DDC深孔强夯技术在解决湿陷性黄土问题中的运用

张少朋

摘要：通过在景中高速公路中研究深孔强夯（DDC）对湿陷性黄土处治的技术可行性研究，为湿陷性黄土区采用深孔强夯（DDC）处治湿陷性施工提供相关参数，形成行业内技术基础参考资料，为类似地质条件的深孔强夯（DDC）施工提供依据。

关键词：公路路基;湿陷性黄土;DDC深孔强夯;试验

Abstract： By studying the technical feasibility of the treatment of collapsible loess by DDC in Jingzhong Expressway， it provides relevant parameters for the treatment of collapsible construction by DDC in collapsible loess area， and forms technical reference materials in the industry to provide basis for DDC construction under similar geological conditions.

Key words： highway subgrade;collapsible loess;DDC;test

0  引言

景中高速公路JZ7合同段湿陷性黄土分部广，且多为Ⅱ级以上自重湿陷，处理规模大，质量风险高，需采取适当黄土湿陷性工程处理措施，降低施工风险和公路后期运营风险。根据工程地质、地形、水文、周边环境等特点，本项目拟采用深孔强夯（DDC）进行湿陷性黄土的处治。为了验证DDC法处治湿陷性黄土的可行性，本项目进行了DDC深孔强夯处治湿陷性黄土的试验研究。验证技术可行性的同时，积累了DDC法处治湿陷性黄土的施工技术和经验，为后续大面积施工提供依据。

1  工程简介

景中高速公路JZ7合同段项目位于中川镇镜内，地处黄土丘陵区。黄土丘陵顶部浑圆，谷地开阔，上部覆盖第四系上更新统马兰黄土，岩性以浅黄到灰黄色粉土、粉砂为主，土质均匀，干燥，结构疏松，具有大孔隙，可见虫孔及植物根系，具有湿陷性。第四系中更系统和下更新统的地层构成黄土丘陵的基座。黄土直立性较好，路基开挖形成的黄土边坡较稳定，但黄土中落水洞十分发育，存在雨水冲刷坡面。冲沟内部多为松散的第四系全新统晚期堆积物，岩性以淡黄色粉土为主，局部夹粉砂、细砂透镜体，土质均匀，松散，干燥，具有水平层理，可见植物根系和虫孔。此类洪积物多被人工平整，改造为台阶状梯田，其承载力较低，工程地质性质很差。不良地质主要有黄土陷穴、人工洞穴、黄土深切冲沟及碎落。特殊性岩土主要有湿陷性黄土、盐渍土及人工填土，其中湿陷性黄土遍布本标段路基全线。

为确保工程施工安全、质量、进度和成本，我部开展湿陷性黄土地区特殊路基处理综合施工关键技术研究，为类似工程提供理论和实践的指导。

2  黄土基本物理性质

按JTG E40–2007 《公路土工试验规程》对土样开展试验，得到比重2.7，塑限19.1%，液限24.2%，塑性指數5.1，颗粒级配如图1，大于0.075mm粒径含量不超过50%，含水率5.35～13.14%。

经土工试验，本项目路基所经处多为Ⅱ级以上自重湿陷性黄土。

3  处理方法的初步选定

目前工程中对黄土湿陷性的处理主要有垫层法、振动/冲击碾压法、强夯法、挤密法、预浸水法，目的是破坏黄土的疏松结构，降低其孔隙比，达到消除或减少黄土湿陷性的目的。不同方法适用范围和处理深度不同，根据土质特性、地形地势、水文特点、区段长度、周边环境，结合填土材料、机械设备条件、工艺方法等，选择合适的处理方法。如处理不好，将对路基后期运行将产生严重后果。本项目根据土质特性、处理深度、要求的处理效果等各种要求，对适用的黄土湿陷性处理的各种方法进行了初步评估，拟采用DDC（深层孔内强夯）。

DDC是一种复合地基处理方法，适用人工填土厚度>3.0m时且基底为Ⅱ级以上自重湿陷性黄土的地基处理，该方法采用沉孔法在土中成孔，然后用10%石灰土分层夯填成桩，用挤密的方法破坏黄土地基的松散、大孔结构，以消除或减轻地基的湿陷性。本项目拟对DDC法处理本项目湿陷性黄土的适用性进行试验研究。且在技术可行的情况下，以获得机械配备、机械施工参数，以及DDC的最佳设计参数及施工经验。

4  试验方案及组织

4.1 试验机械、填料的选择

查询相关文献资料，且根据目前所能获得施工机械设备情况，本标段DDC桩直径采用60cm，要求成桩后桩径>80cm。DDC桩采用振动沉管法成孔，内击锤夯击回填夯实成桩。孔内填料为10%灰土，填土分层厚度不大于30cm，含水率偏差±2%，有机质含量不大于5%，土块粒径不大于1.5cm，灰块粒径不大于0.5cm，石灰钙镁含量不小于55%。垂直度偏差不大于1.5%，桩位偏差5cm。要求处理后桩身压实度不小于97%，桩间土挤密系数大于93%。地基承载力检测不小于250kPa。

进行试验的目的主要有以下三个：

①验证DDC桩法能否消除黄土湿陷性，并达到设计要求。

②在验证DDC桩法能消除黄土湿陷性的情况下，以获得本项目施工最佳桩间距及夯击能。

③对试验结果进行分析，以获得最佳质量、经济综合效果的施工参数。

4.2 施工参数的选择及试验方案

①桩间距分级按1.5m、1.8m、2.1m、2.4m。

②孔内夯击能分级按600kN·m、800kN·m、1000kN·m、1200kN·m、1400kN·m。

试验时，按各级桩间距、孔内夯击能的组合进行施工试验，验证技术可行性的同时以获得DDC桩法处治湿陷性黄土的规律，然后进行正式施工参数的确定，以达到最佳的质量、经济综合效果。

5  试验方法

①机械选型：DDC桩的主要机具是ZCHK-600液压步履式夯扩桩机，夯锤重量为10t，最大钻孔直径为60cm，最大夯击深度为12m。

②施工放样：测量放样包括：施工边线、桩点及场地标高。施工边线及桩点确定后，用白灰将桩点标出。

③桩机就位：夯锤按布置好的桩位就位，沉管上刻划刻度线，桩机保持垂直，用吊锤或经纬仪检查垂直度，垂直度偏差不大于1.5%。

④成孔：冲击成孔，每冲击1m深度，护筒跟进，直至达到设计深度后成孔。

⑤验孔：成孔后清底夯实、夯平，夯实次数为6击，合格后采用盖板盖住孔口防止杂物落入。

⑥灰土拌和：灰土填料拌合与成孔同时进行，拌合土加水闷24h后使用，石灰由灰土拌合站消解过筛后使用。

⑦回填夯实：夯填成桩，每次提起护筒60cm，人工填灰土0.3方，10t夯锤夯击6次，再次充填灰土，夯实，直至成桩。

⑧进行试验检测，并对结果进行分析研究。

6  处理效果分析

6.1 挤密效果

6.1.1 挤密效果试验

为评估路基湿陷性黄土的工程处理效果，开展了黄土的室内湿陷试验以及直剪试验。

对DDC桩处理后的黄土采用坑探法取样，取样位置为未经工程处理的原状黄土和经工程处理后的桩间挤密黄土。

因试验数据及资料较多，以下仅阐述了夯击能为1000kN·m，桩间距为2.4m时的挤密效果试验过程。

取样深度为处理后地面下约1m、2m、3m、4m，土样长宽高约为25～35cm。土样达到Ⅰ级不扰动样要求，现场密闭封装后运至实验室。

处治前后与桩中心不同距离及深度处土体密实度变化如图2所示。

由图2可知，在夯击能1000kN·m、桩间距为2.4m情况下，随着检测点远离桩中心，各不同深度内的桩间土挤密程度越低，距离桩中心0.8m时，不同深度内的挤压密度均超过0.93，达到设计要求，当距离再增大时，挤压密度不仅不能达到设计要求，且急剧降低。故在夯击能1000kN·m达到挤密效果的桩间距为1.6m（2×0.8）。

试验还表明，在挤压密度达到0.93时，地基承载力检测均超过250kPa。

6.1.2 各级夯击能下挤密有效半径试验

经对不同夯击能的挤密有效半径，即能确保周边土体处治效果达到设计要求的影响距离（距桩中心）进行了测试试验，在不同夯击能情况下，挤密有效半径结果见表1、图3。

由表1、图3可行，600kN·m夯击能时有效挤密半径仅为0.5m，增加夯击能后有效挤密半径快速增大，但夯击能超过1000kN·m后，随着夯击能的增加，有效半径增长显著放缓，可见，最为经济的夯击能为1000kN·m，有效挤密半径为0.85m（即桩距为2×0.85=1.7m，与图2的研究结果非常接近）。

6.2 自重湿陷性和湿陷性

根据设计文件，该地区黄土属于自重湿陷Ⅱ级，因此，将处理后黄土的自重湿陷性作为处治效果评价项目之一。现场取样点距桩中心为0.8m，且包括3个不同深度，按饱和度85%计算，平均自重压力分别约为22kPa、39kPa、67kPa。规范推荐分级加载后加水，起始压力值为50kPa，大于或接近于取样深度的自重压力。因此不宜按规范方法，这里采用直接按计算自重压力施加，稳定后浸水的试验方案。对每一深度，取3个高为20mm标准环刀样，按JTG E40-2007《公路土工试验规程》，在固结仪上加压稳定后浸水。试验结果如表2所示，可见，在处理后，黄土湿陷性系数很小，已经消除了处理范围内的黄土湿陷性。

可见，表2中列举经处治后的黄土自重湿陷数值远小于规范规定的湿陷系数0.015。因黄土的湿陷性随压力增大而减小，可以推测在路基荷载下，黄土湿陷性小于表2给出的湿陷值，也小于0.015，故验证了采用DDC深孔强夯能够有效对黄土的湿陷性进行处治。

6.3 剪切强度

黄土进行挤密处理后，一般来说，其强度指标会增长。对深度为3.5～3.7m处的土样进行剪切强度。对路基处理前土样，采用竖向压力分别为50kPa、100kPa、200kPa，对路基处理后土样，增加1个竖向压力为150kPa的试验。为了试验结果具有可对比性，将试样的含水率调整到基本相同，地基处理前、后试样数据分别如表3所示。

图4 是路基黄土直剪试验结果，可见，经挤密处理后黄土内摩擦角变化不大，仅从29.6°提高到30.5°;但黏聚力从29.74kPa提高到37.86kPa。这表明挤密处理对黄土强度影响主要体现在黏聚力指标。表明经处理后土体的强度指标得到明显提高。

6.4 试验结果分析及总结

对不同深度DDC桩处理的湿陷性黄土的室内试验分析结果表明，处理前后干密度显著提高，孔隙比显著降低，试验取样深度内的黄土消除了自重湿陷性。路基黄土经挤密处理后，密实度达到了设计要求，土体的强度指标有明显增长。处治取得了预期的效果，表明采用深孔强夯（DDC）对湿陷性黄土处治是技术可行的。

7  本项目大面积施工参数、施工机械的选定

因为湿陷性黄土含水率较低的特点，采用普通的DDC夯扩桩机施工时，塌孔特别严重，无法成孔。本项目采用ZCHK-600液压步履式夯扩桩机，边成孔边套管跟进的施工工艺，解决了湿陷性黄土地区DDC施工中无法成孔的技术问题。施工时要求桩孔垂直度偏差不大于1.5%，桩位偏差不大于5cm。

本标段DDC桩直径设置为60cm，要求成桩后直径>80cm。按各区域处理深度调整桩长。按试验成果并考虑不利因素的影响，保守确定桩间距为1.5m。

桩内夯击能不小于1000kN·m。孔内填料为10%灰土，填土分层厚度不大于30cm，含水率偏差±2%，有机质含量不大于5%，土块粒径不大于1.5cm，灰块粒径不大于0.5cm，石灰钙镁含量不小于55%。桩身压实度不小于97%，桩间土挤密系数大于93%。地基承载力检测不小于250kPa。

本项目在大面积施工前，按如上施工机械配备、施工参数进行试施工，经试验检测，完全能够满足处理湿陷黄土的要求。

8  研究总结

随着公司转型升级的深入和国家战略的转移，在西部开发中将会有更多公路、铁路工程项目涉及湿陷性黄土，因此掌握湿陷性黄土的工程特点及处理工艺对公司承担类似涉及黄土的工程项目至关重要。通过本工程采用DDC对湿陷性黄土进行处理，積累了施工技术和工程经验，为以后公司类似工程施工提供参考。

参考文献：

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