北方深厚湿陷性黄土场地地基处理

安达

摘 要：针对传统北方深厚湿陷性黄土场地地基处理方法成本高，施工周期长的问题，提出素土挤密桩与CFG樁复合地基处理方法进行湿陷性黄土场地地基处理。以张家口桥东区某小区地基处理工程为主要研究对象，对素土挤密桩与CFG桩复合地基处理方法进行深入研究。通过室内土工试验、现场原位测试对黄土单个物理指标与湿陷性关系进行分析。最后对7#地基部分桩基问题采取增加短桩进行补救，补救结果地基满足设计要求。

关键词：湿陷性黄土;复合地基;素土挤密桩;CFG桩

中图分类号：TP392 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）05-0154-05

Found ation treatment of deep collapsible loesssite in North China

Abstract： In view of the high cost and long construction period of the traditional foundation treatment method for deep collapsible loess site in northern China， the composite foundation treatment method of plain soil compaction pile and CFG pile is proposed for the foundation treatment of collapsible loess site. Taking the foundation treatment project of a residential area in Qiaodong District of Zhangjiakou as the main research object， the treatment method of plain soil compaction pile and CFG pile composite foundation is deeply studied. The relationship between single physical index and collapsibility of loess is analyzed through indoor geotechnical test and in-situ test. Finally， the problem of pile foundation in 7# foundation is remedied by adding short piles. The remedial results show that the foundation treatment method proposed in this study can effectively remedy the problem foundation， and the foundation after remedy can meet the design requirements.

Key words： collapsible loess;composite foundation;compaction pile with plain soil;CFG pile

深厚湿陷性黄土在我国北方分布较广，该土质特点在于，一旦遇水侵湿，土体强度显著下降。若在其上附加一定压力，在附加压力和自重压力的共同作用下，土体会产生湿陷变形。因此在湿陷性黄土区进行工程建设时，需要提前进行地基处理，避免对建筑物产生严重影响。传统湿陷性黄土地基处理方法为桩基础，但桩基础存在成本高，施工周期长的问题，使得工程施工受到一定制约。未寻找一种更适合处理湿陷性黄土地基的方法，我国很多专家做出了很多研究。如武小鹏[1]等人系统研究了马兰黄土湿陷系数与深度，含水率，干密度，孔隙比，塑性指数和压缩系数之间的关系，并提出工程中用单个或多个物理指标评价黄土湿陷性的新方法，证实黄土湿陷系数与其物理力学指标之间具有较好的相关性;刘松玉[2]等人提出了气动振杆密实法处理湿陷性黄土地基的施工工艺，并对处理效果进行了测试评价，证实经处理后，土层各项物理力学性能指标均有明显改善;黄雪峰[3]则研究了螺杆桩消除黄土地基湿陷性的效果，证实螺杆桩处理后的黄土复合地基，其桩与土之间有较好的挤密效果，黄土湿陷性明显消除。以上专家的研究为湿陷性黄土地基处理作出了贡献，但对湿陷性黄土地基处理还存在一定的制约。基于此，本文以素土挤密桩+CFG桩复合地基处理湿陷性黄土地基，增加湿陷性黄土地基的处理方式。

1 工程概况

以河北省张家口市桥东区某工程7#住宅楼的湿陷性黄土地基为主要研究对象。

1.1 工程地质条件

1.1.1 拟建场区地层条件

通过对现场的勘察，确定该岩土工程勘探范围为54 m，上部土体由人工填土、第四系坡积层、腐殖土构成;下部土体主要是安山岩基岩风化带。其中人工填土层主要由①1杂填土和①2素填土组成;腐殖土层主要成分为①3腐殖土;第四系坡积层主要包括②粉土、②1粉质黏土、②2碎石、②3角砾、②4粉砂、②5黏土、③粉土、③1粉质黏土、③2碎石、③3角砾、③4黏土、③5中砂;安山岩基岩风化带主要由④全风化安山岩、⑤强风化安山岩、⑥中风化安山岩、⑦微风化安山岩构成。主要土层物理力学参数如表1所示。

1.1.2 拟建场区湿陷性

依据《湿陷性黄土地区建筑规范》[4]及相关资料可知，在本工程场地内，②粉土、③1粉质黏土层、②1粉质黏土、③粉土皆不具备自重湿陷性。勘探点湿陷量小于750 mm。通过《湿陷性黄土地区建筑规范》将此地基湿陷等级评定为I～II级。且湿陷性随深度的增加表现为减弱趋势，直至地表下12.20 m。

1.2 黄土物理指标与湿陷性关系

选择分布深度、含水率、干密度和孔隙比作为物理指标，探究其与黄土湿陷性之间的关系。坐标为单个物理指标与湿陷系数关系，同一取土试样探井数据颜色相同。

1.2.1 黄土分布深度与湿陷性关系

图1为黄土分布深度与湿陷系数关系散点图。由图1可知，黄土湿陷系数随黄土深度的增加而增加。在2～6 m间分布有湿陷系数较大的湿陷性黄土，此时黄土最大湿陷系数为0.069。出现此现象的原因在于，该土层在较短时间形成，外界环境变化对其不产生影响。湿陷系数比0.015低，则认定该黄土不具备陷性。但本地区内在可勘探范围均分布有非湿陷性黄土，湿陷性黄土主要集中在1～12 m深度范围内。因此在地基处理过程中，只需要处理12 m深度内湿陷性黄土就可消除黄土湿陷性。

1.2.2 黄土含水率与湿陷性关系

图2为黄土含水率与湿陷系数关系散点图。由图2可知，本地区湿陷系数随含水率的增加而缓慢增长。这是因为采集数据样本少，结果不准确导致;同时，场地地质条件相对比较复杂，探井不同，黄土性质有差异较大。并且，图2还显示出本地区黄土含水率主要在5%～25%间，而黄土湿陷性主要在黄土含水率为18%～24%时较大。

1.2.3 黄土干密度与湿陷性关系

图3为黄土干密度与湿陷性系数关系散点图。由图3可知，本地区黄土干密度主要在1.40～1.80 g·cm-3间，黄土湿陷系数随黄土干密度的增加而减小。干密度比1.68 g·cm-3大，黄土基本不存在湿陷性。

1.2.4 黄土孔隙比与湿陷性关系

图4为黄土空隙比与湿陷系数关系散点图。由图4可知，本地区黄土湿陷系数随孔隙比的增加而逐渐增加。这就说明了孔隙比与黄土湿陷性表现出正相关关系。通过图4发现，湿陷系数超过0.015湿陷性黄土仅存在在孔隙比大于0.58的黄土中。同时，除个别样品孔隙比在0.52～0.84外，其余孔隙比比0.64高。

1.3 湿陷性黄土地基处理设计方案

1.3.1 设计原则与设计要求

结合工程要求对基础地基方案进行选择，使建筑物安全和使用都得到保障。同时，对地基的设计还需要满足建筑物承载力、变形计算、稳定性等要求。

1.3.2 7#住宅楼地基处理

根据对7#住宅楼研究发现，7#楼一共31层，分别为地上28层，地下3层。主要是剪力墙结构与筏板基础结合。建筑总高80 m左右，有部分检测点位出现检测不合格情况，因此用素土挤密桩结合长短CFG桩对地基进行加固。具体方案为：

（1）用素土挤密桩处理，用CFG桩加固。基底标高为777 m，加固处理后，复合地基承载力特征值超过460 kPa，压缩模量超过22 MPa方可;

（2）土方深度为绝对标高777.5 m，对素土挤密桩进行施工，提前留下0.5 m松动层，按照正三角布置平面。素土挤密桩桩径、桩间距和桩长分别为600 mm、1 700 mm×1 700 mm、6 m。完成素土挤密桩施工后，继续进行CFG桩施工，处理方案与素土挤密桩相似，施工标高和保护土层及桩间距与素土挤密桩一致。CFG桩桩径为420 mm，施工桩长为17.5 m;

（3）检测CFG桩后地基后发现，部分点位无法承担相应承载力，开始单桩静载试验时，个别桩头被破坏。这可能是在该土层中，土质分布不规律引起的。同时在施工时发现该批混凝土强度达不到设计强度，因此需要在原设计中增加部分CFG桩，增加CFG桩其余条件不变，施工桩长变为14.5 m，在原设计CFG桩三角形的中心布置桩中心，最终地基得处理平面布置图如图5所示;

（4）原设计长桩单桩承载力特征值为420 kN，短桩为280 kN，加固单桩静载试验桩桩头。

2 试验检测要求

2.1 素土擠密桩试验检测

在处理影响的深度范围内，孔内夯填土和桩间土挤密效果用勘探钻机分层取样进行评价。

2.2 CFG桩试验检测

（1）CFG桩采用C25商品混凝土施工，增加较短桩采用C30混凝土施工;

（2）在成桩时，浇筑50 m3混凝土和每台机械每台各需留下3块试件;

（3）按照《建筑地基基础工程施工质量验收标准》 [5]（GB 50202—2018）和《建筑地基处理技术规范》 [6]（JGJ 79—2012）对CFG桩进行验收。并进行施工质量检验;

（4）CFG桩复合地基验收用载荷试验对承载力进行检验。当桩身强度达到要求，载荷试验占总桩数0.5%[7]。载荷试验数量皆为3点。对高于桩总数10%的桩进行低应变动力检测，用于评价桩身完整性[8]。

3 施工要求

（1）需在CFG桩桩顶铺设碎石褥垫层[9]。褥垫层条件参数如表2所示。

（2）CFG桩施工工艺为长螺旋成孔中心压灌，桩身为C25混凝土;增加短桩桩身为C30混凝土。以泵砼→提钻工序施工。施工前，提前对场地降水、排水，避免因为坑底积水使得坑底土层出现扰动和软化现象。

（3）用柱锤进行夯实，出现成孔挤密过于隆起时间隔跳打，成孔后，夯填桩孔。

（4）达到设计深度后，掌握提拔钻杆时间。遇见软弱土层、粉土层以及饱和沙土，需要适当降低拔管速度。淤泥、粉细砂、淤泥质土、松散饱和粉土等土质桩径较小时，用隔桩跳打以防止串孔。在施工时，施工桩应比设计桩高0.5 m。

4 素土挤密桩+CFG桩复合地基的设计计算

4.1 单桩竖向承载力特征值计算

4.1.1 长桩

参照《建筑地基处理技术规范》 [10]（JGJ 79—2012），根据勘察报告和设计参数对长桩进行计算。计算参数如表3所示。

CFG长桩单桩承载特征值Ra1表达式为：

式中：up为桩周长;qsi为第i层图侧阻力特征值;lpi为桩长范围内第i层土的厚度;Ra为CFG长桩单桩承载特征值;ap为端阻力发挥系数;qp为桩端端阻力特征值。

桩体试块抗压强度表达式为：

式中：fcu表示试块标养28 d的立方体抗压强度平均值。

由式（1）、式（2）可得，Ra1=945 kN，fcu=25 MPa;通过现场勘察，部分点位承载力达不到响应要求，个别单桩桩头破碎，因此需增加短桩，以此进行补桩。故在设计时单桩承载特征值按照420 kN计算。采用C25混凝土，桩体试块的抗压强度满足要求，有混凝土强度达不到标准，因此就算龄期满足，仍有个别桩头出现破碎情况。

4.1.2 短桩

短桩桩长为14.5 m，考虑地层复杂，且长桩静载试验存在部分点位不合格现象，取l1=14.5 m，qs1=30 kPa，其余条件不变。由式（1）、式（2）进行计算可得，Ra2=677 kN，fcu=30 MPa。结合现场试验结果，设计时按照Ra2=280 kN计算。采用得C30混凝土时，桩体试块抗压强度满足设计要求。

4.2 复合地基承载力特征值计算

已知m1=m2=0.055，长桩和短桩的单桩承载特征值分别取值420 kN和280 kN。经过挤密桩对天然地基处理后，取天然地基承载力1.4倍，可得fsk=1.4fa=238 kPa，取λ=0.9，β=1。

承载力特征值表达式为：

式中：Ap1为长桩单桩截面积;Ap2为短桩单桩截面积;Ra1为长桩单桩承载特征值;Ra2为短桩的单桩承载特征值;βp1为长桩竖向抗抗压承载力修正系数;m2为短桩面积置换率;βs为桩间土地基承载力修正系数;m1为长桩面积置换率;fsk为桩间土地基承载力特征值;βp2为短桩竖向抗抗压承载力修正系数。

承载力特征值计算结果为467 kPa，大于460 kPa，满足设计要求。

4.3 压缩模量计算

基地在③层土层中，压缩模量为6 MPa;承载力为150 kPa。通过素土挤密桩和CFG复合地基处理后，压缩模量提高至23.38 MPa，大于22 MPa。符合要求。

5 结语

本文通过张家口桥东区某小区7#楼地基处理工程项目，结合现场地基检测试验对北方深厚湿陷性黄土场地地基进行处理。通过对黄土单个物理指标与湿陷性关系进行分析可知，黄土湿陷性随黄土深度的和干密度的增加而减小;随含水量和孔隙比的增加而减小。通过考察，本工程湿陷性黄土主要分布在1～12 m间;含水率为18%～24%;黄土湿陷性在黄土干密度大于1.68 g·cm-3时基本消失;湿陷性较强黄土主要在孔隙比高于0.64区域。对7#楼地基进行分析和采取补救措施，确定本文提出的设计方案可以满足湿陷性黄土地基的相关设计要求。

【参考文献】

[1]武小鹏，赵永虎，徐安花，等.黄土湿陷性与其物理力学指标的关系及评价方法[J].长江科学院院报，2018，35（6）：75-80.

[2]刘松玉，杜广印，毛忠良，等.振杆密实法处理湿陷性黄土地基试验研究[J].岩土工程学报，2020，42（8）：1 377-1 383.

[3]黄雪峰，韦林辉，张吉禄，等.螺杆桩处理湿陷性黄土挤密效果分析与评价[J].兰州理工大学学报，2021，47（1）：122-128.

[4]崔靖俞，纪曦，季港澳，等.湿陷性黄土地基粉煤灰-水泥复合注浆材料性能试验研究[J].硅酸盐通报，2019，38（9）：3 020-3 024，3031.

[5]周莹，周翔.基于含水量的湿陷性黄土地基处理措施研究[J].青海大学学报，2018，36（3）：51-55.

[6]穆青翼，党影杰，董琪，等.原状和压实黄土持水特性及湿陷性对比试验研究[J].岩土工程学报，2019，41（8）：1 496-1 504.

[7]赵治海，徐张建，燕建龙，等.湿陷性黄土场地孔内深层超强夯挤密桩试验研究[J].地下空間与工程学报，2020，16（4）：1 004-1 011.

[8]刘弋博，陈慧娥，许晓慧，等.非饱和增湿条件下典型黄土湿陷性研究[J].工程地质学报，2020，28（05）：973-981.

[9]周茗如，李宁，钟琳，等.湿陷性黄土地区劈裂注浆桩芯结石体强度试验研究[J].硅酸盐通报，2021，40（4）：1 147-1 153.

[10]

罗晓锋，尚海丽，郑有伟，等.渭北地区湿陷性黄土场地浸水试验研究[J].内蒙古科技大学学报，2021，40（1）：6-12.

收稿日期：2021-07-21;修回日期：2022-04-11

作者简介：安 达（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：地基基础处理、基坑支护、边坡防护、地质灾害治理。