湿陷性黄土地区灰土挤密桩法成孔工法探究

吕强 刘瑞

【摘要】湿陷性黄土是以粉质黏土为主要成分，呈褐黃色、黄色，具有天然含水量偏低，大孔隙，富含钙质结核等多种特征。陕西地区湿陷性黄土分布范围非常广泛，在该类土体上进行大规模工程建设的现象也越来越普遍，特别是近些年来随着西部大开发战略的持续推进，超大型建筑物越来越多，大厚度、大面积湿陷性黄土地基处理工程项目显著增加。然而建筑物建造在湿陷性黄土上，经常会出现与黄土性质相关的危害，究其原因是地基土体遇水，并在自重应力和附加荷载或上覆土层自重应力作用下，土体结构破坏而发生显著沉降变形，是引起建构筑物开裂、下沉的主要因素，因此对黄土湿陷性的研究与人工处理是非常必要的，在工程领域中也占有十分重要的地位。论文的主要内容包括：首先，从微观上分析了黄土湿陷性的成因及机理，介绍了常用的黄土地区建筑物消除地基湿陷性的处理方法，对当前工程常用的湿陷性黄土地基处理方法进行比较分析研究，为陕西关中地区拟建建筑物地基处理方法的选择提供了参考，具有实践指导意义。其次，通过对西安北郊港务区湿陷性黄土施工场地工程案例的分析对比，提出非挤压挤密排土成孔工艺对地基土挤密效果中存在的劣势，需要在工程实践中加以改进，以便充分发挥其他方面优势，在湿陷性黄土地基处理中得到广泛应用。

【关键词】螺旋成孔;挤密系数;塑性区半径;双重挤密;挤扩钻头

【中图分类号】TU475.3

灰土挤密桩法，是特殊土地基加固处理的方法之一，是一种常规人工复合地基处理工法，通常在湿陷性黄土地区使用较广。其加固机理为 3∶7（ 2∶8） 灰土在化学性能上具有气硬性和水硬性[1]。 由于石灰内带正电荷的钙离子与带负电荷的黏土颗粒相互吸附， 形成胶体凝聚， 并随灰土期龄的增长， 土体固化作用提高， 使灰土的强度逐渐增大。 在力学性能上， 可挤密地基， 提高地基承载力， 消除湿陷性， 减小沉降并使之均匀[2，3]。

由于湿陷性黄土属于非饱和的欠压密土，具有孔隙比较大而干密度较小的特征，同时也是其产生浸水湿陷的根本原因，试验研究和工程实践证明，当黄土的干密度及其挤密系数达到某一标准时，即可消除其湿陷性[4]。灰土挤密桩正是利用此原理通过原位深层挤压成孔，使桩间土得到加密，其施工工艺通常是采用螺旋钻孔或冲击、振动方法成孔，然后进行灰土的回填和夯实，从而形成增大直径的桩体，与此同时桩间土因成孔成桩过程中的挤密夯实作用得到增强，桩和桩间土一起形成复合地基[5，6]。

1、灰土挤密桩法加固机理

灰土挤密桩是利用横向挤压成孔设备在地基中成孔，通过“挤”压作用，使地基土得到加“密”，然后在孔中分层填入灰土后夯实而成灰土桩，它属于柔性桩，与桩间土共同组成复合地基[7]。灰土挤密桩法处理地基的加固机理主要包括“土的侧向挤密作用”和“灰土竖向桩体的作用”两方面[8]。首先，灰土挤密桩挤压成孔时，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为桩直径），相邻桩孔挤密区交界处挤密效果相互叠加;其次，灰土桩是用消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桩体，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，使土体强度逐渐增加[9，10]。在力学性能上，可达到挤密地基效果，提高地基承载力，消除场地湿陷性，减少建筑物沉降量。此工法相对于灰土垫层法等对于湿陷性黄土地基的处理深度更大，而且地基处理过程中不用进行土体的换填，在原有位置上就可以进行施工[22]。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）[11]复合地基的定义，灰土挤密桩就是桩间土体被挤密增强，而桩体被有效置换，形成由被增强的地基土、竖向增强体和褥垫层三位一体共同承担荷载的人工地基。其复合地基承载力特征值计算公式在规范7.1.5条中也明确给出：

由公式中也可看出，地基处理后的承载能力主要是由桩体单桩竖向承载力特征值Ra和加固处理后的桩间土承载力特征值fsk提供。

2、常规灰土挤密桩成孔施工工艺

灰土挤密桩成孔工艺按桩孔土体排放方式分为排土和非排土成孔工艺。

排土式最常见成孔方式是利用液压步履式长螺旋成孔设备干式排土成孔[12，13]。根据功的原理，在大扭矩动力头作用下将螺杆旋转一周，叶片上土体被举高一个螺距（即两螺纹间竖直距离），并带动钻头切削孔内土体和孔壁分离后，大部分渣土被长螺旋叶片导向地面或粘附在螺旋钻杆叶片上带至地面。排土式成孔工艺虽然在成孔过程中钻头和螺旋钻杆切削孔内土体时对桩周土体也产生一定的挤压作用，但随着螺旋叶片带动切削后的渣土不断上升而得到释放，成孔时对桩间地基土的一次挤压作用可忽略不计。

而非排土式分为打入式、振入式和压入式[14]。打入式最常见的是履带式柴油锤打桩机冲击成孔，利用导杆锤柴油打桩锤或筒式柴油打桩锤成孔用冲击方法，把圆柱形钢质桩管打入原地基，拔出后形成桩孔;振入式最常见的是振动沉管桩机振动成孔，利用偏心电动振动锤产生激振力[15，16]，把圆柱形钢质桩管振入原地基，拔出后形成桩孔;压入式最常见的是静力压桩机成孔，利用大吨位步履式静力压桩机产生反力通过液压油缸把圆柱形钢质桩管压入原地基，拔出后形成桩孔[17]。以上三种非排土成孔方式其特点在于不取土，挤压原地基成孔;回填物料时，夯实物料进一步挤压扩孔。

3、项目案例

3.1工程概况

建设场地位于西安国际港务区保税路交汇口，建筑地上1层，钢结构，筏板基础，地基基础设计等级为丙级，灰土挤密桩桩径400mm，有效桩长15.00m，桩间距900mm，等边三角形布桩。拟建场地为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅳ级（很严重）。

2#冷库总桩数11547根，地基处理面积8094.45m?，采用液压步履式长螺旋成孔设备干式排土成孔;而3#冷库总桩数8156根，地基处理面积5670m?，采用导杆锤柴油打桩锤打入式成孔。

3.2桩间土检测方案及结果

开挖挤密单元探井，从桩顶标高处向下，在等边三角形形心部位（湿陷性评价）、距离桩体外10cm处及桩孔之间的中心距处（平均挤密系数），每间隔1.00m取样。制取湿陷性样品和桩间土挤密系数土样，进行土工分析测试。

2#冷库桩间土湿陷性结果：由土工试验报告知，39个探井所取的585个土样中，有52组土样湿陷系数大于0.015，其余均小于0.015，故在地基处理深度范围内桩间土的湿陷性基本消除。由干密度试验成果表及施工单位提供的击实试验报告，计算桩间土挤密系数，39个探井桩间土挤密系数介于0.91～0.94之间，平均挤密系数不低于0.93，满足设计要求。

3#冷库桩间土湿陷性结果：由土工试验报告知，28个探井所取的420个土样中，有2组土样湿陷系数大于0.015，其余均小于0.015，故在地基处理深度范围内桩间土的湿陷性全部消除。由干密度试验成果表及施工单位提供的击实试验报告，计算桩间土挤密系数，28个探井桩间土挤密系数介于0.93～0.97之间，平均挤密系数不低于0.95，满足设计要求。

3.3對比结果原因分析

2#和3#冷库桩间土挤密系数统计散点图

对以上检测结果进行数理统计分析，在同一湿陷场地采用两种不同成孔工艺的灰土挤密桩成孔工艺对桩间土的挤密效果对比还是十分明显的，采用非排土成孔方式的3#冷库大于采用排土方式的2#冷库桩间土挤密系数，这其中的主要原因是非排土法成孔时对桩周土的一次挤压起主导作用。

桩周土的挤密过程可采用圆柱形孔扩张理论来描述。根据Vesic圆孔扩张理论（龚晓南，1990）[1]，极限平衡状态时，圆孔外存在一塑性区，塑性区外保持弹性状态，如图所示，图中Pu为扩张应力，桩孔半径为Ru，塑性区半径Rp表达式为：

[18]

其中式中土体剪变模量G和抗剪强度指标c、Φ始终受桩周土挤密而发生变化，且塑性半径与桩孔半径成正比，若将黄土的相关常见数值代入，可得到Rp=（1.43-1.90）d，与试验实测的挤密影响区半径基本吻合。非排土法成孔时对桩周土的一次挤压就已形成扩张应力Pu，并使桩间土的抗剪强度指标c、Φ值增加，桩周塑性半径增加，桩周土体被挤密增强;而在桩孔回填灰土成桩时，夯实灰土进一步挤压扩孔形成扩张应力Pu，使桩间土的抗剪强度指标c、Φ值继续增加，桩周土体进一步挤密增强，具有双重挤密功效。而排土成孔方式仅有桩孔回填灰土成桩时对桩周土的挤密，土体增加效果明显不如非排土成孔方式。

结语：

在工程实践中，处理黄土湿陷性应用灰土挤密桩工艺，设计图纸很少明确成孔方式工艺和采用设备种类，但在城区或人口密集区采用非排土打入和振入方式成孔的施工机械设备存在极大的噪声污染，尤其在居民区经常会出现扰民现象，故其适用范围仅限于地广人稀区域或工业厂房建筑。而采用排土式长螺旋成孔工艺，其具有成孔速度快，造价低，无噪音污染等优势，但从上面分析结果看，其对地基桩周土的挤密效果不如非排土成孔施工工艺效果好，存在质量方面管控风险，在工程应用时应慎重加以考虑。不过，随着科技进步，新型螺旋钻设备进行了改进，采用双向螺旋封闭挤扩钻头，无须将渣土排出地面，而是靠钻具的锥形面将钻头部钻出的渣土逐渐挤向钻孔孔壁，同采用大吨位静力压桩机静压成果原理相同，使桩周土被挤密增强，达到非排土成孔的双重挤密功效。另外，由于无渣土排出孔外，故而节省了大量的人力和机械，降低了工程的总体造价，在湿陷性黄土地基的处理施工中优势明显，在短时间内得到了较快发展。

参考文献：

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[18]钱七虎.主编，《岩土工程师手册》，[M].北京：人民交通出版社，2010.2

作者简介：

吕强，1975年1月出生，男，籍贯山西阳高，高级工程师，岩土工程硕士学位。