12灰土挤密桩施工工艺.docx

灰土挤密桩施工工艺
灰土挤密桩是重要的地基处理方法之一，形成的复合地基具有较高的承载力。处理的地基土无需挖出，在原来的地层位置上即可进行处理。因处理的深度较深，故称深层捣实法。它与夯实、碾压等竖向加密方法不同，属横向加密土层。
1 工艺特点
    材料价格低廉，施工机械相对较简单，方法简便，属经济与技术都较好的一种地基处理方法。
2 适用范围
挤密灰土桩适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等。
3 工艺原理及设计要求

灰土挤密桩是利用打桩机或振动器将钢套管打入地基土层并随之拔出（部分桩亦利用爆扩等方法），在土中形成桩孔，然后在桩孔中分层填入拌制均匀的石灰土，再夯实而成灰土桩。施工中当套管打入地层时，管周地基土受到了较大的水平向挤压作用，使管周一定范围内的地基土的工程物理性质得到改善，土的密度增加、压缩性降低、湿陷性得以全部或部分消除。
3.1.1 对土的侧向挤密作用
土（或灰土、双灰）桩挤压成孔时，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高。其挤密影响半径通常为1.5～2.0d（d为桩径直径）。相邻桩孔间挤密效果试验表明，在相邻桩孔挤密区交界处挤密效果相互叠加，桩间土中心部位的密实度增大且密度变得均匀，桩距越近，叠加效果越显著，合理的相邻桩孔中心距约为2～3倍桩孔直径。
土的天然含水量和干密度对挤密效果影响较大。当含水量接近最佳含水量时，土呈塑性状态，挤密效果最佳。当含水量偏低，土呈坚硬状态时，有效挤密区变小。含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，土体难以挤密，且孔壁附近土的强度因受扰动而降低，拔管时容易出现缩颈等情况。
反之，则有效挤密区较小，挤密效果较差。土质均匀则有效挤密范围大，反之有效挤密范围小。
土体的天然孔隙比对挤密效果有较大影响，当，挤密效果好，当e <0.80，一般情况下土的湿陷性己消除，没有必要采用挤密地基，故应持慎重态度。
3.1.2 桩体材料的作用
（1）灰土桩是用石灰和土按一定体积比例（2∶8或3∶7）拌和，并在桩孔内夯实加密后形成的桩，这种材料在化学性能上具有气硬性和水硬性，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，形成胶体凝聚，并随灰土龄期增长，土体固化作用提高，使土体逐渐增加强度。在力学性能上，它可达到挤密地基效果，提高地基承载力，消除湿陷性，沉降均匀和沉降量减小。
（2）桩体作用在灰土桩挤密地基中，由于灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形模量（灰土的变形模量为E0=29～36MPa，相当于夯实素土的2～10倍），荷载向桩上产生应力集中，从而降低了基础底面以下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。此外，由于灰土桩对桩间土能起侧向约束作用， 限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压密，使压力与沉降始终呈线性关系。
3.2  工艺参数的确定
灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基，一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求，正确选用施工参数，才能达到经济有效的目的。
灰土挤密桩参数包括：承载力、桩孔直径、桩孔深度、处理宽度、桩孔的平面布置、桩距、填料等。
3.2.1 承载力
    湿陷性黄土地基经过灰土桩挤密之后，工程物理性质发生了明显变化，因桩体与桩间挤密土工程物理性质相近，两者能较好地合理分担荷载，共同组成的复合地基一般称为灰土桩挤密地基。
根据P-S曲线上的拐点确定的比例界限所对应的荷载值或相对沉降量s/b=0.015～0.020所对应的荷载值，综合分析确定（b为承压板宽度）灰土桩挤密地基的容许承载力。
3.2.2  桩孔直径
    桩孔直径主要取决于施工机械的能力和地基土层的原始密实度。选择的桩径过小，桩数增加，就增加了打桩和回填的工作量；桩径过大，桩间土挤密效果不好，不能完全消除黄土地基的湿陷性，土的均匀性也差，同时要求成孔机械的能量也太大，振动过程对周围建筑物的影响大。总之，应对以上因素进行综合考虑后正确选择桩径。
3.2.3 桩孔深度
    挤密孔深度主要取决于湿陷性黄土层的厚度、性质以及成孔机械的性能，不得小于3m。
对于非自重湿陷土黄土地基，其处理厚度应为主要持力层的厚度。即基础下土的湿陷起始压力小于附加压力和上覆土层的饱和自重压力之和的全部黄土层，或附加压力等于自重压力25%的深度处。
3.2.4 处理宽度
灰土挤密桩地基的效果也与处理宽度有关。当处理宽度不足时仍可能使基础产生明显下沉。根据现场浸水试验，灰土挤密桩的处理宽度宜采用：在非自重湿陷土黄土地区，挤密地基每边超出地基边缘的尺寸不小于0.3m。
3.2.5 桩孔的平面布置
布孔的基本原则是尽量减少未得到挤密的空白面积。因此，桩孔应尽量按等边三角形排列，这样可使桩间土得以均匀挤密。但有时为了适应基础几何形状的需要或需要减少桩数，也可按正方形、梅花形排列。
3.2.6 桩距和排距
灰土挤密桩地基的效果与桩距的大小关系极大。桩距太大，桩间土的挤密效果不好；桩距太小，桩数增加太多而不经济，同时成孔时地面隆起，桩管打不下去，给施工造成极大的困难。因此，必须合理地选择桩距，选择时应以桩间挤密土能达到设计的密实度为准。要消除桩间土层的湿陷性，桩间土的最小干容重不得小于15kN/m3。
桩距的确定还与土的原始干密度和孔隙比有关，一般应通过试验或计算确定，桩间土的平均压实系数λc=0.90～0.93。
按等边三角形布置桩孔时的桩距L和桩排h的计算原则是挤密范围内平均干密度达到一定密实度的指标，如图1所示，等边△ABC范围内天然土的平均干密度ρd，挤密后其面积减少正好是半个圆面积，而减少了面积的干土密度由于桩孔内土的挤入而增大，由于桩孔内土的挤入而增大，由此可导出：

式中  d—— 桩孔直径（mm）；
   L—— 桩间距（mm）；
  λc——地基挤密后，桩间土的平均压实系数，宜取0.93；
   ρdmax——桩间土的最大干密度（t/m3）；
ρd—— 挤密前土的平均干密度（t/m3。
处理填土地基时，鉴于其干密度值变动较大，一般不易按上式计算桩孔间距，为此，可根据挤密前地基土的承载力标准值ƒs.k和挤密后处理地基要求达到的承载力标准值ƒsp.k，利用下式计算桩孔间距：
式中  ƒp.k——灰土桩体的承载力标准值，宜取ƒp.k=500kPa。
对重要工程或缺乏经验的地区，在桩间距正式设计之前，应根据现场成孔挤密试验确定桩孔间距。
3.2.7 填料和压实系数
桩孔内的填料，应根据工程要求或地基处理的目的确定。并应用压实系数λc控制夯实质量。
当用素填土回填穷实时：λc≥0.95；
当用灰土回填穷实时：λc≥0.97，灰与土的体积配合比宜为2∶8或3∶7。
承载力和变形模量的确定：
（1）载荷试验法。对重大工程，一般应通过载荷试验确定其承载力，如挤密桩目的是为了消除地基湿陷性，则还应进行浸水试验。在自重湿陷性黄土地基上， 浸水范围的直径或边长不应小于湿陷性黄土层的厚度，且不少于10m。
试验时如p-s曲线上无明显直线段，则土桩挤密地基按s/b=0.01～0.015，灰土挤密桩复合地基按s/b=0.008（b为载荷板宽度）所对应的荷载作为处理地基的承载力值。
（2）工程经验法。对一般工程可参照当地经验确定挤密地基土的承载力值。当缺乏经验时，对土挤密桩地基，不应大于处理前的1.4倍，并不应大于180kPa；对灰土挤密桩地基，不应大于处理前的2倍，并不应大于250kPa。二灰具有明显的水硬性，而水养试块强度更高，且随龄期的增长而提高。龄期30天的单桩容许抗压强度可选用900～1600kPa，比灰土桩强度增高1/4左右。
4 工艺流程
灰土挤密桩工艺流程见图2。
5 操作要点
5.1 施工准备
（1）进行图纸复核，编制施工方案，并对作业人员进行培训和技术交底。
（2）对施工现场进行平整，形成横坡，作好排水沟，保证排水畅通。
（3）根据工期要求，组织机械设备及人员进场，并配备测量及检测设备。
（4）平整好堆料场，选定取土场和石灰供应商，对选定的石灰和土进行原材料和土工试验，确定石灰土的最大干密度、最佳含水量等技术参数。
（5）作好施工场地的“三通一平”工作。
5.2 灰土挤密桩施工
（1）备料。将土和石灰运至拌和场，如用生石灰，在拌和前7天进行消解。
（2）每天施工前测定土和石灰的含水量，确保拌和后石灰土的含水接近最佳含水量。
（3）成孔施工。
1）场地平整后，根据设计桩位图定出孔位。
2）沉管机就位后，使沉管尖对准桩位，调平扩桩机架，使桩管保持垂直，用线锤吊线检查桩管垂直度。在成孔过程中，如土质较硬且均匀，可一次性成孔达到设计深度，如中间夹有软弱层，柴油机点火装置可能熄灭，需要人工辅助点火几次，反复几次才能达到设计深度。
3）对地基含水量较大的地方，桩管拔出后，会出现缩孔现象，以致桩孔深度或孔径不够。对孔深不够的孔，可采取超深成孔的方式确保孔深；对孔径不够的孔，可采用洛阳铲进行扩孔，扩孔后及时夯填石灰土。
（4）灰土拌和。首先对土和消解后的石灰分别过筛，然后按灰土体积比2∶8进行配料拌和，在拌料场拌和3遍，运至孔位旁夯填前再拌和一次。
（5）夯填石灰土。
1）夯填采用锤击夹杆夯实机，锤径28㎝，落距50～60㎝，锤重180㎏，每分钟夯击次数为42～45次。
2）夯填前测量成孔深度、孔径，作好记录。
3）夯填前先对孔底夯击4～5锤，每填入3㎝厚夯击不少于3锤，听到第三锤声音清脆，回弹明显，站在孔位旁有回音感觉，夯填联系进行，回填每米填料为0.186m3左右，直到填满夯实为止。
5.3 施工中可能出现的问题和处理方法
（1）夯打时桩孔内有渗水、涌水、积水现象可将孔内水排出地表，或将水下部分改为混凝土桩或碎石桩，水上部分仍为土（或灰土、二灰）桩。
（2）沉管成孔过程中遇障碍物时可采取以下措施处理：
1）用洛阳铲探查并挖除障碍物，也可在其上面或四周适当增加桩数，以弥补局部处理深度的不足，或从结构上采取适当措施进行弥补。
2）对未填实的墓穴、坑洞、地道等面积不大，挖除不便时，可将桩打穿通过，并在此范围内增加桩数，或从结构上采取适当措施进行弥补。
（3）夯打时造成缩径、堵塞、挤密成孔困难、孔壁橱塌等情况，可采取以下措施处理：
1）当含水量过大缩径比较严重时，可向孔内填干砂、生石灰块、碎砖碴、干水泥、粉煤灰；如含水量过小，可预先浸水，使之达到或接近最优含水量。
2）遵守成孔顺序，由外向里间隔进行（硬土由里向外）。
3）施工中宜打一孔，填一孔，或隔几个桩位跳打开实。
4）合理控制桩的有效挤密范围。
6 主要机具设备
6.1  机械设备
见表1。
表1  机械设备表
序号
机械名称
型   号
数 量
功率（kW）
1
履带式柴油打桩机
6135AK-11
2
150
2
夹杆夯实机

6
20
3
刷孔机

4

4
电焊机
BX100
1
15
5
发电机组

1
50
    另需测量仪器、土工试验设备、钻心取样设备、静载试验设备等。
7 劳动力组织
灰土挤密桩施工劳动力组织见表2。
表2  劳动力组织表
序号
工种
人数
工作内容
1
拌料
6
拌制填料
2
成孔
5
定位、成孔
3
填料
1
填充材料
4
夯实
4
夯实填充材料
5
筛分
2
筛选材料
6
计量
1
标准计量材料、筛分及夯实等
7
其他
3
辅助工作
合计

22

8 质量要求及质量控制措施
施工中要经常检查桩位、桩径、桩深、桩孔垂直度、缩颈、坍孔和浸水以及土料的含水量和拌合均匀程度等问题。
（1）每天施工前要对填料的含水量进行严格控制，含水量过大或过小都会影响夯填密实效果。
（2）夯机就位后要保持平稳，沉管垂直，夯锤对中桩孔，确保夯锤能自由落入孔底。
（3）施工场地一定要排水畅通，否则一旦下雨，基底含水量增大，更容易引起缩孔。雨水进入桩体内，也影响桩体质量。
（4）成孔采用隔跳打的方式，如先打1排和3排，再在中间打第2排，有利于增加挤密效果。
（5）成孔后要及时回填，以免缩孔和雨水进入孔内。
（6）填筑施工前进行夯填试验，以确定每次合理的填料数量和夯填次数。
（7）人工填料时要按交底要求均匀投料，灰土要拌和均匀。旁站质检人员作好施工记录。
（8）灰土挤密桩的试验控制工作。主要分为现场桩体检测、三桩复合地基静载试验、室内灰土试样抗压强度试验、桩体的压实系数试验及桩间土湿陷性、压缩性试验。检测桩体数量为灰土桩总数的2%，桩间土检测频率为1‰。不合格处应采取加桩或其他补救措施。夯实质量的检验方法有下列几种：
1）轻便触探检验法。先通过试验夯填，求得“检定锤击数”，施工检验时以实际锤击数不小于检定锤击数为合格。
2）环刀取样检验法。先用洛阳铲在桩孔中心挖孔或通过开剖桩身，从基底算起沿深度方向每隔1.0～105m 用带长把的小环刀分层取出原状弄实土样，测定其干密度。
3）平板载荷试验。对一般工程，主要应检查桩和桩间土的干密度和承载力；对重要或大型工程，除应检测上述内容外，还应进行载荷试验或其他原位测试，也可在地基处理的全部深度内取样测定桩间土的压缩性和湿陷性。
9 安全及环保措施
9.1 施工安全
（1）施工、安全人员必须经技术安全培训后持证上岗。
（2）所用机械、电气设备必须达到安全防护标准。
（3）桩机周围5m以内应无高压线路，作业区应有明显标志或围栏，严禁闲人入内。
（4）电缆应尽量架空设置；不能架起的电缆当钻机行走时一定要有专人提起电缆同行，通过道路时应采取保护措施。
（5）施工过程中应经常检查钢丝绳的磨损情况、卡扣的紧固程度以及转向装置灵活性，防止发生事故。
9.2 环境保护
（1）石灰等细颗粒散体材料，应遮盖存放，运输时应防止遗撒、飞扬。
（2）施工场地应制定洒水降尘措施，设专人负责并及时清除浮土。
（3）夜间施工时，应采取措施减少扰民。
10 工程实例
济（源）至洛（阳）高速公路K62+620～K62+750段位于典型的黄土冲击平原区，地层主要以第四系冲击层为主。土质属Ⅱ级非自重湿陷性黄土，且该段由于地处一大型加油站背后，加油站常年排水，基底平均含水量达20.3%，承载力差。为消除湿陷性，提高地基承载力，该段地基加固采用灰土挤密桩。
10.1  设计参数
设计确定的施工参数为：桩长6.0m，桩径0.5m，桩距1.2m，平面呈梅花形布置，灰土配合比为体积比2∶8。该段平均处理宽度49m，长度130m，灰土桩共计5520根总长33120m。桩体设计自然状态下无侧限抗压强度为：R28≥0.5MPa，复合地基承载力为150MPa，湿陷性完全消除。
10.2 施工效果 
10.2.1 桩体和桩间土现场检测
桩体现场检测内容主要包括桩径、桩距、桩长、桩体土、桩间土描述。其中，桩距、桩径检测方法采用钢卷尺现场量测，桩长、桩体土芯样描叙通过钻孔取芯方法进行检测，桩间土采用人工探井取原状土样进行检测。
桩体检测根数为124根，其中检测压实系数的桩为75根，均为优良桩；检测抗压强度的桩为49根，均合格。有关检测结果如下。
（1）桩体压实系数统计。
见表2。
表2  桩体压实系数统计表
平均值（MPa）
压实系数分布频率（%）
<0.90
（<1.52）
90～0.93
（1.52～1.57）
93～0.96
（1.57～1.62）
≥0.96
（≥1.62）
0.963
10.3
17.2
17.8
54.7
（2）抗压强度统计。
见表3。
表3  抗压强度统计表
平均值（MPa）
抗压强度分布频率（%）
<0.17
0.17～0.3
0.3～0.45
≥0.45
0.33
17.6
20.3
45.2
16.9

10.2.2 复合地基静载荷试验检测
载荷试验为三桩复合地基载荷试验。检测三桩复合地基承载力，试验采用慢速维持荷载法进行，根据现场条件，采用钢梁上配置重物的形式（堆重法）提供试验所需反力，通过油压千斤顶分级施加荷载。
静载试验3组，平均值220kPa，满足设计要求。如表4。
表4  静载试验检测记录表
桩号
最大加荷
（kN）
累计沉降
（mm）
回弹量
（mm）
承载力值
（kPa）
承载力特征值（kPa）
1-1
1800
58.21
13.87
234.7

220

1-2
1800
61.71
14.14
240.0
1-3
1800
86.07
21.35
185.3
10.2.3 室内试验
室内试验主要分干密度试验和抗压强度试验。干密度试验目的是求灰兔的压实系数；对桩间土原状样进行土工常规试验、湿陷性试验及固结试验；抗压强度试验主要检测桩基土样的抗压强度。
桩间土取样51组，其干密度、孔隙比、压缩系数及湿陷性系数较挤密前有显著改善，各项指标均达设计要求，挤密效果明显，合格率100%。
室内试验结果见表5。
表5  室内试验前后系数对照表

干密度ρd
（g/cm3）
孔隙比e
压缩系数
a1-2（MPa-1）
湿陷系数
δs
挤密前
范围
1.34～1.71
0.578～1.019
0.07～0.4
0.001～0.066
平均值
1.45
0.810
0.2
0.029
挤密后
范围
1.39～1.83
0.554～0.845
0.1～0.28
0.001～0.026
平均值
1.71
0.626
0.14
0.007
灰土挤密桩成功地解决了消除黄土湿陷性、提高地基承载力的目的。由于该方法处理湿陷性黄土属原位处理方法，处理的地基土无须挖出，环保作用明显。而且该方法处理地基较深（最深可达15m），回填材料价格低廉，施工机械简单，工艺也较简便，属经济与技术效果都较好的一种地基处理方法，具有较大的推广价值。施工效果见图3、图4、图5、图6。

   图3  用洛阳铲成孔
  图4  灰土桩复合地基静载试验
  图5  清理桩头
  图6  桩头处理完成后的情况

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