張廣平,黃雪峰,朱殿之,奚增紅

(1.國家電網(wǎng)甘肅省電力設(shè)計院,甘肅蘭州730050;2.解放軍后勤工程學(xué)院建筑工程系,重慶401331)

0 引 言

DDC(Down Hole Deep Compaction)又稱孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法,該方法由北京長城建筑新技術(shù)研究所司炳文[1-2]提出,它的作用機(jī)理是把渣土(碎磚瓦、石、砂、土、碎混凝土塊、工業(yè)廢料以及它們的混合物等)用于地基處理,既能滿足上部建筑物對地基承載力的要求,同時又達(dá)到節(jié)約成本的目的。

DDC工法作為一種處理深厚濕陷性黃土地基的有效方法,能充分提高濕陷性黃土地基抵抗?jié)裣菽芰?有其廣闊的應(yīng)用前景。該項技術(shù)在多項地基處理工程中得到應(yīng)用[3-10],消除了深厚黃土地基的濕陷性,大幅度提高了地基承載力,降低地基壓縮性,處理效果顯著。為規(guī)范DDC工法,中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會2006年制定了《孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法技術(shù)規(guī)程》[11]。

孔內(nèi)夯實擠密法是借鑒擠密法變革而來的,它先是用長螺旋轉(zhuǎn)機(jī)、人工挖孔或沉管打樁機(jī)成孔,在向孔內(nèi)填入素土、灰土等填料,在以重錘(1.5 t～2.5 t)在孔內(nèi)分層夯實,使填料向孔周側(cè)向擠出,一般成孔直徑0.4 m,夯擴(kuò)至成樁直徑0.55 m～0.60 m,形成一種擠密的復(fù)合地基。灰土(素土)擠密樁成孔不使用螺旋鉆機(jī),直接使用成孔設(shè)備或爆炸能量所產(chǎn)生的橫向擠壓作用形成樁孔。較之素土和灰土擠密樁,孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法處理后的復(fù)合地基的承載力更高且均勻,處理深度更深(一般可達(dá)25m～30 m),處理黃土濕陷性的效果更為理想。

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法近年來得到廣泛的應(yīng)用,但其理論和試驗研究卻滯后于實際工程,關(guān)于DDC樁長合理控制問題也鮮有報道。樁長的合理控制直接關(guān)系到地基承載能力的提高和工程造價的降低等問題。樁長過長,基礎(chǔ)承載能力會顯著增加,但同時也會提高相應(yīng)的工程造價。另外黃土地基處理后,遇水情況下,地基仍然發(fā)生破壞,也就是對地基的影響很大。因此有必要就合理選擇樁長問題以及荷載作用下水分對地基沉降的影響進(jìn)行深入的探討,本文針對以上問題進(jìn)行大規(guī)模浸水載荷試驗。

1 試驗概況

1.1 場地條件

試驗場地位于蘭州市和平鎮(zhèn),北臨蘭天高速,東、南臨金川科技園,交通便利。場地地勢較平坦,經(jīng)勘查場地地貌單元屬黃河南岸Ⅳ級階地,地貌單元單一。據(jù)當(dāng)?shù)厣罹Y料,該場地地下穩(wěn)定水位大于70 m,場地黃土層總厚度大于38 m,其中濕陷性黃土層厚度約36.6 m,全厚度黃土層均有濕陷性。根據(jù)勘探點揭露,黃土由第四系馬蘭黃土組成,其巖土工程特性,現(xiàn)自上而下列于表1。

1.2 場地布置

場地地基處理前需對土體進(jìn)行增濕,使土體含水率接近最優(yōu)含水率后方可進(jìn)行地基處理。經(jīng)過擊實試驗得到場地最優(yōu)含水率為15.9%。

試驗場地共布置3個區(qū)域,樁長分別為15 m、20 m和25 m,樁間距統(tǒng)一為1.1 m。處理區(qū)域先用步履式樁架ZKL-20型長螺旋鉆(圖1)預(yù)成孔直徑40 cm,等邊三角形布置,成樁直徑大于0.6 m,用DE5型夯實機(jī)(圖2)進(jìn)行夯實,夯錘重 1.6 t,夯擊能800 kJ～2 000 kJ,夯實材料選用場地中素土?？變?nèi)深層強(qiáng)夯法現(xiàn)場圖和剖面圖分別見圖3和圖4。

表1 試驗場地的土層特征

圖1 步履式樁架ZKL-20型長螺旋鉆

圖2 DE5型夯實機(jī)

圖3 地基處理后現(xiàn)場圖

圖4 不同樁長處理區(qū)剖面圖

場地處理結(jié)束后,在處理區(qū)域中心處開挖2 m×2 m的正方形空間,用C30混凝土澆注承臺。承臺具體尺寸參見圖5和圖6。承臺自身重量為20 t,承臺上加載60 t荷載,荷載采用編織袋裝土稱重的辦法,使承臺單位面積荷載達(dá)到20 t。在承臺中心處以及不同地表位置設(shè)置沉降觀測點,沉降觀測點構(gòu)造如圖7。荷載施加前,先移除混凝土承臺下方土體,開挖深度為0.5 m,寬度為0.8 m,開挖區(qū)作為此次試驗的浸水坑,以保證浸水水頭達(dá)到0.3 m～0.5 m。

圖5 承載臺配筋圖

圖6 承載臺剖面圖

1.3 試驗沉降點觀測

三個處理區(qū)總共22個地表沉降觀測點,3個承臺中心觀測點,觀測點編號如圖 8所示,圖中DDC15N1,表示15 m區(qū)正北面第一個觀測點,其余依次類推;DDC15-20表示15 m區(qū)與20 m區(qū)之間沉降觀測點。沉降觀測使用高精度精密水準(zhǔn)儀SETL ATO-28ATO-32,每天早9點定時量測。整個試驗共進(jìn)行了137個晝夜,包括浸水期71 d以及停水期66 d兩個階段。

圖7 沉降觀測點構(gòu)造圖

1.4 濕陷性的測定

濕陷性測定主要包括0.2 MPa壓力濕陷系數(shù)和飽和自重壓力濕陷系數(shù)下測定兩方面內(nèi)容。采用單線法進(jìn)行濕陷系數(shù)測定,同一土樣取5個環(huán)刀試樣,試樣均在天然濕度下分級加荷,加至不同的規(guī)定壓力,下沉穩(wěn)定后,各試樣浸水飽和,附加下沉穩(wěn)定,試驗結(jié)束。

場地處理完后,對處理趨于擠密效果進(jìn)行檢驗。3個樁體之間進(jìn)行探井開挖,從上到下依次每延米三樁間、兩樁間和樁身取原狀土樣,分別用單向壓縮固結(jié)儀量測不同深度的土樣0.2 MPa壓力濕陷系數(shù)δs0.2和飽和自重壓力濕陷系數(shù) δzs。

圖8 沉降觀測點編號示意圖

0.2 MPa壓力濕陷系數(shù) δs0.2按式(1)[12]計算:

式中:hp為保持天然的濕度和結(jié)構(gòu)的土樣,加壓至0.2 MPa時,下沉穩(wěn)定后的高度;h′p為上述加壓穩(wěn)定后的土樣,在浸水作用下,附加下沉穩(wěn)定后的高度;h0為土樣的原始高度。

自重濕陷系數(shù)值按式(2)[12]計算:

式中:hz為保持天然的濕度和結(jié)構(gòu)的土樣,加壓至土的飽和自重壓力時,下沉穩(wěn)定后的高度;h′z為上述加壓穩(wěn)定后的土樣,在浸水作用下,附加下沉穩(wěn)定后的高度;h0為土樣的原始高度。

2 試驗結(jié)果分析

從現(xiàn)場承臺下部浸水坑滲水情況來看,處理效果對滲水有著很強(qiáng)的阻礙作用,承臺底部注水1次,水分入滲的時間較長,向四周擴(kuò)散也十分緩慢。孔內(nèi)夯實擠密效應(yīng)發(fā)揮作用,對周邊土起到了擠密作用;密實度提高對滲水的影響較大;所以浸水載荷試驗結(jié)束時,承臺周邊沒有很明顯由于水分入滲而引起的濕陷沉降,也沒有裂縫的出現(xiàn)。承臺下方浸水試坑沒有大量沉降發(fā)生,只有試坑邊緣由于濕化引起的土壤塌陷。

2.1 處理區(qū)域擠密性和濕陷性分析

對處理后的DDC不同樁長區(qū)域,選擇15 m和20 m區(qū)進(jìn)行挖設(shè)探井,檢驗樁體即樁周土擠密和濕陷情況情況。探井深度均為10 m,對三樁間、二樁間和樁身進(jìn)行取樣。由室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗可知該區(qū)域土體最大干密度為1.67 g/cm3、最優(yōu)含水率為15.9%。

限于篇幅本文中只將擠密區(qū)最薄弱環(huán)節(jié)三樁間土樣進(jìn)行分析。15 m和20 m區(qū)域取得三樁間沿徑向擠密系數(shù)如圖9所示,規(guī)范要求樁間土擠密系數(shù)最小不小于0.88,平均不小于0.90。15 m區(qū)域三樁間平均擠密系數(shù)為0.91,20 m區(qū)域三樁間平均擠密系數(shù)為0.92,且兩個區(qū)域每延米處擠密系數(shù)均大于最低限度要求。

圖9 DDC樁15 m區(qū)和20 m區(qū)域三樁間擠密系數(shù)

圖10～圖11是兩個區(qū)域不同壓力作用下的濕陷系數(shù)沿徑向變化曲線。三樁間土濕陷系數(shù)均小于0.015下限,甚至4 m以上土體濕陷系數(shù)為0,這說明DDC樁完全消除了土體的濕陷性。整體來看不同壓力下的濕陷系數(shù)沿徑向增大,也就是說上部土體處理的效果更好些,這與擠密系數(shù)變化趨勢一樣,擠密系數(shù)較大的地方,則濕陷系數(shù)較小。

三樁間為整個擠密區(qū)域最薄弱的環(huán)節(jié),如果三樁間達(dá)到良好的擠密效果,則整個處理區(qū)域濕陷性等指標(biāo)也能較好達(dá)到要求。在本次試驗條件下,選擇樁間距1.1 m的素土樁體,達(dá)到了消除濕陷性的目的,這也反映處理達(dá)到了消除濕陷性的目的。

2.2 承臺沉降觀測分析

圖12～圖14分別是15m、20 m和25 m DDC區(qū)域承臺沉降觀測點數(shù)據(jù)變化圖。同樣施加80 t荷載,樁長越長,承臺沉降越小。15 m區(qū)域承臺累計下沉87 mm;20 m區(qū)域累計下沉62mm;而25m區(qū)域累計下沉44 mm。3個承臺沉降主要發(fā)生在前20 d,浸水前20 d沉降占整個沉降量的70%左右,后期50 d浸水發(fā)生沉降較小,僅占20%;停水后觀測中3個承臺沉降逐漸趨于穩(wěn)定,但樁長較短的區(qū)域如15 m區(qū)域,沉降穩(wěn)定所需的時間較其他稍長。25 m承臺浸水40 d后,沉降逐漸穩(wěn)定,之后一直維持到試驗結(jié)束。

2.3 地表沉降觀測分析

地表沉降一共22個,本文中只分析了三個處理區(qū)域部分地表沉降變化,其余觀測點的變化規(guī)律與文中羅列的觀測點幾近相同,未全部羅列。另外試驗中地表沉降在浸水40 d左右時依然很小,故停止了地表沉降觀測。

15 m區(qū)共有 6個地表沉降觀測點。編號為DDC15-20(圖15)的地表沉降在6個觀測點中沉降表現(xiàn)最為突出,累計沉降僅有4 mm,其余地表沉降觀測點只有2 mm的沉降。15 m區(qū)域沉降亦出現(xiàn)沉降量曲線減小的趨勢,如圖16。出現(xiàn)這種情況一方面由于受天氣影響,秋冬季蘭州地區(qū)刮風(fēng)較多;另一方面,還有試驗在冬季進(jìn)行,出現(xiàn)地表的凍脹。

圖10 DDC樁15 m區(qū)和20m區(qū)域三樁間濕陷系數(shù)δs0.2

圖11 DDC樁15 m區(qū)和20 m區(qū)域三樁間濕陷系數(shù)δzs

圖12 15 m DDC樁承臺沉降觀測曲線

圖13 20 m DDC樁承臺沉降觀測曲線

圖14 25 m DDC樁承臺沉降觀測曲線

圖15 DDC15-20沉降量變化曲線

采用15 m的DDC樁進(jìn)行地基處理后,對承臺進(jìn)行浸水,承臺歷經(jīng)137 d累計沉降僅有87 mm;而周邊地表沉降觀測點最大沉降也僅有4 mm,應(yīng)該說采用樁間距1.1 m,樁長15 m對大厚度自重濕陷性黃土進(jìn)行處理,抵抗20 t/m2的荷載效果良好。

圖17～圖20是20 m區(qū)域部分地表沉降觀測點數(shù)據(jù)變化曲線。從這些曲線可以看出20 m承臺周邊沉降依然是很微小,最大沉降是點號DDC20W2僅有3 mm(圖20)。DDC20N1(圖19)出現(xiàn)上升階段,而且上升幅度較大,向上隆起7 mm。地表沉降是由于濕陷引起,地面隆起則由于凍脹因素造成。

圖16 DDC15N1沉降量變化曲線

圖17 DDC20S1沉降量變化曲線

圖18 DDC20S2沉降量變化曲線

圖21和圖22是25 m區(qū)兩個地表沉降觀測數(shù)據(jù)變化曲線。25 m沉降曲線變化總體與15 m和20 m區(qū)域變化類似,累計沉降量較小,存在回彈現(xiàn)象。點號DDC25E2 46 d記錄中累計發(fā)生了6 mm的沉降;DDC25W2地表沉降在46 d觀測中,沒有發(fā)生任何沉降(文中未羅列)。25 m區(qū)在浸水過程中,80 t的荷載下對承臺西面8.5 m距離處土體沒有任何影響。總體來說25 m區(qū)域承受了20 t/m2,周邊沒有出現(xiàn)裂縫以及大面濕陷沉降等問題。

圖19 DDC20N1沉降量變化曲線

圖20 DDC20W2沉降量變化曲線

圖21 DDC25E2沉降量變化曲線

圖22 DDC15-25沉降量變化曲線

從DDC 15 m、20 m和25 m處理區(qū)域沉降觀測變化曲線來看,地表浸水對承臺影響不大,而且在周邊滲水的情況下,較大荷載并沒有引起處理區(qū)域的過大變形。樁長 15 m、20 m和 25 m,樁間距1.1 m能滿足20 t/m2荷載要求。因此在樁間距1.1 m條件下,選用15 m樁長可有效節(jié)約地基處理成本以及降低工程造價。

3 結(jié) 論

本文通過對自重濕陷性黃土典型場地進(jìn)行不同DDC樁長的浸水載荷試驗,主要結(jié)論有:

(1)DDC工法處理后,浸水試坑中水分入滲緩慢;

(2)3個處理區(qū)域沒有發(fā)生較大沉降,凍脹作用引起的地表膨脹大于由于承臺下降和土體濕陷引起地表沉降;

(3)3個不同DDC樁長處理后的地基都能抵抗20 t/m2的荷載,選用DDC樁長15 m和樁間距1.1m的樁間距可以有效節(jié)約成本,降低工程造價。

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