黄土场地挤密地基处理深度的探讨

崔金柱，常传清，王睿

（国网甘肃省电力公司庆阳供电公司，甘肃 庆阳 745000）

1 引言

随着国家重点项目“东数西算”项目落地甘肃庆阳，所配套的电网基建工程迎来跨越式的发展。庆阳地区大部分场地属于黄土场地，且黄土层厚度较大，具有湿陷性，需进行地基处理，该地区电力工程建设项目常用沉管挤密桩做地基处理，消除或部分消除地基土的湿陷性。以往的沉管挤密法施工深度一般不大于15 m，此处理深度对于大厚度湿陷性黄土场地，往往不能满足国家标准GB 50025—2018《湿陷性黄土地区建筑标准》[1]对处理后地基剩余湿陷量限值的要求。以往未打浸水孔的浸水试验资料表明，平面有限范围的地表水自然向下渗透时，地基土达到饱和的时间随深度增加而变长，即地基土所在位置越深越难达到饱和，而且似乎存在一个渗透下限，随着地基土深度的增加，发生浸水的可能性降低，发生湿陷变形的可能或湿陷变形减小。

为寻求合理的地基处理深度，诸多学者做了试验研究。张豫川等[2]提出，单一的以剩余湿陷量作为地基处理深度的标准在经济上是不合理的,一定厚度处理土层所具有的刚度是能抵御湿陷引起的变形能力的。姚志华等[3]建议，将15～20 m 和10～15 m 分别作为大厚度自重湿陷性黄土地基乙、丙类建筑的最大处理深度。张世径、朱彦鹏等[4-5]学者也在不同大厚度湿陷性黄土场地做了挤密桩法处理地基深度的试验研究。论文以甘肃庆阳试验场地的浸水试验为例，根据试验结果，对该地区挤密地基处理深度问题做了探讨。

2 试验区概况

试验场地位于甘肃省庆阳市西峰区什社乡境内，庆阳市西南约18 km。场地地貌属于黄土塬地貌，地面高程1 245.2 m。地层主要为第四系上更新统风积成因的马兰黄土和第四系中更新统风积成因的离石黄土组成。场地区地下水埋深大于50 m。

试验区挤密桩施工前，在试验区附近开挖3 口探井（图1中TJ1、TJ2 和TJ3），做室内土工试验。试验结果表明，该试验区地基土干密度为1.25～1.52 g/cm3，最大干密度1.76 g/cm3，湿陷下限深度22.5 m，自重湿陷量计算值550.3～686.9 mm，属Ⅲ级自重湿陷地基。

图1 试验区平面布置图（单位：mm）

本次试验采用沉管挤密桩复合地基，孔径φ400 mm，正三角形布孔，孔填料为素土，孔深12 m，孔深孔心距l按式（1）计算得出0.924 m，取1.0 m。桩位布置如图1 所示。

式中，l为孔心距，m；D为挤密填料孔直径，取0.4 m；ρdmax为击实试验确定的最大干密度，取1.76 g/cm3；ρd0为挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度，取1.36 g/cm3；为挤密填孔后，3 孔间土的平均挤密系数不宜小于0.93。

3 试验结果与分析

3.1 室内土工试验

挤密地基施工完成后14 d，在图1 中S1、S3、S5 点现场开挖探井，分别在三桩间形心位置处和距离孔中心2/3 孔半径处取Ⅰ级土样，做室内土工试验。取样竖向间距1 m，取样深度12 m，共取三桩间土样和桩身土样各36 件。

三桩间形心位置处的36 件样品的室内土工试验结果表明：最小挤密系数均不小于0.86，其中34 件样品不小于0.88；湿陷系数均不大于0.017，其中34 件样品小于0.015。这说明挤密桩基本消除了三桩间的湿陷性，三桩间为整个桩间土区域最薄弱处，其他位置桩间土湿陷性应已经被消除。距离孔中心2/3 孔半径处的36 件样品室内土工试验结果表明，压实系数均不小于0.97，孔填料夯实质量满足要求。

上述结果表明，沉管挤密达到了挤密桩间土、消除桩间土湿陷性的目的。

3.2 现场浸水试验

施工完成后，按图1 所示，沿最外侧边桩开挖深0.5 m、边长12.4 m×10.5 m 的矩形试坑，在坑内S1～S9 点位置-0.5 m 深度处埋设沉降观测计。

挤密桩施工完成20 d 后开始浸水，浸水持续62 d，浸水期间一直保持水头高度0.3 m，停水后观测14 d。从开始浸水观测至结束总计76 d，期间记录了整个处理区域地面出现的沉降、塌陷、开裂等问题。

如表1 所列，试坑内的9 个浅层沉降观测点，在浸水期间的沉降量为30～47mm，平均39mm；停水后的沉降量为6～10mm，平均8 mm。整个试验观测期76 d 内的总沉降量37～53 mm，平均47 mm。

表1 各观测点的沉降量

9 个观测点按照其在试坑内的平面位置可分为位于试坑中心的S3 号点； 距离试坑中心约3.5 m 位置的S2、S4、S7、S8号点；距离试坑边约1.0 m 位置的S1、S5、S6、S9 号点。取3 个位置各自观测点沉降量的平均值绘制变形-时间（s-t）关系曲线，如图2 所示。沉降量最小的曲线为试坑中心点，其次为距离试坑中心约3.5 m 位置的点，距离试坑边1.0 m 位置处的点沉降量最大。发生这种情况的主要原因是浸水坑边在挤密地基处理区域边缘，浸水过程中水分先渗透到挤密地基处理区域外的未处理土层，使土质软化，对挤密桩的约束作用减小，故而距离试坑边缘越近发生的沉降量越大。随着浸水时间的持续，水分沿着处理区域外围先渗透到处理深度以下，并发生水平渗透，使得处理区域内边缘的深部土体发生湿陷变形，引起整个地基下沉。地基下沉过程中试坑中心点下的深部地基土被逐渐压密，外围水分向中心发生水平渗透的作用减小，试坑中心点下的深部地基土发生湿陷变形量也变小，故而试坑中心的变形最小。

图2 s-t 关系曲线

本次试验，由室内土工试验所测得的自重湿陷系数计算出挤密地基的剩余湿陷量计算值为142～158 mm，现场实测沉降量为47 mm，约为计算值的0.3 倍。这说明剩余湿陷量的计算值过于保守，地基经挤密后，其渗透性得到了很好的改善，浸水期间地基的变形主要是地基土重度变化引起的压缩变形、处理深度以下湿陷性土层产生的湿陷变形，以及浸水后地基土排水发生的固结变形。文献[4]中，学者在兰州市和平镇采用打浸水孔的方法进行深层浸水试验，浸水时间为171 d，12 m深度的挤密地基浸水坑地面的沉降量为109～143 mm，平均沉降量为126 mm。按照室内试验结果计算其在自重条件下的沉降量为680 mm 左右，现场实测沉降量仅为此值的0.19 倍。其还在该场地12 m 深度挤密桩地基上设置承台、 堆载200 kPa，在深层浸水171 d 的情况下，地基实测沉降量为196 mm，而按照室内试验结果计算的剩余湿陷量为829.5 mm，现场实测沉降量仅为此值的0.24，这表明处理深度范围内的土层形成了良好的承载层。文献[5]中，学者在兰州新区12 m 深度的灰土挤密桩地基上做浸水试验31d，试坑中心沉降总和为16.52 mm，该场地湿陷下限深度大于35 m，按室内试验计算的剩余湿陷量远远大于16.52 mm，究其原因是浸水深度未达到处理深度以下的土层，水分入渗的竖向深度约1 m，水平距离未达到1.5 m，处理深度以下土层未见水也就不发生湿陷，这说明黄土经挤密地基处理后的渗透系数很小，可作为良好的隔水层。

综上所述，大厚度湿陷性黄土地基经12 m 深度的挤密桩处理后，地基在有限时间内浸水产生的湿陷量均小于按照室内试验结果计算的值，实测值约为计算值的0.2～0.3 倍。实际工程应用挤密桩地基时，须在桩顶做0.5～0.8 m 的垫层，此做法不仅解决桩土应力比问题，还能形成良好的隔水层，进一步减小了地基浸水的可能性，使得处理深度以下土层发生湿陷变形的概率更小，这对工程来说更安全。12 m 深度的挤密桩地基可消除处理深度范围内地基土的湿陷性，降低地基土的渗透系数，提高地基承载力，在非长期大面积浸水的情况下，此处理深度可满足工程需求，降低地基处理的工程造价。

4 结语

电力工程项目的基底压力一般不大于200 kPa，采取沉管挤密桩地基可满足绝大多数工程对地基承载力的要求。建设在大厚度湿陷性黄土场地上的电力工程项目，在正常运行时不使用水，也不产生水，在做好基本防水措施的基础上，采用12 m 深度的沉管挤密桩复合地基，可有效地解决地基土湿陷变形的问题。采用沉管挤密桩处理湿陷性黄土地基时，须在桩顶设置0.5～0.8 m 厚度的素土或灰土垫层，以便加强地基防水效果，防止地表水下渗引起地基土湿陷和软化。