SDDC工法处理湿陷性黄土地基试验研究.pdf

年 月上第 卷 第 期施工技术（中英文）：工法处理湿陷性黄土地基试验研究周小松，乔建伟，夏玉云，朱才辉，宋少波（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安；陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，陕西 西安；西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安）摘要 研究孔内深层超强夯法（工法）地基处理效果对处理湿陷性黄土地基具有重要工程实际意义。以西安市白鹿原某在建项目为工程背景，通过原位试验、室内试验和理论计算，研究 的单桩挤密效应，分析不同桩间距下 的挤密效应和承载特性。结果表明：夯扩桩桩体中部挤密系数大于桩端，其消除桩周黄土湿陷性的水平距离是桩端的 倍。夯扩桩横向挤密系数随距桩心水平距离变化曲线可分为 段，数学关系可用 模型进行最优函数拟合。夯扩桩三角形布桩时，两桩中心挤密系数小于三桩形心，该结果与 桩不同，按现有公式设计桩间距偏保守。桩体、桩间土及其组成的复合地基承载力和变形模量均随桩间距增加而减小，桩间距相同时复合地基承载力提高系数远小于变形模量提高系数。关键词 复合地基；湿陷性黄土；强夯；挤密系数；承载特性中图分类号 文献标识码 文章编号（）陕西省创新能力支撑计划（，）；国机集团青年科技基金（，）；西安市英才计划青年项目（）；机勘院科技研发基金（）作者简介 周小松，高级工程师，：通信作者 乔建伟，博士，高级工程师，：收稿日期 ，（，；，；，）：（），施工技术（中英文）第 卷 ：；引言 湿陷性黄土是一种具有较强结构性的非饱和土，在天然含水率下压缩性较低、强度较高，但浸水饱和会使结构迅速破坏，强度迅速降低并产生较大的湿陷沉降变形。显著的湿陷沉降变形会使地基基础下沉或产生不均匀沉降，进而引发上部建筑开裂、倾斜和下沉等工程灾害。因此，在湿陷性黄土地区开展工程建设时需消除湿陷性，目前 湿陷性黄土地区建筑标准采用的消除湿陷性的地基处理方法主要有垫层法、强夯法、挤密法和预浸水法。孔内深层强夯法（工法）是挤密法的一种，其作用机理是采用重锤（重 ）将回填材料（素土、灰土）在孔内分层夯实，使填料向孔周侧向挤出，在形成桩体的过程中达到挤密桩周土的目的。该方法在消除黄土湿陷性的同时可大幅提高地基承载力，已广泛应用于湿陷性黄土地区的地基处理。为更好地指导和服务工程建设，学者们运用大量室内试验、现场试验、数值模拟和理论分析等方法对 挤密桩处理湿陷性黄土地基的效果开展了研究，获取了不同设计参数如回填材料、桩长、桩间距、夯击能、夯击次数和施工工艺等对处理效果的影响规律。工法在实际应用中多采用长螺旋钻机成孔的方式，由于成桩直径（）不够，同时夯锤质量较小，仅有 ，导致 工法形成的桩体直径和需要的桩间距均较小，不能有效处理大厚度湿陷性黄土，在大厚度湿陷性黄土地区工程中的应用前景较差。鉴于此，工法锤体自重大，一般为，成桩直径更大，可达 ，从而使桩间土及桩体的密实度更大，可处理的湿陷性黄土层厚度也更大，形成复合地基的承载力也更高，近年来在大厚度湿陷性黄土地区得到广泛应用。部分研究人员结合具体工程对其作用机理和处理效果开展初步研究并取得了一些研究成果，但其试验研究仍严重滞后于工程建设，关于 桩在湿陷性黄土地区挤密效应的研究成果还鲜有报道，如 单桩的侧向挤压影响范围及其变化规律，不同桩间距 桩的挤密效果和消除湿陷性效果，本文针对以上问题进行试验研究。试验概况 场地条件 试验场地位于西安市灞桥区白鹿原生活垃圾无害化处理热电项目，地貌单元为黄土台塬。钻探揭示试验场地地下水位埋深，黄土层厚度，其中湿陷性黄土层厚度，为大厚度自重湿陷性场地。试验场地上部地层基本物理参数如表 所示，试验场地稳定。根据 土工试验方法标准采用轻型击实仪获取试验场地上部地层的最大干密度和对应最优含水率分别为：层马兰黄土的最大干密度为 ，最优含水率为 ；层古土壤最大干密度为 ，最优含水率为 ；层离石黄土最大干密度为 ，最优含水率为 。表 试验场地物理参数 物理参数马兰黄土古土壤离石黄土密度（）孔隙比 干密度（）含水率 饱和度 桩设计与施工 桩设计成孔直径 ，成桩直径 。先采用长螺旋旋挖钻机成孔，然后采用夯实机夯击成桩，回填材料为素土，选择分层夯填，每层回填素土 。鉴于试验场地土层含水率略大于最优含水率，回填前应进行晾晒，成孔完成后首次回填素土前先预夯 遍。夯锤重，每次抬高，每层夯击 次。鉴于本文主要研究 桩的侧向挤压特征和消除黄土湿陷性效果，为节约资源，设计试验桩长为，桩周土为试验场地层马兰黄土、层古土壤和层离石黄土。试验方案设计 ）单桩设计设计 根 长 桩，施工完成后沿桩的 个方向布置 个横剖面，在每根桩周不同水平距离处钻孔取样。其中每个剖面第 个钻孔与桩轴的距离分别为，和，每个钻孔的水平间距均为，结合 个剖面可获得桩轴心以外 内黄土的干密度和自重湿陷系数的变化规律。周小松等：工法处理湿陷性黄土地基试验研究 此外，每个钻孔沿深度间隔 取样，共取 个土样（见图），分别测试物理指标、湿陷系数和挤密系数。图 单桩取样布置（单位：）（：）不同桩间距群桩设置 个 的试验场地，每个场地布设 根 长夯扩桩，呈正三角形布置，分别按桩心距，布设（见图）。群桩施工完成后，参考建筑标准分别从距桩心 半径、三桩形心处和两桩连线中点布置钻孔，每个钻孔沿深度间隔 取样分别测试物理指标、湿陷系数和挤密系数。图 不同桩间距下 桩钻孔与载荷试验布置（单位：）（：）分别在天然黄土地基、不同桩间距桩体和桩间土开展平板载荷试验，测试天然地基、桩体和桩间土的承载力特征值和变形模量，并计算不同桩间距下复合地基的地基承载力特征值。试验承压板均采用圆形钢板，考虑设计单桩的成桩直径为 ，桩体承压板直径为 ，对应面积为 ；根据 建筑地基基础设计规范 和 建筑地基处理技术规范，天然黄土和桩间土承压板直径分别设计为 ，对应承压板面积分别为 ，。试验结果分析 单桩挤密效应 ）竖向挤密效应统计桩心以外 范围内相同深度土层干密度平均值，并对比不同地层原状土干密度，桩周土干密度平均值增加量随深度的变化曲线如图 所示。桩心以外 范围内土层干密度增加量表现为随深度先增加后减小，其中桩顶以下 和桩底以上 范围内干密度增加量较小，小于 。考虑到古土壤层天然干密度较大，可以推测 夯扩桩对桩顶以下 和桩底以上 范围土层（桩端）的挤密效果较差。分析其原因主要是桩端土体缺少竖向限制，如夯击桩底时，夯击能侧向水平传播的同时还产生竖向传播；夯击桩顶时，夯击能侧向水平传播的同时也可产生竖向传播；夯击能的竖向传播削弱了水平的侧向挤压作用。因此，桩体中部挤密效果优于桩端。图 土层干密度增加量随深度的变化特征 ）水平挤密效应考虑试验单桩在深度 的挤密效果较好，计算距桩心不同水平距离土层的挤密系数时，仅统计深度 处的地层干密度。挤密系数随距桩心水平距离的变化曲线如图 所示。由图 可知，桩周土挤密系数随水平距离变化曲线可分为 段：第 段（），随水平距离的增加，桩周土层挤密系数基本保持不变，该段挤密系数平均值为，结合湿陷性黄土地区建筑规范提出的桩体挤密系数 ，认为试验单桩的桩体直径为，与设计值相同；第 段（），随水平距离增加，挤密系数逐渐减小，与水平距离呈负相 施工技术（中英文）第 卷关，当挤密系数为 时，对应水平距离为 ，表明单桩对桩心外 内桩周土的挤密效果较好；第 段（），随水平距离增加，挤密系数基本保持不变，该段挤密系数平均值为 ，略大于原状离石黄土的挤密系数 ，表明 夯扩桩对该段范围土层的挤密效果较差。采用 模型对挤密系数与距桩心水平距离的数学关系进行最优函数拟合，拟合效果较好，为挤密系数，为距桩心水平距离，拟合优度 。图 桩周土挤密系数随距桩心水平距离的变化 ）消除湿陷性选取距桩心不同水平距离、不同深度下的黄土湿陷系数 的数据，绘制不同深度下黄土湿陷系数随距桩心水平距离分布曲线（见图）。单桩桩体顶部（深度，处）外侧黄土在距桩心 处湿陷系数，桩体底部（深度 处）外侧黄土在距桩心 处湿陷系数 ，而桩体中部（深度）外侧黄土在距桩心 处湿陷系数。考虑到 单桩半径为 ，桩体顶部和底部消除桩周土湿陷性的最大水平范围为桩体外 ，不足桩体半径的 倍；而桩体中部消除桩周土湿陷性的最大水平范围可达 ，为桩体半径的 倍，表明 单桩桩端消除桩周土湿陷性效果较差，桩体中部消除桩周土湿陷性效果则较好，进一步证明桩端 范围内挤密效果较差。综上，试验场地黄土天然含水率大于最优含水率，虽然一定程度上降低了桩间土的挤密效果，但显著提升了桩间土的干密度，因此在工程实践中，考虑工程造价和工期，当天然黄土含水率与最优含水率较接近时，可采用 工法进行地基处理，但需通过试夯确定挤密效果。此外，夯扩桩形图 桩周土湿陷系数随距桩心水平距离的分布特征 成的复合地基对 黄土挤密效果和消除湿陷性结果均较差，工程实践中选择 处理大厚度湿陷性黄土湿陷性时，需进一步采用强夯或其他地基处理技术消除上部 范围内的黄土湿陷性。不同桩间距 桩挤密效果 统计不同桩间距中每个钻孔在深度 处的地层干密度，计算平均值和挤密系数，绘制不同位置钻孔挤密系数随桩间距变化曲线（见图）。桩间距相同情况下，距桩心 半径处（孔）挤密系数最大，形心处（孔）挤密系数次之，而两桩连线中点处（孔）挤密系数最小，表明 三角形布桩在形心处的挤密效果优于两桩中心处挤密效果，与 桩在形心处挤密效果不一致。结合规范要求，本文建议对 复合地基分别测试两桩中心和相邻桩形心处桩间土的湿陷系数，当上述桩间土不具有湿陷性时，判定 复合地基无湿陷性。图 不同钻孔挤密系数随桩间距变化曲线 相同位置处黄土挤密系数与桩间距成反比；当桩间距为 时，两桩中心连线中点处挤密系数 周小松等：工法处理湿陷性黄土地基试验研究 为 （），表明当桩间距为 时，挤密效果达不到规范中地基处理要求的最小挤密系数；但当桩间距为 时，两桩中心连线中点处挤密系数为 ，远大于 ，挤密效果好；当桩间距为，时，两桩中心连线中点处挤密系数分别为，略大于 ，挤密效果好。根据规范中桩间距公式计算试验条件下的桩间距 为 ，而试验结果发现桩间距为 ，时，桩间土挤密效果均好，可见计算偏保守。不同桩间距群桩承载特性 ）天然地基承载力天然地基载荷试验 曲线如图 所示。天然黄土地基载荷试验 曲线均可分为 段，加速变形阶段和破坏阶段，表明其无明显的比例界限，组试验对应的极限荷载分别为，。按 获取天然地基承载力特征值为，据 工 程 地 质 手 册 计 算 变 形 模 量为 。图 天然地基载荷试验 曲线 ）不同桩间距下桩体承载力不同桩间距下桩体载荷试验 曲线如图 所示。不同桩间距桩体载荷试验 曲线可划分为 个阶段：加速变形阶段和破坏阶段，表明其无明显的比例界限。按规范获取不同桩间距下桩体承载力特征值，计算变形模量如表 所示，桩体承载力特征值和变形模量均随桩间距增加而减小。）不同桩间距下桩间土承载力绘制不同桩间距桩体载荷试验 曲线（见图）。不同桩间距桩体载荷试验 曲线可划分为 个阶段，加速变形阶段和破坏阶段，表明其无明显的比例界限。按获取不同桩间距桩间土承载力特征值，并计算变形模量如表 所示。桩体承载力特征值和变形模量均随桩间距增加而相应减小。对图 不同桩间距桩下体载荷试验 曲线 表 不同桩间距下桩体承载力特征值与变形模量 桩间距 承载力特征值 变形模量 比表，可知，相同桩间距下桩体的承载力特征值和变形模量均大于桩间土。图 不同桩间距下桩间土载荷试验 曲线 表 不同桩间距下桩间土承载力特征值与变形模量 桩间距 承载力特征值 变形模量 施工技术（中英文）第 卷 综上，尽管 夯扩桩复合地基上部 范围内挤密效果和湿陷性消除效果较差，但桩体和桩间土承载力均显著提高，其原因主要是复合地基中部干密度显著提高，从而增加部地基土体的抗剪强度，进而导致桩体和桩间土承载力显著提高。因此，工程实践中可选择 工法处理大厚度湿陷性黄土，在消除湿陷性的同时可显著提高地基承载力。）不同桩间距下复合地基承载力分别计算 和（见表）。随桩间距增加，复合地基承载力特征值和变形模量均逐渐减小；复合地基承载力和变形模量提高系数均，但变形模量提高系数远大于承载力提高系数，表明 夯扩桩处理后复合地基的变形特性显著提高，因此，按建筑地基处理技术规范计算的复合地基变形模量提高系数则偏保守。当桩间距为 时，复合地基承载力特征值与天然地基承载力特征值基本相同，但变形模量是天然地基的 倍。表 不同桩间距下复合地基承载力特征值和变形模量 桩间距 置换率承载力特征值 变形模量 复合地基承载力特征值提高系数变形模量提高系数 结语 ）夯扩桩竖向对桩顶以下 和桩底以上 范围内的挤密效果较差，其消除桩周土湿陷性的最大水平距离不足桩体半径的 倍；桩体中部范围挤密效果好，其消除桩周土湿陷性的最大水平距离是桩体半径的 倍。）夯扩桩横向上挤密系数随距桩心水平距离变化曲线可分为 段，表现为不变减小不变的特征，其数学关系可用 模型并进行最优函数拟合。）夯扩桩三角形布桩时，单桩中心、两桩中心和三桩形心处挤密系数均随桩间距增加而减小，且两桩中心挤密系数小于三桩形心，群桩桩间距设计按现有规范给定公式的计算结果偏保守。）桩体、桩间土及其组成的复合地基承载力和变形模量均随桩间距增加而减小，桩间距相同时复合地基承载力提高系数远小于变形模量提高系数。本文的天然黄土载荷试验、桩体和桩间土载荷试验圆形板面积不同，一定程度上影响了承载力的对比分析结果。此外，由于缺少较大直径圆形载荷板，复合地基承载力和变形模量采用桩体、桩间土和理论公式计算，缺少实测复合地基承载力特征值和变形模量，后期可开展上述问题的相关研究。参考文献：谢定义 试论我国黄土力学研究中的若干新趋向 岩土工程学报，（）：，（）：赵少强 河南湿陷性黄土地区高速铁路施工技术研究 施工技术，（）：，（）：，（），王家磊，吴帅峰 某高填方机场块石填料强夯质量评价及检测方法试验研究 施工技术，（）：，（）：冯志焱，林在贯，郑 翔 孔内深层强夯法处理湿陷性黄土地基的 一 个 实 例 岩 土 力 学，（）：，（）：，刘志伟，申汝涛 钻孔挤密桩处理强湿陷性黄土地基试验研究 岩土力学，（）：，（），（）：王吉利，李保欣，张炜，等 钻孔夯密桩处理湿陷性黄土地基的试验研究 岩土力学，（）：，（），（）：姚志华，黄雪峰，陈正汉，等 兰州地区大厚度自重湿陷性黄土场地浸水试验综合观测研究 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