湿陷性黄土地区灰土挤密桩坝基处理浸水试验研究

吴 丰

（修水县水利局,江西 修水 332400）

0 引言

我国西北地区分布着大面积的湿陷性黄土[1],黄土在干燥状态下具有很高的承载力,然而,当黄土一旦受水浸湿后,承载能力瞬间降低,产生较大的附加下沉,这就是黄土的湿陷性。由于大坝属于水工结构物[2],在建设过程中尤其要重视黄土的湿陷性带来的危害。为了消除坝基黄土的湿陷性,提高坝基承载力,本文以刘家河水库大坝建设工程为背景,采用灰土挤密桩法处理坝基,通过现场原状土与复合地基的浸水试验评价灰土挤密桩消除黄土湿陷性的效果,同时通过浸水与非浸水条件下的单桩复合地基载荷试验,探究浸水前后单桩复合地基承载力的变化情况,为工程实践提供试验依据。

1 工程概况

根据建设场地地勘报告,场地黄土的天然含水率w、天然密度ρ、天然孔隙比e0、饱和度Sr、湿陷系数、自重湿陷系数（详见表1）。

表1 湿陷性黄土物理参数

根据《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025-2018）（以下简称规范1）[3],当黄土湿陷系数＞0.070 时 ,为强烈湿陷性场地,需对坝基土进行处理并消除其湿陷性。

本工程采用灰土挤密桩法处理湿陷性黄土坝基,根据《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012）[4],本次坝基土体处理深度为10 m,则灰土挤密桩桩径取0.4 m,桩间距取2.5 倍的桩径即为1 m,布桩方式采用等边三角形布桩,基础以外处理宽度为5 m。桩体材料采用3∶7灰土,石灰选用熟石灰,含水率不超过最优含水率的2%。

2 浸水试验设计

为了探究灰土挤密桩消除坝基黄土湿陷性的效果,工程开始之前,先在试验性场地成桩,并进行浸水试验。

2.1 浸水试坑

浸水试坑依据规范1 进行设计,由于现场试验性场地有限,浸水试坑采用3 m×4 m的长方形试坑,坑内包含9 根试桩。试坑深度为0.5 m,为了使水均匀下渗,坑底铺设0.1 m厚砂砾石（见图1）。

图1 浸水试坑示意图

2.2 沉降观测标点

浸水试坑开挖完成后,在原状土上和试坑内均匀布置沉降观测标点。为了使水充分下渗,首先沿试坑四周均匀布置10 个8 m深渗水孔,孔径0.1 m。之后,在原状土上设置1种3 m深标点作为对照,同时在桩与桩之间均匀布置3 种沉降观测标点,分别为6 m深标点、3 m深标点和0.5 m浅标点,每种标点布置3 个,共9 个沉降观测标点（见图2）。

图2 沉降观测标点布置

沉降观测标点由钢管与钢垫板焊接而成,总重量原则上应与标点孔处原上覆土自重大致相同（见图3）。在沉降观测标点孔打好后,将预制好的观测标点垂直放入孔内。为了减小标点扰动,使其能在浸水过程中自由沉降,在标点外侧套入直径略小于标点孔径的PVC管,并在PVC管与标点孔径之间填入砂砾石,使水能够在标点孔处均匀下渗。

图3 沉降观测标点示意图

2.3 试坑注水及沉降观测

在沉降观测标点布置完成后,开始向试坑内注水,并在浸水期间始终保持坑内水头高度不小于0.3 m。浸水期间采用全站仪对观测标点上端进行沉降观测,当连续5 d内标点平均沉降量小于1 mm/d时,即可停止浸水。

2.4 浸水结果分析

将各种标点沉降量取平均值,然后把标点随时间的累计沉降量数据记录（见表2）。

表2 标点累计沉降数据

根据表2数据绘制各标点沉降随时间的变化曲线（见图4）。

图4 标点沉降曲线

从图4 可以看出,刚开始浸水时,各类标点沉降均不明显。随着浸水时间的增长,复合地基的0.5 m浅标点与原状土区域的3 m深标点沉降量开始急剧增大。并且浸水过程中,原状土区域的3 m深标点沉降量始终比复合地基的0.5 m浅标点大。而对于复合地基的6 m和3 m深标点而言,在浸水过程中沉降略有增大,但快速趋于平稳。比较复合地基的3 m深标点和原状土区域的3 m深标点,在沉降趋于平稳后,后者沉降量是前者的4 倍。基于以上分析,说明经灰土挤密桩处理后的复合地基黄土湿陷性得到了有效改善。

3 载荷试验

在浸水区域和未浸水区域分别挑选3 根试桩进行单桩复合地基载荷试验,进一步探究灰土挤密桩处理湿陷性黄土后单桩复合地基承载力情况。

3.1 非浸水条件下载荷试验

（1）计算单桩复合地基预估极限承载力

现场选用堆载法进行灰土挤密桩单桩复合地基静载荷试验,在加载前首先计算单桩复合地基预估极限承载力。根据《陕西省挤密桩法处理地基技术规程》（DBJ 61-2-2006）[5],灰土挤密桩单桩复合地基承载力特征值可按式（1）计算。

式中： fspk为灰土挤密桩复合地基承载力特征值；fpk为桩体承载力特征值,取值不大于500 kPa；fsk为天然地基承载力特征值,根据现场地勘报告取160 kPa；m为面积置换率,m= d2/

d2

e,其中d为桩径,de为一根桩所分担的处理面积等效圆直径,为1.05 倍桩间距。则m=0.42/1.052=0.145。

故灰土挤密桩单桩复合地基预估承载力特征值为,取250 kPa,则单桩复合地基极限承载力为承载力特征值的两倍,取500 kPa。

（2）试验过程

静载荷试验采用堆载法,试验设备包括压重平台、加载千斤顶、承压板、基准梁、沉降测读百分表等,试验设备搭建完成后开始对试桩进行加载。

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）[6],试桩加载采用分级加载,分级荷载为单桩复合地基极限承载力的1/10,第一级荷载为分级荷载的2 倍。即加载方式为100 kPa-150 kPa-200 kPa-250 kPa-300 kPa-350 kPa—400 kPa-450 kPa-500 kPa,每级荷载施加后的第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min分别测读一次沉降数据,之后每隔30 min测读一次沉降数据。当连续两次出现1 h内的沉降数据小于0.1 mm时,即可停止加载。

（3）试验结果分析

试验过程中,记录各试桩每级荷载下的累计沉降量（见表3）。

表3 非浸水条件下试桩荷载-沉降数据

根据表3数据绘制试桩荷载-沉降曲线（见图5）,从图中可以看出,当荷载小于100 kPa范围内,试桩沉降很小,且基本呈线性增加。当荷载超过100 kPa之后,试桩沉降速率稍有加快,当荷载加载至400 kPa时,试桩沉降迅速增大,荷载沉降曲线开始出现“陡降段”。则取“陡降段”起点对应的荷载为试桩单桩复合地基极限承载力,承载力特征值取其0.5倍,即为200 kPa。

图5 非浸水条件下试桩荷载-沉降曲线

3.2 浸水条件下载荷试验

在浸水结束后,抽掉浸水试坑内多余的水,并在试坑内选取3根试桩进行浸水条件下的单桩复合地基静载荷试验。为了保证在试验过程中,试坑内土体始终处于饱和状态,需保证试坑内水头高度不小于0.01 m,当水分有蒸发损失时要及时进行补水。

（1）确定预估极限承载力

浸水条件下试桩预估极限承载力必然小于非浸水条件下的极限承载力,为了使试桩在加载过程中充分破坏,依然采用非浸水条件下的预估极限承载力500 kPa。

（2）试验过程

试验过程与非浸水条件下的静载荷试验相同。

（3）试验结果分析

根据表4数据绘制浸水条件下各试桩荷载沉降曲线（见图6）,从图中可以看出,各试桩荷载沉降曲线较为吻合,说明试桩质量较为接近。当荷载增加至350 kPa时,荷载沉降曲线开始出现“陡降段”,则对应的试桩极限承载力即为350 kPa,是非浸水条件下的0.875 倍。

表4 浸水条件下试桩荷载沉降曲线

图6 浸水条件下试桩荷载沉降曲线

（4）浸水与非浸水条件下沉降对比

将非浸水与浸水条件下试桩沉降平均值随荷载的变化曲线绘制（见图7）,从图中可以看出,浸水条件下试桩沉降在加载过程中大于非浸水条件。但各自极限荷载对应的沉降量浸水条件是非浸水条件的1.03倍,差距不大。

图7 蜗壳门噪音手动停机过程频谱图

图7 非浸水与浸水条件下试桩沉降对比

4 结语

为了探究灰土挤密桩处理湿陷性黄土坝基的效果,以工程背景为依托,通过开展现场浸水试验、非浸水与浸水条件下的单桩复合地基静载荷试验,得出如下主要结论：

（1）浸水试验中,通过灰土挤密桩处理过的复合地基标点沉降与原状土区域进行对比,发现同样深度的标点,复合地基区域沉降微小,而原状土区域沉降很大,说明经灰土挤密桩处理后的黄土湿陷性得到了有效改善。

（2）在本试验所处的地质条件下,桩径0.4 m、桩间距1 m、处理深度10 m的3∶7灰土挤密桩单桩复合地基承载力特征值可以达到200 kPa,较天然地基的160 kPa提高了1.25 倍。

（3）浸水条件下的灰土挤密桩承载力特征值较非浸水条件略有减小,是非浸水条件下的0.875 倍,沉降是非浸水条件下的1.03倍,差别极小。