水泥土挤密桩处理湿陷性黄土地基研究

罗金波 房雷 路少山 彭阿丽 袁伟东

摘 要：针对水泥土挤密桩处理湿陷性黄土地基时，承载能力不明确的问题，以山西省中部某高铁项目为依托，对水泥土挤密桩承载力进行研究。结果表明：本试验建设的水泥土挤密桩身的完整性和桩体强度皆满足设计要求;在竖向最大荷载的作用下，地基没有表现出任何破坏特征，证明在测试过程中，复合地基未达到极限状态。水泥土挤密桩复合地基理论值大于静载试验得到特征值。

关键词：湿陷性黄土地基;水泥土挤密桩;复合地基;承载力

中图分类号：TU521       文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）03-0149-04

Study on treatment of collapsible loess foundation with

cement soil compaction pile

LUO Jinbo，FANG Lei，LU Shaoshan，PENG Ali，YUAN Weidong

（Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Survey Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

Abstract：In view of the unclear bearing capacity of cement soil compaction pile in the treatment of collapsible loess foundation，based on a high-speed railway project in central Shanxi province，the bearing capacity of cement soil compaction pile is studied.The results show that the integrity and strength of the cement soil compaction pile meet the design requirements; under the action of vertical maximum load， the foundation does not show any failure characteristics，which proves that the composite foundation does not reach the limit state in the test process.The theoretical value of cement soil compaction pile composite foundation is greater than the characteristic value obtained from static load test.

Key words：collapsible loess foundation;cement soil compaction pile;composite foundation;bearing capacity

濕陷性黄土是我国北部较为常见的一种地基，该地基的特点在于受到水的影响后，在黄土自身重力和其他附加压力的作用下，土体会出现不断下沉的现象，因此需要提前对黄土地基进行加固处理。但受湿陷性黄土地基自身特性的影响，传统方法难以对湿陷性黄土地基进行有效加固，因此寻找一种适合的加固方法是目前较为重要的一项研究。对此，国内很多学者也进行了很多研究，为明确碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基的效果，以某深厚湿陷性黄土地基处理工程为依托进行了试验。结果表明，碎石桩可在一定深度范围内消除黄土地基的湿陷性，但超过该范围后，则达不到理想的效果[1];用劈裂注浆现场试验验证了为验证劈裂注浆加固法在处理西北湿陷性黄土地基的有效性与实用性。结果表明：劈裂注浆加固法可大程度改善黄土的工作性质[2]。该研究为湿陷性黄土地基的处理提供了一些方法。基于此，本文以某高铁项目为依托，提出水泥土挤密桩对湿陷性黄土地基进行处理，湿陷性黄土地基的处理提供一些理论基础。

1 工程概况

本次研究中选择的区段主要是（DK48+950）～（DK50+800） 。根据现有的资料可知该区域存在显著的湿陷性黄土，以中度湿陷为主，分布特征如图1所示[4]，且有δs=0.015～0.12[3]。总体分布在深度低于8 m的土层中，而在8～11 m内存在较多的粉细砂颗粒。在3～5 m的部分地层内水分较多，并且土质粘性相对较高。根据获取到的资料，在处理时确定了采用水泥土挤密桩。

针对上述问题，考虑到施工现场的基本情况，在（DK49+810）～（DK50+809）段采用了水泥土挤密桩，主要以P·O42.5硅酸盐水泥以及素土混合料材料为主，桩数目为32 000，长度总计达到了256 km。在设计中采用了正三角布置方式，桩长、中心距分别是8、1.2 m，需要达到13.4%的置换率。在研究中需要对地基承载力以及沉降特性进行分析，确保满足施工的基本要求。

2 水泥挤密桩处理湿陷黄土方案设计

2.1 水泥土挤密桩设计

结合得到的现场资料可知，该区域自重湿陷性黄土层厚8 m，对应的湿陷量总数、总自重湿陷量分别是ΣΔs（s为湿陷系数）=533.9 mm，ΣΔzs（zs为自重湿陷系数）=378.7 mm。针对黄土湿陷性的处理可以采用水泥土挤密桩，并且通过这种方式有助于提高地基水稳定性。所以在地基加固中最终采用了上述方法，在采用水泥土挤密桩时需要对桩孔尺寸、数目以及中心距等参数进行合理地设计，确保可以达到预期的效果[5-6]。

2.1.1 桩型选择

当前在水泥土挤密桩成孔方面主要采用先钻孔后夯扩和直接挤密成孔方式。二者存在一定的差异性，前者的优势在于解决了回淤现象等问题，然而应用到湿陷性黄土区域时，受到土层压缩性的影响，无法直接获取到桩体直径信息，所以难以保证较高的桩孔质量。后者主要是将沉管强行压入地层，然后拔出沉管，在挤压之后即可形成桩孔，该方法可以保证较高的桩孔质量。所以本次研究中采用了该方法对地基进行处理。

2.1.2 桩孔直径确定

在设计桩孔直径时应该将相关因素综合考虑在内，具体包括置换率、成孔方式以及施工成本等，通常情况下将其设置为40 cm，以此可以满足设计的要求，并且达到较高的性价比。所以在本次设计中将水泥土挤密桩桩孔直径设计为40 cm。

2.1.3 桩长确定

受到上部荷载的影响，桩体在底部内会出现挤压变形等问题，其破坏长度主要处于（1.5～3）d。根据得到的资料可知，湿陷性黄土厚度处于6.9～8 m以内，下承层主要是粉砂，并且有σ=190 kPa，所以不存在湿陷。结合上述分析确定水泥土挤密桩的长度为8 m，可达到承载力要求。

2.1.4 桩间距确定

在实际设计中需要保持合适大小的桩间距，如果其过大或者过小，均会产生不利的影响。其中在过大时则影响到了桩间土体的压实性;而在过小时则会增大了成孔过程的复杂度。在设计中通常需要保证其高于桩孔直径，基本为后者的2～3倍，而平均压实系数高于0.93。在此次设计中选择了等边三角形布置方式，即各个桩孔的中心距是一致的，需要结合多方面的因素来确定合适的间距S，其公式表示：

S=0.95dcρdmaxρdmax-ρd

式中：ρdo、ρdmax分别代表复合地基桩间土干密度、最大值;ηc代表平均挤密系数，η=ρdoρdmax;d代表桩孔直径;ρd代表地基土干密度均值。具体的布置方式如图2所示。

综上所述，确定水泥土挤密桩的桩长L、直径d、间距S以及行距H分别为8、0.4、1.2、1.04 m。另外，在桩顶铺设混合料垫层，并且水泥掺量保持在6%以上。

2.2 水泥土挤密桩施工

在施工过程中选择了履带式打桩机，在成孔检测结束之后自动回填夹杆锤边填边用锤夯打成桩[7]。成桩设备：主要包括自动回填夹杆锤、打桩机以及柴油锤等，其中柴油锤需要设置在钢沉管中，便于冲击地基成孔;而自动回填夹杆锤主要应用到了成桩回填过程中。沉管底部设计为内凹形状，以此可以解决由于其质量过大而导致的夹击问题。另外，还需要对沉管吊高进行合理化设计，进而满足试验精度的要求[8]。在成孔地层含水率过小的情况，则会增大成孔的难度，所以必须通过加水方式进行处理。

2.2.1 成孔

1）成孔顺序成孔时需要采用合适的顺序，这里选择外侧向内侧隔排行成孔方式，对于同排需要间隔1～2个孔，具体施工顺序如图3所示。

2）成孔

在此次設计选择了柴油锤击、沉管成孔方式;针对沉管深度设置必要的长度控制标志。

（1）首先针对成孔机械进行设置，确保达到牢固性的要求。将桩管吊起之后，通过对机械的调整使得桩点电位和沉管保持一致，然后通过锤击方式将桩管压入地层内;

（2）在桩顶入土的初始阶段需要先锤击土，在进入土内1～2 m之后对沉管进行锤击，直到满足深度要求时结束此过程;

（3）在成孔时需要关注桩体斜度变化，如果倾斜度超过1.5%，则需要对倾斜原因进行分析;如果确定与地质因素有关，则需要进一步根据得到的结果采取合适的措施。如果和地质因素无关，则重新成孔;

（4）在沉管达到深度要求之后，逐步将其取出。然后对孔参数进行测定，测定内容主要包括孔径、孔深，前者允许误差±5 cm;后者保持在±50 cm以内。

针对桩位以及孔径进行详细的检测，确保在达到设定的要求之后继续执行后续的处理。孔深需要保持在正常范围内，如果孔深度过大，则可以采用回填素土并结合夯实的方式进行处理;如果孔深度过小，则应该进行加深处理。另外，在成孔失败时也需要详细分析原因，并及时采取有效的改进策略，一般需要对失败的成孔进行填土夯实，然后再次开孔。

2.2.2 填料成桩

1）填料拌制

在拌制填料时需要按照规范化的流程操作，确保各个材料用量合理。根据试验得到的配合比完成对水泥等原料的配制[9]，并达到最佳的含水率，偏差控制在±2%。拌合时需要保持均匀，避免土结块尺寸超过2 cm。另外，混合而成的水泥土需要保持干燥，避免有水分进入，否则会影响到后续的使用;

2）水泥土回填夯实

在回填夯实过程中，需要对改良土使用进行及时沟通，确保满足材料使用量的要求，并减少存在的浪费问题。另外，在回填中需要设置适量的夹杆锤，确保锤径低于孔径，便于提升夯实的效果。除了上述要求之外，为了提高桩头压实度，在回填到桩顶时需要高于地面，并适当提高夯击次数。

回填夯实中，采用连续施工方式，避免存在施工间隔，否则会影响到桩基承载力。

夯实机的操作人员需要达到一定的要求，应该具备相关工作经验，并且了解回填过程以及相关参数设置。一般的水泥土挤密桩参数如表1所示。

3 方案构建效果

3.1 水泥土挤密桩质量检验

本次研究分别在成桩14、28 d时进行取芯检测和复合地基静载荷试验。

3.1.1 钻孔取芯检测

在钻孔取芯过程中，选择了ZR型全液压顶进钻机。取样时将垂直度控制在1.5%内，取芯管直径则要求达到100 mm以上。另外，取芯时还需要将速度、用水量以及钻孔压力保持在适当范围内。取芯时每1 m保留一个备用的样本，以方便应用到后续的检测中。在完成取芯过程后，针对采集的样本进行检测;具体结果如表2所示。

3.1.2 单桩复合地基静载荷试验

将荷载等逐步从顶部施加，分析位移与荷载等因素之间的关系。该试验需要在成桩28 d之后进行，其中承载力特征值要求不低于150 kPa。在此次试验中，选择的桩号是S2-1#。通过以上方法，得到如图4所示的单桩复合地基承载力荷载-沉降曲线。

由图4可知，整个曲线属于一个圆弧线，平滑度较高，不存在突变点;最大荷载值为300 kPa，最大沉降量为9.71 mm。试验中发现，在达到最大荷载时桩体未发生破坏;为此，可以认为没有达到荷载极限。由于此次研究采用的是水泥土挤密桩，结合最终的试验结果可知各个桩均满足了设计的要求。

4 结语

本文以某高铁项目为依托，对水泥土挤密桩处理湿陷性黄土地基加固机理和承载力计算进行了系统研究。

（1）通过钻芯试验证实水泥土挤密桩的桩体无侧限抗压强度和桩身完整性均满足施工要求;

（2）静载试验的荷载-沉降曲线表现为平滑的渐变形态，在荷载增加的过程中，地基未出现挤压破碎或局部剪切破坏的情况，这就证实复合地基在试验中并未达到极限状态;

（3）在进行试验时，因荷载无法达到复合地基承受荷载最大值，所以单桩复合地基承载力，满足设计要求。

【参考文献】

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