孔内深层强夯法在湿陷性黄土中的应用研究

王玲艳

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

0 引言

山西是工程地质较为复杂的地区，大多地区处于黄土高原，湿陷性黄土分布广泛，湿陷性复杂且严重。越来越多的工程需要采用人工加固地基，消除湿陷变形，提高承载力，才能满足建筑物(构筑物)对承载力与变形的要求。

地基处理是施工难度大、潜在影响大、费用大的工作。处理方案选择不当或施工质量控制不好，一方面会影响造价和工期，另一方面还有可能危及建(构)筑物安全，二次处理往往代价更高。因此，地基处理对工程建设的重要性愈来愈受到人们的重视。以下介绍一种新的地基处理方法——孔内深层强夯法。

1 孔内深层强夯法(DDC技术)

孔内强夯法亦称孔内强夯技术(Down-hole Dynamic Compaction，DDC)，是近几年发明的一种地基处理方法，它的作用机理是把石、砂、土及灰土、旧建筑所拆除的碎砖瓦、混凝土块等用于加固地基，既可消耗建筑垃圾，变废为宝，减少环境污染，在湿陷性黄土地区，还可消除深层黄土的湿陷性。这种方法可大幅度提高地基承载能力，降低地基压缩变形量，效果显著。与水泥土搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩、桩基础等方法相比较，节约钢材、水泥等材料，可大大降低工程造价。DDC技术是在集合了强夯、灰土桩及碎石桩等地基处理技术，在成孔的地基深层，利用其高动能、强挤压的动力效应，充填、夯实与挤密地基，并消耗建筑垃圾，创造了独特的施工方法——孔内深层强夯法。

孔内深层强夯法是通过施工机具冲孔、钻孔或掏孔，然后在孔道的深层部位进行填料，并用特制重锤(一般1.8 t～3.5 t)进行冲、砸、挤、压的高动能、强挤密的夯击作业，使地基承载性能得到显著改善。与其他地基处理方法比较，具有对环境振动影响小，但夯击能量大，处理效果好的特点。

2 孔内深层强夯法的技术特点

1)与强夯法的比较。

强夯法在我国已广泛应用，其缺点是:a.加固深度受限，就是8 000 kN·m的强夯，其加固深度还不足10 m;b.处理深度不好控制，上下层之间压密程序差异大，存在有效区和影响区的差别，深层土压密效果差;c.施工噪声大，扰民严重;d.振动大，对周周建筑影响大，不能在影响物密集的地方施工。由于上述原因，强夯法在工程中的运用受到限制。

孔内深层强夯法是以重锤将高压强、超动能通过孔道进入地基深层，对桩体进行动力压密和对桩间土进行强力挤密。施工工艺是边填料边强击的分层强夯。此方法噪声小，由于其在孔中(一般成孔直径为0.4 m～0.5 m)。因为桩锤长、直径小，所以在具有相同夯锤重和落距条件下，它的单位面积夯击能量比强夯法大很多。所以，该法具有高动能、强挤压的特征。我们在阳泉500 kV、吕梁500 kV等变电站工程中应用，加固深度最深可达25 m，有资料认为可达30 m之多，这是强夯法不可比拟的。

孔内深层强夯法处理的地基，自下而上都得到加固，使桩和桩间土均呈均匀密实状态，解决了强夯法上下层不均匀的问题。

孔内深层强夯法处理的地基，桩体形成多个串珠，可大大提高地基承载力，我们在某220 kV变电站试验，灰土深层强夯后复合地基承载力特征值达到了500 kPa。

总之，用孔内深层强夯法适用范围广，可用于处理各类疑难地基，处理后的地基承载力高，应变能力强。深层强夯法的桩锤重为 1.8 t～3.5 t，而强夯锤的重量为10.0 t～50 t，DDC 法施工机具简单，施工公害小，相比强夯法有很大的优越性。

2)与普通灰土桩的比较。

灰土桩也是广泛使用的桩型，施工工艺与DDC类似，但其最大缺点是施工用的桩锤小，一般为400 kg的夹板锤，夯击能量小，对桩体的压密程度较低，对桩间土的挤密效果差。复合地基承载力一般不超过原天然地基的2倍，灰土桩复合地基承载力特征值不超过250 kPa。且由于施工机具的限制，其处理深度也是有限的，不超过15 m。故该类地基不适用于承受较大载荷或对沉降要求严格的建(构)筑物。经孔内深层强夯法加固的地基，复合地基承载力比原天然地基可提高3倍～9倍。成桩直径可达0.6 m～2.5 m，桩间土受到很大侧向挤压力，挤密加固良好。DDC方法用料适应性大，建筑垃圾、灰土、砂石料、煤矸石等含有块状物的各种工业废料以及它们的混合物均可使用。用料就地取材，减少了材料运输费用，会明显降低造价。灰土桩法处理深度浅，用料受限，遇地下水或淤泥时不能施工，桩间土处理后效果差，承载力提高幅度小，压缩变形量大，仅适用于一般建(构)筑物。

3 DDC桩复合地基的静载试验分析

3.1 试验设计及设备

依据GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范附录J，JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范附录A“复合地基载荷试验要点”，采用慢速维持荷载法。在成桩14 d后进行试验。

1)承压板。采用直径d=1.05 m，厚30 mm的半圆形钢板。

2)开挖试坑和安装载荷试验设备。

a.试坑底面标高，即为桩顶标高;

b.应注意保持试验土层的天然湿度和原状结构;

c.承压板底面下应铺20 mm厚度的粗砂找平;

d.基准梁的支点，应设在压板直径的3倍范围(3.15 m)以外;

e.承压板的形心与荷载作用点重合。

3)反力装置。根据计算，一根桩承担的处理面积为0.866 m2，复合地基极限承载力按600 kPa计算，最大加荷量为1 039.2 kN。试验采用堆载平台试验装置，堆载平台为型钢梁，堆载采用混凝土预制块，按堆载量不小于设计的最大加荷量的1.2倍，即堆载量1 248.0 kN，实际堆载量为1 250 kN。

4)加载装置。加载设备由主梁、千斤顶—油泵系统等组成。用德州德克液压机械厂生产的QF200T/200型2 000 kN千斤顶加载。用量程60 MPa、精度0.4级压力表测力。

5)量测装置。沉降用4支百分表测量，量程为±50 mm，分辨率0.01 mm，百分表固定在安装于基准梁上的百分表架上。仪器设备编号详见仪器一览表。

3.2 试验程序

1)荷载分级。按设计要求压力值的2.0倍即1 200 kPa分10级，每级为120 kPa，荷载分级见表1。

表1 单桩复合地基载荷试验加荷分级表

2)测定沉降的间隔时间及相对稳定标准。每加一级荷载前后均读记承压板沉降量一次，以后每半小时读记一次。当1 h内沉降小于0.1 mm时，即加下一级荷载。

3)终止试验的条件。a.承压板周围的土，出现明显的侧向挤出;b.沉降s急骤增大，压力—沉降(p—s)曲线出现陡降段;c.在某一级荷载下，24 h内沉降速率不能达到稳定标准;d.s/d≥0.06(s=63.0 mm);e.当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。当满足前三种情况之一时，其对应的前一级荷载可定为极限荷载。

3.3 载荷试验结果分析

1)荷载—沉降(p—s)分析。图1～图3为P1，P2，P3试验点的p—s曲线。试验结果汇总见表2。

表2 复合地基载荷试验结果汇总表

P1试验点当荷载达到1 080 kPa时，相应沉降超过了63.0 mm(承压板直径的6%)，达到试验终止条件，复合地基的极限承载力为前一级荷载960 kPa(见图1)。P2试验点中最大加荷达到1 200 kPa时，相应沉降为58.8 mm，未达到试验终止条件，可判定复合地基的极限承载力等于1 200 kPa(见图2)。P3试验点当荷载达到1 080 kPa时，相应沉降超过了63.0 mm(承压板直径的6%)，达到试验终止条件，复合地基的极限承载力为前一级荷载960 kPa(见图3)。

2)与传统的灰土挤密桩比较。DDC工艺施工的灰土桩复合地基极限承载力可达到960 kPa～1 200 kPa，安全系数取2，可得到复合地基承载力特征值为480 kPa～600 kPa，要比传统的灰土挤密桩200 kPa～250 kPa大很多，是传统灰土挤密桩的2.4倍。也就是说，桩间土得到了挤密和侧向约束，承载力发挥明显。

图1 P1点p—s曲线

图2 P2点p—s曲线

图3 P3点p—s曲线

4 结语

阳泉500 kV变电站、吕梁500 kV变电站地基均采用孔内深层强夯法处理，地基处理技术效果良好，且获得一定的技术经济效益。

DDC技术在山西黄土中应用，特点是挤密效果好，承载力可较传统的灰土桩提高2.4倍，处理效果及经济效果明显。但本工艺在许多方面诸如承载机理，计算模型的选择，参数的确定等都有待进一步提高完善，其理论的发展尚落后于工程实践。开展此类研究对于地基处理优化设计和节约投资，促进新技术的发展具有重要意义。

［1］JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［2］刘 俊.柱型夯锤强夯加固深度及效果分析［J］.江西科学，2010(8)：504-507.

［3］司炳文，唐业清.孔内深层强夯技术的机理与工程实践［J］.施工技术，1999(5)：65-66.

［4］CECS 197∶2006，孔内深层强夯法技术规程［S］.