灰土挤密桩在湿陷性黄土地区地基补强中的应用

强科亮

（兰州市政建设集团有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

我国的湿陷性黄土主要分布于东北、西北、华中和华东部分地区。位于西北地区的甘肃兰州，正处于湿陷性黄土区域，地质湿陷性显著。随着兰州市城市市区建设用地的日益减少，城区地下空间的开发利用逐渐成为今后城市建设的一个重要方面。为满足城市交通需求，城区市政道路建设中大量采用了地下箱涵通道作为城市交通道路。而在湿陷性黄土地质之上修建建筑物，地基承载力必须满足设计要求。为了提高湿陷性黄土地区建筑物地基承载力、防止地基失稳对建筑物造成破坏，在工程实际中应用了目前较为成熟的灰土挤密桩地基补强技术。本文结合兰州市西津西路下立交工程中采用灰土挤密桩进行地基基础补强实例，就其施工工艺、施工原理进行分析和探讨[1，2]。

1 工程概况

兰州市西津西路下立交工程位于城市主干道道路地下，整个通道为钢筋混凝土全现浇箱涵结构，埋深3 m，箱涵基础位于湿陷性黄土地基中。地质条件按照地貌单元划分，属于黄河南（右）岸Ⅱ级阶地，场地地层上部为第四纪风冲积——洪积碎屑沉积物，主要为填土、黄土状粉土。经过试坑浸水试验，实测自重湿陷量为12 cm，属于自重湿陷性黄土地质；地勘报告显示湿陷等级为Ⅱ级，土体物理力学性质较差。地基处理采用灰土挤密桩，处理面积20 176 m2。

2 湿陷性黄土湿陷机理

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，黄土在形成过程中，土中所含的碳酸盐、硫酸钙等盐分在土颗粒表面析出，相互凝结形成一种胶结构晶体，将土体颗粒粘接在一起，使得土体颗粒之间不能够密切结合，形成孔隙，类似于骨架——孔隙结构。其土质较均匀、结构疏松、孔隙大，肉眼可见。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，水分子进入土体颗粒之间，造成盐类物质溶解，破坏了原有的胶结结构，土体抗剪强度迅速降低，在自重或外力作用下土骨架迅速崩塌，土体结构迅速破坏，强度迅速降低，形成湿陷。

所以在湿陷性黄土地质上进行建筑物建设，应根据建筑物的重要性和在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基遇湿塌陷对建筑物产生危害。

3 灰土挤密桩补强机理

灰土挤密桩法，是用冲击或振动方法，把圆柱形钢质桩管打入原地基，拔出后形成桩孔，然后在桩孔中分层填入用石灰和土按一定体积比例（3∶7）拌和的灰土，并在桩孔内夯实灰土，形成增大直径的桩体，并同原地基一起形成复合地基，达到消除土体湿陷性，提高地基承载力的目的。特点在于不取土，挤压原地基成孔。回填物料时，夯实物料进一步扩孔。其作用机理是：

（1）灰土混合料在化学性能上具有气硬性和水硬性，石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，形成胶体凝聚，并随灰土龄期增长，土体固化作用提高，使土体逐渐增加强度。同时，灰土中的石灰吸湿膨胀，挤压周围土体，增加挤密地基效果，从而消除土体湿陷性，提高地基承载力。

（2）灰土挤密桩在桩孔成型过程中，桩孔周围的土体受到沉管的挤压和强振动，机械挤压力以桩孔为中心呈横向水平辐射。周围的土体受振动和挤压力双重作用，原有土体孔隙结构遭破坏，土颗粒之间紧密结合，使得土体密实度增加，土层湿陷性消除。

（3）在灰土挤密桩地基中，灰土桩与桩间挤密土相互作用，形成了复合地基，能够共同承担竖向荷载，地基承载力较高。

4 施工设计方案

地基加固设计：

（1）加固类型选择。由于湿陷性黄土厚度达8～12 m，因此地基可以采用桩长14 m的挤密桩进行加固，挤密桩钻孔直径为0.40 m，呈正三角形布桩。

（2）挤密桩间距的选择。挤密桩的挤密影响半径为2～3.0D(D为桩径直径)，挤密桩相邻两孔中心距应在0.8～1.2 m之间。结合应力叠加最佳效果，选择挤密桩相邻两孔中心距为0.9 m。

5 灰土挤密桩施工技术

5.1 施工工艺流程

施工准备——场地平整——测设高程、布置桩位——石灰进场、熟化、灰土拌制——试桩、机械打桩成孔——清底夯——桩孔夯填土——夯实成桩——试验检测。

5.2 灰土挤密桩施工过程

5.2.1 施工前的准备工作

（1）试桩。在施工前，先进行成孔、夯填工艺和挤密效果试验，然后对分层填料的厚度和相应的夯击次数、一次成桩的长度和振动锤功率等进行确定。主要试验内容：桩间土的标准贯入试验、复合地基荷载试验以及单桩承载力试验。最少进行两次试桩，直到施工所需各项参数收集齐全、设备运转正常、达到施工要求时进入正式的施工生产。

（2）灰土材料。配合比选用石灰与土体积比3∶8。石灰用Ⅲ级及以上的新鲜块灰，使用前1～2 d消解并过筛，筛除粒径大于5 mm的颗粒和未熟化的生石灰块粒及其他杂质。在使用前对钙、镁的含量进行测定，含量不符合规范要求的不得用于施工中。拌合用土使用前过筛，其颗粒不大于15 mm。土的塑性指数在14左右，不得使用有机质含量大于10%的有机土料。

（3）场地平整。在施工前，对施工场地进行清理和平整，以便于桩机的移机、就位。

（4）定位测量。在施工前，施工人员按照施工图纸对构筑物轴线进行定位、放样。在自检合格的基础上邀请现场监理验线，合格后进行桩位放样工作。轴线测量和桩位放样的精度符合设计和规范要求。

（5）桩机就位后，对桩管的垂直度进行校正，确保桩尖和桩中心在同一直线上，从而确保桩身施工的垂直度。

5.2.2 沉管成孔

（1）在施工开始时，应轻击慢沉。当桩管方向稳定后，按照正常的速度进行沉管。当桩管沉到设计深度后，将桩管拔出，桩孔形成。

（2）成孔后，先用夯实机械夯实孔底，夯实次数不少于8击，直到听到清脆锤声为止。然后分层进行回填夯实，直至达到桩顶设计标高。

5.2.3 桩孔石灰土填夯施工

在填夯施工前，先进行填夯试验，对每层填料数量和夯击次数进行确定。经过试验，每次回填厚度300 mm，夯击次数不少于12击，直到听到清脆锤声为止，然后进行上一层的填料夯实，如此循环作业。最后，灰土桩顶标高高出设计桩顶标高不小于5 cm为止。

5.3 操作要点

5.3.1 桩位的布置

本工程项目采用整片处理方式，处理面积超出构筑物外墙基础底面外缘的宽度，每边7 m，桩间距0.9 m，桩位按照正三角形布置。

5.3.2 处理深度

根据本工程所处湿陷性黄土地基土质情况、成孔及夯实设备的机械参数，在满足现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50025－2004有关规定的前提下，地基处理深度为14 m。

5.3.3 地基承载力

地基处理后，地基承载力不小于180 kPa。

5.3.4 成孔和回填夯实

（1）成孔和孔内回填夯实的施工顺序，从里（或中间）向外间隔1～2孔进行，采取分段施工的方法。

（2）向孔内填料前，孔底应夯实，并抽样检查桩孔的直径、深度和垂直度。桩孔的垂直度偏差小于1.5%，桩孔中心点的偏差不超过桩距设计值的5%。

5.4 施工过程中特殊情况处理方法

（1）夯打时桩孔内有渗水、涌水、积水现象可将孔内水排出地表，或将水下部分改为混凝土桩或碎石桩，水上部分仍为土（或灰土）桩。

（2）沉管成孔过程中遇障碍物时可采取以下措施处理：

a.用洛阳铲探查并挖除障碍物，也可在其上面或四周适当增加桩数，以弥补局部处理深度的不足。

b.当遇到未填实的墓穴、坑洞、地道等面积不大，挖除不便时，可将桩打穿通过，并在此范围内增加桩数，或从结构上采取适当措施进行弥补。

（3）夯打时造成缩颈、堵塞、挤密成孔困难、孔壁坍塌等情况，可采取以下措施处理：

a.当含水量过大缩颈比较严重时，可向孔内填干砂、生石灰块、碎砖碴、干水泥、粉煤灰；如含水量过小，可预先浸水，使之达到或接近最佳含水量。

b.遵守成孔顺序，由里向外间隔进行。

c.施工中宜打一孔，填一孔，或隔几个桩位跳打夯实；

6 质量控制

6.1 质量控制标准

灰土挤密桩处理地基质量检验标准符合表1规定。

6.2 灰土挤密桩质量检验

检验方法和要求：

（1）在施工前，应对桩尖土进行标准灌入的试验，对各土层强度增长情况进行比较，从而对土层的承载力进行判定；

（2）复合地基承载力采用静载试验方法。检验数量不得低于总桩数的0.3%，不少于3点，而单桩承载力的检验数量不得低于总桩数的2%；

（3）桩体现场的检测，检测内容有桩径、桩距、桩长和桩体土。用钢卷尺对桩距、桩径进行现场测量；用钻孔取芯方法对桩长、桩体土进行检测；用人工探井环刀取原状土样检验法对桩间土进行检测。

（4）成桩后，及时抽样检验灰土挤密桩处理地基的质量。检查内容有：施工记录、全部处理深度内桩体和桩间土的干密度、平均压实系数和平均挤密系数。抽样检验的数量，不少于桩总数的1.5%。

表1 土和灰土挤密桩复合地基质量检验标准

6.3 检测结果

桩基施工完成7 d后，用环刀法对桩体灰土压实系数进行检测，测得平均压实系数为0.97，满足设计不小于0.97的要求；用环刀法对桩间土体进行试验检测，测得平均挤密系数为0.95，满足设计不小于0.93的要求；通过静载试验测得复合地基承载力为188 kPa，满足设计不小于180 kPa的要求。实践证明，在湿陷性黄土地区，用灰土挤密桩进行地基基础补强措施是可行的，效果是比较好的。

7 结 语

本工程通过采用湿陷性地区灰土挤密桩补强地基基础措施，箱涵主体结构稳定，工程投入使用以来未发现沉陷迹象，说明地基承载力达到了预期的设计目的。表明采用灰土挤密桩进行地基补强技术是一种消除湿陷性黄土的湿陷性、增强湿陷性黄土地基承载力的重要方法。该方法具有施工工艺简单、机械设备投入少、投资小、技术可靠、质量保证、地基处理后承载力高、施工效率高、节能环保等优点。这种地基补强方法在我国湿陷性黄土地区地基处理领域中值得借鉴和参考。