预浸水法是将黄土湿陷性地基预先用水浸湿，以达到消除湿陷性目的。该方法可消除地面6m以下地基土全部湿陷性，操作简单，然而该方法处理时间长，水量浪费大，对工期紧、水资源匮乏工程，不宜适用。垫层法为渠道常用浅层处理方法，该方法一般处理厚度为1～3m，处理厚度有限，对于大厚度湿陷性黄土而言，剩余湿陷量大，渠道安全系数较低。强夯法是利用夯击能克服土颗粒摩擦力做功，使土颗粒密实，从而消除湿陷性，该方法可处理深度一般为3～12m，在成片构筑物、施工场地较大时应用较多。对渠道而言，一般离村庄、山坡较近，不宜采用。灌注桩法进行地基处理时，建筑荷载可通过灌注桩直接传至稳定地基，该方法成本高、工期长。挤密桩法采用机械成孔，然后利用填料分层夯填，在造孔及成桩过程中，对桩间土有一定的挤密作用。由于桩间土受较强侧限、挤密作用，孔隙率减小，渗透系数降低，可形成阻止渠道渗漏水、雨水等浸入深层地基土的阻断层，提高地基土的防水抗渗性。因水泥土具有良好的隔水防水和提高地基承载力双重作用，本工程选用水泥土挤密桩。水泥土挤密桩处理深度可达5～15m，目前较广泛应用于建筑、交通等行业，在水利行业渠道地基中应用较少。

3 水泥土挤密桩方案设计

3.1 地基处理深度确定

目前，GB 50025—2004《湿陷性黄土地基规范》及JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》主要针对建筑及整片构筑物，而类似渠道狭长型的构筑物设计，只能参考相关规范标准执行。引洮二期工程供水对象重要性为重要，且渠道地基受水浸湿可能性较大，因此渠道属于丙类构筑物。根据规范要求当地基湿陷等级为Ⅳ级时，下部未处理湿陷性黄土的剩余湿陷量不应大于200mm。

本工程的湿陷性黄土厚度达18m，当渠道地基处理深度为5m时，剩余湿陷量为325mm，大于规范要求。如满足规范要求，则处理深度达8～10m。较大的地基处理深度，将增加施工难度和工程投资。以本段暗渠(长610m)为例，采用水泥土挤密桩处理，处理深度10m比5m约增加投资60多万，渠道投资增加10%左右，显然不够经济合理。当丙类建筑剩余湿陷量大于《湿陷性黄土地区建筑规范》要求但不大于2倍时，应采取防水措施、结构措施和维护措施；当大于2倍时，应专门研究。因此渠道地基处理深度可适当放宽，建议剩余湿陷量控制以不大于规范规定值的2倍为宜。由于暗渠基础挖深一般大于5m，综合考虑后，地基处理深度为5m。

3.2 水泥土挤密桩桩径及桩距设计

为更好增加桩间土密实度，消除地基湿陷性，宜采用沉管挤密施工法，而不采用预钻孔夯扩挤密(DDC)。渠道设计时为减少湿陷性地基处理深度、防止暗渠冻胀破坏，应适当加大埋深。该段渠顶覆土厚度一般在2.5～3m左右，另外考虑车辆等荷载，设计地基承载力不小于200kPa。根据施工方法、工期要求及工程经验，本工程采用桩直径为400mm。挤密桩间距可按以下方法初步确定。

式中，λ—单桩承载力发挥系数，λ可取1；fsk—根据试验资料，该段桩间土承载力特征值为0.13～0.15MPa；β—桩间土承载力发挥系数，取0.9～1；Ap—桩截面积；fcu—根据试验得出，该基土10%水泥土28d龄期强度为2.9～3.1MPa；m—面积置换率。

经计算，桩间距在800～900mm之间可满足承载力要求，为保守起见，采用桩间距800mm。

3.3 结构与排水措施

挤密桩处理深度为5m，未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量325mm，大于规范要求，暗渠设计时应采用相应的结构、排水措施。由于夯实水泥土桩变形模量大于桩间土变形模量，为调整基础应力分布，保证桩、土共同作用，在桩顶铺设500mm水泥土垫层。在侧墙内侧加设30×30cm贴角，以减小转角处的应力集中，避免暗渠产生裂缝。为防止暗渠不均匀沉降，每8m设一道伸缩缝，缝宽20mm，缝内距迎水面12cm设橡胶止水带，迎水面填缝材料采用双组份聚硫密封胶；为防止伸缩缝失效内水外渗，在暗渠底部及左右侧墙铺设复合土工膜(两布一膜，500g/m2)加强防渗。暗渠回填尽量恢复至原地面，在开挖深度较大，采用部分回填，在回填顶面设排水沟，将雨水排到渠外。

4 挤密桩处理效果检验

4.1 复合地基承载力检验

为检验复合地基承载力，对处理后地基进行单桩复合地基静载试验，承压板采用圆形钢板，如图1所示，面积为一根桩承担面积。由计算可得面积置换率m为0.1256，单桩承担面积为0.554m2，选择承压板直径为0.84m。

图1 单桩复合地基静载试验

根据试验数据，得到单桩复合地基的P-S关系曲线如图2所示。

图2 单桩复合地基P-S曲线

分析图2可知，该P-S关系曲线无明显拐点，为缓变型曲线，最大加载力为设计值2倍。地基相对变形值s=0.008b(6.72mm)所对应的荷载306kPa，最大加载力一半为200kPa，两者取小值，该试验点承载力特征值为200kPa，满足设计要求。处理前天然地基承载力特征值为130～150KPa，由此可见，水泥土挤密桩可显著提高地基承载力。

4.2 桩体及桩间土挤密试验

桩体及桩间土干密度采用回转钻机钻芯取样，在桩长处理范围内，每隔1m取原状土样。桩体试验结果见表2，压实系数随深度变化如图3所示。

分析表2可知，桩体土含水率为11.4%～16.9%，干密度为1.62～1.67g/cm3，压实系数为0.97～1.0，满足规范要求。由图3可知：桩体内不同深度压实系数较均匀。由此可见，水泥土挤密桩施工时，通过合理控制分层厚度、夯实击数等施工参数，桩体内压实系数均可达到理想效果。

表2 桩体填料试验结果

图3 桩体填料不同深度压实系数曲线

在桩间布置三个探井，每隔1m取原状土样。桩间土含水率、挤密系数及湿陷性等试验结果见表3。

分析表3可知，桩间土含水率在15.5%～18.0%之间，最小干密度为1.58g/cm3，最小挤密系数为0.929，δs最大值为0.012，δzs最大值为0.009。由此可见，采用桩径400mm、间距800mm挤密桩，地基处理范围内桩间土湿陷系数及自重湿陷性系数均小于0.015，黄土湿陷性全部消除，满足规范设计要求；总体规律为干密度与湿陷性系数成负相关。结合本地区大量试验可得，黄土地基一般干密度ρd≥1.5g/cm3时，基本上无湿陷性，此结论为快速判定黄土湿陷性提供一定依据。

已建引洮一期工程中采用挤密桩处理暗渠段，通水运行4年多，运行情况良好。在本工程中，挤密桩地基处理深度5m，剩余湿陷量为325mm，大于规范要求，但处理范围内地基湿陷性全部消除，地基性质得到明显改善，加上结构及防水措施，工程安全度大大提高，工程可正常运行。

表3 桩间土试验结果

5 结语

本文结合工程实例，通过对地基湿陷性等级判定，采用水泥土挤密桩，水泥土垫层和复合土工膜防渗等综合处理方式，取到了良好的经济质量效果。建议在大厚度湿陷性黄土中，渠道地基处理深度可适当放宽，以剩余湿陷量不大于规范要求值2倍为宜，同时采用相应的结构、排水措施。剩余湿陷量具体控制值有待进一步研究确定。在今后渠道工程中，应根据工程重要性、湿陷性黄土厚度、湿陷等级、施工场地等实际情况，采用一种或几种组合方式进行处理，以找到更加经济合理的处理方案。