用振动挤密法成孔施工水泥土桩时桩间土挤密效果的探讨

王 双, 孔令琳

(中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100032)

0 引 言

水泥土桩复合地基通过水泥土桩与桩间土共同承担上部建筑物的荷载，解决因原地基持力层承载力偏低不能满足设计要求的问题。水泥土桩复合地基具有施工方便、工期短、造价低等优点，在地基加固处理中得到了广泛应用。一般情况下，水泥土桩桩体施工多为锤击夯实法，常规的水泥土桩桩孔成孔施工方法普遍采用人工洛阳铲或用螺旋钻机排土成孔，这种水泥土桩复合地基施工方法桩间土一般没有明显的挤密现象，只是用水泥土桩对地基土进行置换[1]。

水泥土桩桩孔成孔施工采用排土法成孔，桩间土的性能没有提高，为了更好地发挥桩间土的潜能，振动挤密法成孔就成了选项。本文总结了在北京南部大兴某小区水泥土桩复合地基施工时，水泥土桩桩孔成孔施工采用沉拔管桩机振动挤密成孔取得的试验数据，对沉拔管桩机振动挤密成孔施工的水泥土桩复合地基的桩间土挤密效果进行了初步研究。

1 建筑地基土层

建筑场地处于永定河冲积平原，处理深度内无地下水，地基土层自上而下分别为：①新近沉积黏土：褐黄色，可塑；②新近沉积黏质粉土：褐黄色，稍湿，中密；③新近沉积粉质黏土：褐黄色，可塑；④砂质粉土：褐黄色，稍湿～湿，中密。

2 水泥土桩设计与施工

该小区建筑物水泥土桩复合地基中的水泥土桩平面按600 mm×850 mm网格布置，桩长7 m，沉拔管桩机沉管直径为377 mm，水泥土桩的桩孔成孔施工采用沉拔管桩机振动挤密法，每遍隔两桩施工，水泥土桩桩体施工采用锤击夯实法。

3 桩间土试验土样的采取

用SH30型钻机取土试样，取土深度间隔为1m，每个钻孔在水泥土桩施工深度内采取7个原状土样。本次对比研究共采取原状土样84个，采取振动挤密后的原状土样84个。地基土层的原状土样和振动挤密后地基土层的原状土样按以下原则采取：桩位确定后在水泥土桩施工前，在桩位网格的中心点采取原状土样；水泥土桩施工完成14 d后，在采取原状土样相邻的桩位网格的中心点采取振动挤密后的原状土样。取土钻孔平面布置如图1所示。

图1 取土钻孔平面布置图

4 土工试验结果

将所采取的地基土层原状土试样和振动挤密后地基土层的原状土试样送土工试验室进行试验，得到的密度变化代表性指标孔隙比e的平均值统计结果见表1。

表1 土样孔隙比e平均值统计表

从土工试验得到的孔隙比e的平均值统计结果可知，所有地基土层的孔隙比e挤密后均比挤密前有所减小，其中，新近沉积黏土挤密后的孔隙比e平均值减小了2.2%，新近沉积黏质粉土挤密后的孔隙比e平均值减小了11.3%，新近沉积粉质黏土挤密后的孔隙比e平均值减小了3.9%，砂质粉土挤密后的孔隙比e平均值减小了15%。从地基土层挤密前后的孔隙比e变化结果看, 所有地基土层经过水泥土桩桩孔采用沉拔管桩机振动挤密工艺成孔施工后均有不同程度的挤密。从孔隙比e的平均值统计结果看出，黏性土振动挤密后的孔隙比e平均值比振动挤密前的孔隙比e平均值减小了2.2%～3.9%，粉土被挤后的孔隙比e平均值比振动挤密前的孔隙比e平均值减小了11.3%～15.0%，说明黏性土的振动挤密效果较差，粉土的振动挤密效果比较好。

5 土工试验成果分析

从现场施工和试验结果的分析来看，出现上述结果，我们认为土的挤密是由土的性质及施工工艺共同作用的结果，又以土的性质决定土的挤密程度。该小区地基土层由黏性土和粉土组成，互层状分布，其中，新近沉积黏土和新近沉积粉质黏土为很湿～饱和、可塑状态，新近沉积黏质粉土和砂质粉土为稍湿～湿。砂质粉土具砂性质，有单粒结构、颗粒移动及透水性好等特性，在动力挤压作用下结构破外，颗粒重新排列，向更紧密稳定结构排列，颗粒之间的孔隙变小。另外，该小区地基的砂质粉土为非饱和土，这种具砂性质、非饱和、透水性好的土在动力挤压作用下趋密排列时孔隙水压力不会明显升高，因此，其挤密效果比较理想[2]。

黏性土(即黏土和粉质黏土)以团粒结构为主，孔隙数量特别多，但绝大多数是微细孔隙，透水性弱。该小区地基的黏性土处于饱和或近饱和状态，在动力挤压作用下，由于黏性土孔隙微细、透水性弱，其孔隙水压力会迅速升高并破坏土的结构，孔隙水不能消散，阻碍土粒间挤压应力的传递，故土被向侧向挤移而未被挤密，这种挤移作用也反映在施工后地基轻微隆起上。从黏性土被挤后的孔隙比e平均值减小了2.2%～3.9%来看，挤密作用效果很差，黏性土有限的轻微挤密作用，是黏性土在动力挤压作用下，其孔隙水压力迅速升高并破坏土的结构后黏性土碎裂压密和饱气部分孔隙挤密的结果。另外，通过探井观察还看到，该小区地基处于饱和或近饱和状态的黏性土经过动力挤压作用后，由于饱和或近饱和状态的黏性土在施工瞬间振动压力作用下孔隙水压力迅速升高并破坏土的结构，施工后孔隙水压力消散缓慢，在短时间内黏性土结构难以恢复和达到强度稳定，水泥土桩施工刚结束时黏性土的强度会有所降低[2]。因此，为了能够反映振动挤压后桩间土的最终稳定强度，选择水泥土桩施工完成14 d后，待黏性土孔隙水压力基本消散时采取土试样进行试验分析。

该小区地基的黏质粉土处于近饱和状态，其性质介于砂质粉土性质和黏性土性质之间，既具砂质粉土的颗粒移动及透水性较好特性，也有黏性土的孔隙数量多，孔隙微细特性。黏质粉土在动力挤压作用下结构破坏，颗粒可进行重新排列，向更紧密稳定结构排列，颗粒之间的孔隙变小。由于其透水性较砂质粉土弱，其孔隙水压力会升高，孔隙水消散会受到一定影响，土粒间挤压应力的传递也会受到一定程度的阻碍，故黏质粉土被挤密效果不及砂质粉土挤密效果理想，但比黏性土挤密效果好。

从上述试验分析也可以看出，该小区水泥土桩施工采用沉拔管桩机振动挤密工艺成桩孔，这种机械振挤作用对粉土来说比较明显，对处于饱和或近饱和状态的黏性土，由于瞬间振动挤压破坏土的结构，孔隙水压力升高，形成重塑土，故在饱和或近饱和状态的黏性土层中采用施工，其挤密作用不明显，沉拔管桩机振动挤密工艺成桩孔更适合粉土地层。

6 结 论

黏性土振动挤密后的孔隙比e平均值比振动挤密前的孔隙比e平均值减小了2.2%～3.9%，粉土被挤后的孔隙比e平均值比振动挤密前的孔隙比e平均值减小了11.3%～15.0%，说明黏性土的振动挤密效果较差，粉土的振动挤密效果比较好。

水泥土桩复合地基采用沉拔管桩机振动挤密工艺成桩孔对桩间土的挤密作用，对不同的土层其挤密效果有明显差异，挤密效果与土层的物理力学性质紧密相关，土的黏粒含量越高，挤密效果越差，处于饱和或近饱和状态的黏性土挤密度很低，沉拔管桩机振动挤密成桩孔工艺不适合饱和或近饱和状态的黏性土挤密施工；而这种机械振挤作用对粉土来说却比较明显，挤密效果好，沉拔管桩机振动挤密工艺成桩孔更适合粉土地层。