灰土挤密桩在湿陷性黄土路基处理中的应用

灰土挤密桩在湿陷性黄土路基处理中的应用

魏永海

中国市政工程西北设计研究院有限公司 甘肃兰州 730000

【摘要】本文通过分析灰土挤密桩在消除黄土湿陷性方面的加固机理，结合工程实例，进行灰土挤密桩的设计，选用不同桩径、桩间距的灰土挤密桩进行承载力计算，对比分析该处理措施在消除黄土湿陷性方面的处理效果。

【关键词】湿陷性黄土；灰土挤密桩；复合地基

1、加固机理

湿陷性黄土由于其欠密实性使得其土质较为均匀、结构疏松、并且孔隙发育，通常，由于其较强的结构性，强度比较高。但浸水后，这种结构会迅速发生变化，使土结构迅速破坏，产生较大下沉，强度迅速降低。土挤密桩是由素土、熟石灰按一定比例拌合，采取沉管、冲击、爆扩等方法在地基中形成一定直径的桩孔，然后向孔内分层夯填灰土，以提高地基的承载力和水稳性。

由于成孔成桩过程中，桩孔径向外扩张，使桩孔周围的土体产生径向压密，桩周一定范围内的桩间土层得到挤密，从而形成桩体和桩周挤密土共同组成的人工复合地基。由灰土桩和挤密土构成的复合地基，其地基特性介于灰土桩和挤密土之间。灰土挤密桩通过在地基中的挤土效应、灰土之间的凝硬、离子交换等一系列物理化学反应，从而提高地基土的承载力。

2、工程实例

2.1工程概况

拟建兰州恒大文化旅游城项目位于兰州市城关区北部、黄河左岸，北临皋兰县，东至青水沟，西至大浪沟盐什公路，南至碱水沟村，北至南岔村。项目占面积7235亩。规划区内规划干路（主干路、次干路）总长度为25.661Km；规划支路总长度为15.351Km。干路路网密度为5.32Km/Km²；支路路网密度为3.18Km/Km²。

2.2地基加固方案

2.2.1处理方案拟定

依据勘察报告，湿陷性土层下限标高为1657.7~1659.6m，当处理标高为1662.7m时，场地内最大剩余湿陷量为88~132mm；当处理标高为1663.7m，场地内最大剩余湿陷量为96~186mm。经计算均可满足道路路基的剩余湿陷量要求。

道路设计标高1678.25m，路面结构厚0.7m，桩长与褥垫层总厚为13.85~14.85m，本次拟定桩长14.5m，褥垫层厚0.5m，处理深度共15m。桩顶位于第②层，桩身主要部分及桩端位于第③层。根据地勘报告建议及工程经验，桩径拟定为500mm。

图1 灰土挤密桩地基处理标准横断面图

图2 挤密桩平面布置示意图

2.2.2确定桩间距

桩采用3:7灰土，正三角形布置，依据JTG/T-D31-05-2017《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》4.5.4公式计算桩间距，取最大干密度1.71g/cm³，平均干密度1.39g/m³，平均挤密系数0.94，预钻孔直径0.3m，得S=1.07m。具体见式（1）

（1）

式中，S为桩孔间的巾心距离，m；D为桩体直径，m；d为预钻孔直径，m；β为桩位在平面图上呈正三角形布置时取0.952，呈正方形布置时取0.886； 为桩间土挤密后的平均干密度，g/cm³， ； 为桩间土最大干密度，g/cm³，由室内重型击实试验确定； 为处理前地基土的平均干密度，g/cm³。

取桩间距1m，即桩孔直径的2倍，预钻孔直径0.3m，面积置换率见式（2）： （2）

式中，m为面积置换率；D为桩身平均直径，m；d_e为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m。

复合地基承载力根据JGJ79-2012《建筑地基处理技木规范》，可得式（3）：

（3）

式中，f_spk为复合地基承载力特征值，KPa；f_pk为灰土桩承载力特征值，KPa；f_sk为处理后桩间土承载力特征值，KPa；ε为桩间土承载力发挥系数；m为面积置换率。其中，f_sk、ε可根据当地具体情况取值；本次根据实际情况取f_sk=370KPa，ε=0.9作为灰土复合地基承载力的设计参数。

根据以上计算过程可知，当S/D为定值时，置换率m也为定值。相同的地基承载力计算值、同等面积区域内的灰土使用量也基本一样。但小桩径、较密排桩布置的场地均匀性更好。因此，通常情况下，应优先选用相对较小桩径较密排布的处理措施。

同时，通过承载力估算公式可看出，单桩承载力越大，灰土桩对地基承载力的提升作用就越大。根据灰土桩挤密地基不同层位的桩土应力分布，在桩顶段桩分担荷载的作用十分显著，1.5D深度以下桩身应力逐层降低，而土中的应力相应增加，6D深度以下，桩土应力基本均匀，但这时土中应力已因向外围扩散而逐步减小。桩身桩身应力在6D~10D深度以下趋于0。故在桩顶10D部分的强度与复合地基承载力密切相关，桩顶10D以下部分复合地基对桩体的主要需求是高密实度。

2.2.3褥垫层

桩顶褥垫层作为复合地基与基础之间的应力扩散层，褥垫层的设置既可以保证桩、土共同承担荷载，调整桩、土应力比，还可以减少基础底面积的应力集中，调整桩、土水平荷载的分担。因此，褥垫层的厚度对灰土挤密桩复合地基的加固效果具有重要影响。褥垫层过薄时，荷载均由桩体承担，桩间土的承载力没有得到充分的发挥。但当褥垫层厚度过大时，桩与土的应力比接近1:1，此时，桩的承载能力不能充分发挥。当桩间距较大、荷载较大时，应使用较厚的褥垫层。根据规范以及实际工程经验，本次褥垫层采用3:7灰土，厚度取0.5m，压实系数≥0.95。

2.2.4设计结果

根据以上计算分析，确定正三角形布桩，灰土桩采用3:7灰土填筑，压实系数≥0.97，桩径0.5m，预钻孔孔径0.3m，桩间距1m，桩长14.5m。褥垫层采用3:7灰土，压实系数≥0.95，厚度0.5m。根据计算结果，灰土挤密桩在消除湿陷性及提高承载力方面均能满足要求。

3、不同桩径、桩间距对比分析

本场地土质最大干密度1.71g/cm³，而湿陷性黄土干密度达到1.48g/cm³时，湿陷性即可认为完全消除。

采用1.48g/cm³作为挤密后最终平均干密度进行对比，桩径D取0.6m，其余数据同上。

面积置换率计算如下：

复合地基承载力特征值计算如下：

可见，采用0.6m桩径、1.78m桩间距进行湿陷性黄土地基处理时，湿陷性已基本消除，但承载力未得到显著提高。

4、防水措施

湿陷性黄土地基的排水、防水问题至关重要，路基处理应治与防并重，采用灰土挤密桩等措施加固处理后，还应做好道路周边排水设施，以及针对给排水、供暖等管道及草坪绿地等区域的防渗堵漏措施，避免水下渗后未处理湿陷性土层湿陷，造成路基沉陷破坏。

5、结语

综上所述，单桩承载力越大，灰土桩对地基承载力的提升作用就越大，地基承载力可以满足要求，采用挤密桩处理主要为消除土体湿陷性时，挤密桩桩体可采用更为经济的填料，如2:8灰土或素土。灰土挤密桩作为湿陷性黄土地基的常用处理方法，可增大土体干重度、降低土体孔隙比、有效消除黄土湿陷性，值得推广应用。

【参考文献】

【1】《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》JTG/T-D31-05-2017

【2】《建筑地基处理技木规范》JGJ79-2012

【3】龚晓南.《地基处理手册》（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社