灰土挤密桩在湿陷性黄土地基加固中应用研究
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【摘要】湿陷性黄土是西北地区一种经常遇到的工程地质问题，水泥土挤密桩是处理湿陷性黄土地基的主要方法之一，主要作用是消除黄土地基的湿陷性，以提高地基土的承载力。文章分析其技术要求，探讨其加固应用。
中图分类号：O434文献标识码： A
引言
湿陷性黄土是一种性质十分特殊的土，在一定的压力条件下，下沉稳定之后，受到水的浸湿，这样土质结构会快速被破坏，出现明显的附加下沉。
一、灰土挤密桩技术要求
（一）加固机理
灰土挤密桩在施工过程中因冲击振动而对桩周土体充分扰动，使大孔隙黄土的原有结构受到破坏，桩间土受到很大侧向挤压力变得结构紧密，形成了强制挤密区、挤密区以及挤密影响区，提高了桩周土体模量，减小了地基整体压缩变形。又因为桩体是由石灰和土拌和夯填而成，其作用原理是石灰和土拌合物通过离子交换、凝硬反应，以及石灰的碳化与结晶等物理化学反应形成具有高强度和大模量的灰土桩，相邻两桩或三桩成孔挤密后，使桩周土体干密度进一步增大，桩体与桩间共同组成人工复合地基，从而改善土质，降低土体原始孔隙比，使土体由高压缩性变为低压缩性，以达到消除湿陷性提高承载力的目的。
（三）灰土挤密桩施工
（1）施工准备
施工前检测地基土的含水量、饱和度，当地基土的含水量小于12%或大于24%、饱和度大于65%时不能施工。处理区段地基土的含水量宜接近最佳含水量，当土的含水量低于12%时，对处理范围内的土层进行增湿。增湿处理应在地基处理前4d～6d完成，需增湿的水通过一定数量和一定深度的渗水孔均匀地渗入处理范围的土层中。
（2）施工工艺
1)定桩位:首先将控制轴线引至工作面，打木桩固定，防止偏移，然后按设计要求桩间距进行布点，桩点布置完毕，用石灰标记桩位。2)桩机就位:根据桩基轴线标出桩位线并复测后，移动桩机至桩孔位置，机身应平稳，管桩应对桩孔对正，并确保施工中不发生倾斜、位移。3)成孔:采用沉管法成孔，隔行、隔排跳打法施工，每个桩位成孔前必须保证桩机平整、稳固，沉管垂直，沉管尖对准桩位点，并在沉管上用红漆标明成孔深度指示线。桩位水平偏差不得超过桩距的5%，桩孔垂直度偏差不得超过桩长的1．5%。成孔施工顺序先外排后内排，同排桩间隔进行。4)灰土拌制:灰土按要求配比，采用机械拌制至颜色均匀一致，边拌边加水至含水量达其最优。5)桩孔回填夯实:根据试桩数据，选用夹杆式夯实机，锤重约260kg，夯机就位后，使夯锤尖对准孔中心，保证夯锤自由落入孔底，避免孔口及孔壁的碰撞。就位后先底夯8次，再填料夯实，严格控制填料速度，按照每锹灰土夯击5次的频率施工，填料从下向上依次完成。
（四）地基处理效果分析
灰土挤密桩加固处理成桩后，采用静载试验确定地基的承载力，现场桩体开剖做桩体的干密度试验以评价桩身的夯填质量。桩间土开剖检测全部处理深度内的干密度，并将其分别换算成平均压实系数和平均挤密系数;同时测定全部处理深度内桩间土的压缩性和湿陷性。目的是检验场地经灰土桩加固处理后，各项技术指标是否满足TB10414-2003铁路路基工程施工质量验收标准和设计要求。
二、湿陷性黄土研究现状
（一）湿陷性黄土的特殊性质
湿陷性黄土是黄土的一种,在上覆土体自重压力作用下(自重湿陷)或上覆土体自重压力与建构筑物的附加压力共同作用下(非自重湿陷),其浸水后,附加沉降增大,结构破坏,强度也随着迅速降低。湿陷性黄土一般呈黄色、褐黄色或灰黄色;粒径在0.05nim~0.005imn范围内的粉粒含量一般占60%以上,基本无大于0.25mm的颗粒;天然孔隙比常常在1.0左右,含有大量的碳酸盐类和氯化物等可溶盐类,垂直节理比较发育,具有肉眼可见的大孔隙。湿陷性黄土作为特殊土的一种,其特殊性主要表现为三个方面:
①欠压密性：由于湿陷性黄土是在特殊的地质赋存条件、外部营力、漫长的沉积过程中形成的第四季松散沉积物。在形成过程中,颗粒之间联结强度的增长速率较其上覆压力的增长速率快很多,因此其具有一定的抗剪强度,颗粒与颗粒之间仍保持着形成之初的疏松多孔结构、没有在外加荷载作用下被压密,表现为欠压密性。
②结构性:湿陷性黄土是在季节性的风以及流水作用下把松散的粉粒积聚起来,并在易溶盐或其他胶结物的作用下使土颗粒粘聚在一起形成的,但是干早半干旱地区的蒸发量也很大,有的地方甚至会出现蒸发量大于降雨量的现象,在这种情况下,土体自身的水分也会减小,使溶于水中的盐类开始结晶,形成胶结物,使土颗粒在颗粒与颗粒接触的地方联结起来,形成了多孔、甚至大孔较多的多孔隙结构,该结构具有一定的强度,正是因为黄土的这一特性,使其表现出与其他粘性土类所不同的特性;而颗粒与颗粒之间的孔隙多表现为架空结构、架空镶嵌、镶嵌结构;而当湿陷性黄；结构性土遇水以及外力的作用时其结构性会迅速被破坏,表现为急剧显著的湿陷变形。
③湿陷性:黄土的湿陷性是湿陷性黄土最典型、最特别、区别于其它土的核心之处。由于湿陷性黄土的结构性较强,大孔以及多孔的存在为水和外部荷载提供了通道以及土颗粒变形的空间,而其中的易溶盐胶结物在水的作用下会溶解或者被软化,因此,湿陷性黄土在外力与水的综合作用下会使其结构迅速破坏、颗粒与颗粒之间的粘聚力显著降低,使其产生显著且急剧的湿陷变形。
（二）黄土湿陷机理
只有比较清晰的认识到黄土湿陷机理,找到引起湿陷的因素才可以对症下药,解决工程中地基湿陷的技术问题。表1.1是前人关于湿陷机理的研究成果。这些假说各自从物理学、物理化学、地质学等方面对黄土的湿陷机理作出了解释,而黄土的湿陷是一个极其复杂的过程,它并不是某一个假说能解释清楚的问题,受到很多因素的影响。
（三）湿陷性影响因素
大量研究指出:影响黄土湿陷性的因素包括其黄土内部条件及其外部因素,湿陷性影响因素及其用以表征这些因素的物理力学指标如图所示,内部条件主要有微结构特征、化学成分、矿物成分等,外部因素包括水的浸入、上覆土压力、外部荷载等。湿陷性黄土的显微结构,包括其骨架颗粒大小、排列方式、形状、胶结物、胶结程度、胶结类型、孔隙特征等都是在一定的地质历史环境下形成的。它不同程度地反映了黄土的堆积方式、堆积环境、堆积后的风化成土作用及历史荷载的历史变迁过程,它是在特定地质条件下地球物理化学作用的综合产物,是影响黄土湿陷的内部因素。对黄土微结构的探讨主要集中在骨架颗粒、胶结物及孔隙特征的定性分析。前人的研宄己取得了丰硕的成果,包括黄土湿陷的“结构理论”,以及对黄土湿陷性与孔隙特征的关系研究。大量文献资料表明:研究成果主要以定性为主,定量评价鲜见报道。
无论用哪一种假说来解释黄土的湿陷机理,水都是导致黄土湿陷的根本因素,常用含水量来表示水对黄土湿陷性的影响。含水量对黄土湿陷性的影响包括两个方面:初始含水量(内因)与浸水含水量(外因)。此两种含水量的变化,将导致黄土呈现出不同的湿陷性。初始含水量越大,黄土的湿陷程度越低,反之湿陷程度越高,湿陷性越强。这是由于初始含水量的增加会导致土的结构强度降低,粘聚力减小,抗剪强度降低,在受到外力后其结构性不易被再次破坏,粘聚力下降幅度变小,因而较强的湿陷性不会再次发生,显著的湿陷变形也不会产生。黄土浸水后,其含水量越高,湿陷变形表现越大,在饱和时达到最大值。即含水量的增、减显著影响着湿陷性的变化,此即黄土的增湿、减湿变形问题。
三、试桩检测
（一）单桩复合地基载荷试验
本试验承压板采用圆形钢板，面积0．866m2，板底铺设500mm厚的中粗砂找平层，试坑底开挖至设计基底标高，采用千斤顶作加载装置，反力系统为压重平台反力装置，采用工字钢搭设堆载平台。加荷采用慢速维持荷载法逐级加载，每级荷载下沉量达到相对稳定后再加下一级荷载，加荷等级分为10级，第一级荷载为61kN(70kPa)，最大加载压力为610kN(704kPa)。
（二）人工探井
（1）检测方法
桩身灰土夯填质量、桩间土挤密效果及湿陷性消除情况均采用探井取样法进行检测。共布置取土探井3个，深度分别为16.5m，18.5m，20.5m，自有效桩顶标高开始，另外在不同深度处取桩间土及桩体扰动样若干。所取桩间土试样做常规压缩试验和湿陷性试验，桩体土试样做含水量、密度、干密度试验，桩间土及桩体扰动样进行轻型标准击实试验，确定其最大干密度和最优含水量。
（2）检测结果
根据轻型标准击实试验结果，桩间土试样的最大干密度pd=1．76g/cm3，最优含水量为16．2%;桩体灰土试样最大干密度pd=1．68g/cm3，最优含水量为18．9%。根据室内试验结果统计，桩间土试样的干密度为1.55g/cm3～1.76g/cm3，平均值为1.65g/cm3;桩间土试样的挤密系数为0.89～0.99，平均值为0.93;桩体灰土的压实系数为0.94～1.00，平均值为0.97。根据室内湿陷性试验结果，桩间土试样的湿陷系数均小于0.015，因此经灰土挤密桩处理后桩间土的湿陷性已全部消除。
【结语】
综上所述，如果在湿陷性黄土区域内建设各种建筑物，必须根据建筑场地的岩土工程条件、荷载量大小，从技术可行性、经济适用性方面考虑，进行全方面比较，选用科学合理的地基处理方法，才能从根本上确保工程质量、进度。
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