灰土挤密桩消除湿陷性黄土的方法和试验分析

苗承莆

（甘肃路桥工程检测有限公司，兰州730050）

1 工程概况

本工程位于甘肃省庆阳环县TY03 标，施工标段内沟壑纵横，地形地貌较为复杂，沿线特殊性岩土主要为湿陷性黄土。施工区湿陷性黄土分布广泛，岩性主要为第四系全新统的冲洪积黄土状土及第四系上更新统的马兰黄土层，空隙含量高。黄土的湿陷性等级一般为Ⅰ～Ⅳ级自重湿陷性，综合考虑地形条件，选用10%的灰土挤密桩进行湿陷性黄土地基加固处理。

2 灰土挤密桩的理论分析

挤密是灰土挤密桩法处理湿陷性黄土的一项重要加固措施。在桩孔形成和夯实阶段，土体形成压实效应，使原桩孔处的土体被挤到周围土体中，并在桩周一定范围内压实天然土体，导致地基土层的空隙率降低，密实度增加，摩擦角和干密度增加，有效改变了土体的物理力学性质，大大提高了承载力。通过压实加固，形成了强制压实区、压实区和压实影响区，从而提高了桩周土的弹性模量，有效降低了路基整体的压缩变形，灰土桩和压实土也构成了复合路基，可以提高路基强度，减小路基变形，改善黄土路基的工程特性。

3 施工工艺及操作要点

3.1 施工工艺流程

基坑开挖→定位、放线和高程测量→打桩机就位→沉管成孔→拔管→打桩机移位→成孔检测→打夯机就位→灰土搅拌→试验检测→夯填→成桩→试桩→验收。

3.2 施工操作要点

3.2.1 材料处理

取土场黄土和消石灰提前委托送样至指定试验室进行原材料试验及土工击实试验，通过试验得到最大干密度和最佳含水量。消石灰和黄土需要进行均匀拌和，达到颜色一致并无花白料，通过试验检测使含水量控制在最优含水量的±3%，现场简易检测，以“手握成团，落地开花”的标准鉴定含水量，拌和均匀的土样最好不隔夜使用，雨天用塑料布遮盖。当取土场素土含水量低于12%时，应用洒水增湿或闷料得到最优含水量，且每次拌和的灰土量应根据现场施工计划进行，做到随用随拌[1]。

3.2.2 施工放样及布点设置

打桩机应严格按照施工放样点进行就位，桩管与桩孔对中，施工中桩架不应发生位移或倾斜，垂直度偏差应不大于1.5%，用吊锤检查桩管垂直度。调整和检查机械后开始成孔，此时要注意桩位的偏差。在成孔过程中，根据地层软硬情况每天定时对桩位垂直度及时进行调整。

施工顺序：按隔排隔行跳打法进行成孔，由外向里间隔一孔进行，分4 次进行成孔，成孔过程要轻击慢沉，打至设计深度后，立即关闭油门，缓慢均速地拔除导管，形成桩孔；拔管过程要慢、稳，防止导管将孔壁土刮落，影响孔深。桩孔直径一般设计为0.3～0.6m, 允许偏差不超过设计值±20mm，桩长允许偏差±0.5m。桩位偏差不超过设计值的0.25D（D 为桩径）。

3.2.3 夯填成桩及注意事项

工序：清理桩底并夯实→灰土拌制→灰剂量试验检测→虚填→整平→夯击→成桩检测。

施工要点：成孔后进行孔深、孔径、垂直度指标检测，合格后应及时进行夯填施工。安装好夯填机，调整和检查好机械夯打，填灰土夯填前[2]，应先对桩孔清底夯实，使拔锤过程中的回落得到充分夯实，夯击次数一般不小于6 次，直到听到清脆声为止，孔内的回落厚度应小于300mm。现场控制时应注意：下料速度和锤击次数要相匹配，确保压实系数不小于0.96；灰土拌和要均匀一致，严格控制好含水量；必须做到均匀下料，均匀夯击，每次填料虚土厚度不大于30cm，应避免回填过快，夯击次数不够。施工过程中对每根挤密桩进行全面过程检测，确保每根挤密桩压实系数大于0.96。

4 试验数据分析

4.1 严格控制原材料和混合料质量

4.1.1 消石灰的优选

石灰应优选等级Ⅱ以上的消石灰，使用前1～2d 消解并过筛，有效CaO 和MgO 含量不宜低于60%，颗粒最大粒径不大于5mm，不得夹有未熟化的生石灰块粒及其他杂质，也不得含有过多的水分。

消石灰存放时间的延长，特别是在没有良好的保护措施情况下，消石灰中的有效钙和氧化镁的含量会大幅度下降，导致活性降低。而活性低的消石灰会直接导致石灰强度的降低。其次石灰应得到充分消解，未充分消解的石灰如果在工程结束后遇水就会继续消解，引起局部爆裂崩解，严重影响土层的强度和平整度。

4.1.2 土质

土质一般包括3 方面：（1）土的塑性指数；（2）土的颗粒大小；（3）中杂质含量。塑性指数在15～20 的黄土，或是含有一定数量的黏性土，均可以满足配置石灰土的需要。

4.1.3 灰剂量的衰减

石灰活性的有效成分为钙镁离子。当石灰与土混合后，石灰土就会在离子交换、碳酸化、结晶等一系列作用下固化。可以说石灰土的固化过程就是石灰活性的丧失过程。采用设计灰剂量10%控制，压实度不应小于97%。然后再分别在密闭环境下养护条件下，间隔几小时、几天检测灰剂量衰减情况,以乙二胺四乙酸（EDTA）消耗量表示，如表1 所示。

表1 EDTA 消耗量

随着龄期的增长，EDTA 消耗量逐渐下降，石灰土中有效钙镁含量也不断减少。在前期，有效钙镁含量衰减较快，后期，有效钙镁含量衰减较慢。所以，石灰土应随拌随用，尽量不要搁置时间太长，避免有效钙镁含量衰减，后期石灰土强度降低。

熟石灰中的Ca2+离子在水的作用下与土壤颗粒发生絮凝反应，减少了被土壤颗粒束缚的水膜厚度，降低了土壤的塑性，增加了土壤颗粒间的凝聚力，提高了土壤的强度和水稳定性。这种化学反应过程主要发生在熟石灰和土壤颗粒被强制搅拌混合后的几个小时内；熟石灰与黏土颗粒中的活性二氧化硅-氧化铝矿物进一步缓慢反应，在此过程中，它吸收熟石灰浆液中的水，形成晶体，并生成铝酸盐和水合硅酸钙，这改变了黏土的结构。

4.2 灰土挤密桩质量检测

4.2.1 桩间土挤密系数

桩孔夯填结束后，采用环刀对不同深度桩孔间土样进行压实度检测，桩间挤密系数符合应设计要求。等边三角形布桩时桩间挤密系数不宜小于0.93。检测结果如表2 所示。

通过桩间挤密系数的检测结果说明：在密集影响区，桩间压实度高于原状土。在成桩过程中，桩间土也受到很大的侧向压力，这种压力也被压实和加固，形成一个强制压实区、挤密区及挤显著提高。

表2 检测结果

4.2.2 地基承载力和沉降量检测

在施工结束后7d，对处理后的灰土挤密桩进行地基承载力、沉降量等指标检验。检测指标如表3 所示。

表3 检测指标

通过地基承载力、沉降量的检测，数据表明桩体强度增大，模量变高；桩体及桩间土均得到了有效加固，使黄土地基的整体承载能力增强。

5 结论

通过工程实例，对湿陷性黄土地基灰土挤密桩处理技术的施工设计、施工工艺、试验过程及影响因素等进行了深入分析：灰土桩与桩周土紧密胶结在一起，在灰土桩周围形成一层坚硬致密的胶结层。石灰颗粒均匀分布在灰土堆中的黄土颗粒中，一些石灰颗粒与周围的土颗粒发生反应，形成碳酸钙等硬质水泥物质，与周围的土颗粒紧密黏结。

试验结果证实，灰土挤密桩能够对黄土地基的湿陷性进行有效的消除，保证了路基整体施工质量。