周小松，朱才輝，喬建偉*，李鑫磊，王穎蛟

（1. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043；2. 陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點實驗室，陜西 西安 710043；3. 西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048）

0 引 言

我國西北地區(qū)廣泛發(fā)育濕陷性黃土層，在工程建設(shè)中存在大量黃土地基加固問題。自20世紀(jì)90年代孔內(nèi)深層強夯技術(shù)開創(chuàng)以來，由于該技術(shù)采用高能量的高壓夯擊和動態(tài)沖、砸、擠壓的強力壓實和擠密作用，形成的樁體十分密實，樁周土也能得到強力擠密。目前困擾大厚度黃土地基遇水濕陷、承載力不足等問題也主要采用該技術(shù)進(jìn)行處理。

然而，孔內(nèi)深層強夯技術(shù)在實際施工時，往往面臨沒有合適的理論去指導(dǎo)施工參數(shù)，通常是在現(xiàn)場試樁來確定相關(guān)參數(shù)，造成了工期和資金上的浪費。因此本文通過大量孔內(nèi)深層（超）強夯技術(shù)在濕陷性黃土地基處理的工程實踐為背景，選取了具有代表性的50個DDC工法[1-49]和6個SDDC工法[50-55]的工程實際案例進(jìn)行分析，分別統(tǒng)計了研究區(qū)域、原始地層結(jié)構(gòu)（原地基承載力、濕陷厚度和濕陷等級）、填料、施工參數(shù)（夯擊能、成孔直徑、成樁直徑、樁長、樁徑、布樁方式）等因素以及處理效果情況（濕陷性消除、復(fù)合地基承載力），對其進(jìn)行了總結(jié)歸納，并分析了各個因素對處理效果的影響規(guī)律。為濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用DDC或SDDC技術(shù)的設(shè)計和施工提供參考。

1 DDC法地基處理

自孔內(nèi)深層強夯（DDC）法開創(chuàng)以來，被廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土地區(qū)的地基處理中，它夯擊能量大，處理深度深，能有效消除處理范圍內(nèi)的濕陷性，較大幅度提高地基土的密實度，降低地基土的變形，增強其承載力。然而，具體施工中填料類型以及施工參數(shù)中夯擊能、樁長、樁徑等因素究竟該如何選擇，目前尚沒有一個明確的結(jié)論。為了考察孔內(nèi)深層強夯（DDC）法在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用情況和處理效果的影響因素，根據(jù)收集的 50多個典型應(yīng)用案例，分析了研究區(qū)域與原始地層結(jié)構(gòu)情況，填土材料和樁長、樁距等因素與處理后濕陷系數(shù)和復(fù)合承載力之間的關(guān)系。統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 DDC法處理濕陷性黃土地基統(tǒng)計情況Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

續(xù)表1 DDC法處理濕陷性黃土地基統(tǒng)計情況Continuation of Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

續(xù)表1 DDC法處理濕陷性黃土地基統(tǒng)計情況Continuation of Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

1.1 DDC法應(yīng)用現(xiàn)狀

由表1、圖1可知，DDC工法主要應(yīng)用于陜西（48%）、山西（20%）、甘肅（14%）、河南（11%）、青海（5%）和寧夏（2%）等地區(qū)具有不同濕陷等級的濕陷性場地。

圖1 DDC工法在不同區(qū)域的應(yīng)用Fig. 1 Application of DDC in different areas

由圖2可知，根據(jù)DDC工法所應(yīng)用的濕陷性黃土場地多為Ⅲ級自重濕陷性場地（30.6%），其次為Ⅱ級自重濕陷性場地（26.6%），再次為Ⅳ級自重濕陷性場地（20.1%），其余均為I、Ⅱ級非自重濕陷性場地（各占11.3%）。可見，DDC工法處理的濕陷地基類型多為Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性場地。其中，DDC工法處理的濕陷場地中位于陜西地區(qū)的西安、咸陽、寶雞、渭南、銅川等地，其濕陷土層厚度最小值為6.0 m，最大值為30 m，平均值為12.3 m，濕陷類型存在自重和非自重，濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級。位于山西地區(qū)的長治，其濕陷土層厚度為 3.4～14.4 m，濕陷類型為非自重，濕陷等級為Ⅱ級。位于河南地區(qū)的洛陽，其濕陷土層厚度為14 m，濕陷類型和等級為Ⅱ級非自重濕陷。位于隴東陜北地區(qū)的榆林、慶陽、延安等地的濕陷土層厚度最小值為10 m，最大值為26.5 m，平均值為18.25 m。從中可以看出不同區(qū)域濕陷土層的厚度以及濕陷類型和等級會隨著隴西地區(qū)→隴東陜北地區(qū)→關(guān)中地區(qū)→山西地區(qū)→河南地區(qū)逐級遞減（圖3），這與文獻(xiàn)[21]提出的“中國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)略表和參考表”結(jié)果是一致的。由圖4可知，DDC工法在濕陷土層厚度一般（5～20 m）的場地中應(yīng)用最多，其應(yīng)用案例大于統(tǒng)計總數(shù)的一半以上（70.4%），而其它不同厚度的應(yīng)用占比不足30%，如對于濕陷性土層深度在 25～35 m之間的 DDC工法應(yīng)用占16.4%，在20～25 m之間占比約為6%，其中厚度較?。?～5 m）或超大（35～40 m）的地層中應(yīng)用最少，分別占比4.5%和3.0%。主要原因可能是小厚度濕陷性黃土處理可采用其他簡便方法，如強夯法、墊層法，而超大厚度濕陷性黃土地基采取 DDC工法時，施工工藝及造價相對較高，且處理效果較差。

圖2 DDC工法在不同濕陷性等級場地的應(yīng)用Fig. 2 Application of DDC in different collapse loess site

圖3 黃土濕陷等級變化示意圖Fig. 3 Schematic of change of loess collapsibility grade

圖4 DDC工法在不同濕陷土層深度的應(yīng)用Fig. 4 Application of DDC in different depth of collapse loess layers

綜上所述，DDC工法已被廣泛應(yīng)用于不同濕陷等級和濕陷類型的黃土地基處理中，應(yīng)用于一般濕陷厚度土層中，且處理效果較好，但對于大厚度和超大厚度濕陷性黃土地基處理應(yīng)用還較少，對其處理效果有待進(jìn)一步研究。

1.2 填料對地基處理效果影響

DDC工法常用填料包括素土、灰土（其配比主要采用2∶8和3∶7）、水泥土（其配比主要采用1∶4、1∶5、1∶6、1∶9）、碎石、渣土和建筑垃圾等，DDC工法施工期間，填料的用量每循環(huán)約0.12～0.14 m3，單循環(huán)用料過多會導(dǎo)致擠密效果不夠，過少則造成工程浪費。

統(tǒng)計已有案例DDC工法中填料占比如圖5所示。由圖5可知，2∶8灰土使用頻率最高，達(dá)35%，3∶7灰土使用頻率次之，約為25%，素土使用頻率約為15%，渣土使用頻率約為8%，1∶9的水泥土使用頻率約為4%，其余占比均低于2%。由此可見，目前DDC工法在處理濕陷性黃土地基使用的填料以灰土為主，總占比約為60%。

圖5 DDC工法中填料的應(yīng)用Fig. 5 Application of fill materials with DDC method

根據(jù)不同填料進(jìn)行DDC處理前后的地基承載力對比發(fā)現(xiàn)（見圖 6，其中橫坐標(biāo)表示統(tǒng)計數(shù)據(jù)的編號）：原地基的承載力范圍為70～175 kPa，平均值為133 kPa；DDC法處理后復(fù)合地基的承載力范圍為160～800 kPa，平均值為324 kPa，處理后的承載力提高范圍為1.4～4.7倍，平均為2.5倍。因此，采取 DDC處理后復(fù)合地基承載力顯著提高，且均達(dá)到了工程建設(shè)要求的地基承載力許可值。

圖6 DDC工法處理前后地基承載力對比分析Fig. 6 Comparison of bearing capacity of foundation soil after and before DDC method treatment

統(tǒng)計采用素土處理后的復(fù)合地基承載力特征值平均值為300 kPa；2∶8灰土樁的復(fù)合地基承載力特征值最大值為407 kPa，最小值為200 kPa，平均值為375 kPa；3∶7灰土樁的復(fù)合地基承載力特征值最大值為450 kPa，最小值為250 kPa，平均值為341 kPa；1∶5水泥土樁的復(fù)合地基承載力特征值為320 kPa；碎石土樁的復(fù)合地基承載力特征值為450 kPa；渣土樁的復(fù)合地基承載力特征值最大值為 302 kPa，最小值為210 kPa，平均值為274 kPa?？梢钥闯鲭S著填料強度的增大，處理過后復(fù)合地基承載力特征值也隨之增大。DDC處理后地基承載力由大到小順序依次為：碎石→2∶8灰土→3∶7灰土→1∶5水泥土→素土→渣土。

1.3 DDC設(shè)計參數(shù)對地基處理效果的影響

由表1給出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出孔內(nèi)深層強夯法在施工中要控制的參數(shù)包括夯擊能、成孔直徑、成樁直徑、樁距、樁長、樁的布置方式。統(tǒng)計結(jié)果如下：

（1）夯擊參數(shù)。統(tǒng)計上述50個文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)DDC工法采用的夯錘質(zhì)量一般為 1～20 t不等，常用夯錘質(zhì)量為1.5～3.0 t；落距為0.5～12 m不等，常見夯錘落距為5～8 m；夯擊次數(shù)一般為5～10次不等，常用夯次為6～8次；夯擊能一般為90～5 000 kJ/層，常用夯擊能為800～2 000 kJ/層。由于地層、填料、施工控制水平的差異性，導(dǎo)致夯擊次數(shù)、夯擊能與地基處理效果之間的關(guān)系較為離散，且目前針對該方面研究成果較少。

（2）成孔直徑d。統(tǒng)計成孔直徑如圖7所示。由圖7可見，DDC工法成孔直徑一般在0.35～2.0 m不等，其中成孔直徑主要為0.35～0.4 m，占83.7%，其原因主要是工程實際成孔工藝一般采用機(jī)械鉆孔、掏孔，受到施工機(jī)具的影響較大。

圖7 DDC工法處理地基成孔直徑分布范圍Fig. 7 Distribution range of hole diameter of foundation treated by DDC method

（3）成樁直徑D。統(tǒng)計成樁直徑分布范圍如圖8所示。由圖8可知，實際工程中樁體直徑分布在0.49～2.2 m，其中成樁直徑主要分布在0.55～0.70 m范圍內(nèi)，約占88%。定義擠密比=成樁直徑/成孔直徑，繪制成孔直徑、成樁直徑和擠密比分布曲線如圖9所示。從圖9可知，擠密比約分布在1.2～2.0之間，平均擠密比約為1.5，表明DDC工法的擠密擴(kuò)孔效應(yīng)明顯，可顯著提高0.5倍成孔直徑范圍土體的密實度。

圖8 DDC工法處理地基成樁直徑分布范圍Fig. 8 Diameter distribution range of piles treated by DDC method

圖9 DDC工法處理地基擠密比分析Fig. 9 Analysis of compaction ratio of foundation treated by DDC method

（4）樁間距l(xiāng)。統(tǒng)計樁間距分布范圍如圖10所示。從圖10可知，實際工程中常用的樁距分布范圍為0.7～4.5 m不等，其中樁間距為0.9～1.2 m占比最大，為82.3%。繪制樁間距與成孔直徑和成樁直徑的比值變化曲線如圖11所示，由圖11可知工程常用樁間距是成樁直徑的1.4～2.2倍，平均值約為1.7；樁間距是成孔直徑的 2.2～3.4倍，平均值為2.5，與規(guī)范《孔內(nèi)深層強夯法技術(shù)規(guī)程》（CECS197∶2006）[51]建議的樁間距為2.0～3.0 d相符。此外，黃雪峰等[52]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)不同樁間距布樁可以消除黃土濕陷性時，選擇樁間距較大布樁可以節(jié)約大量工程建設(shè)成本，但當(dāng)樁間距越小消除濕陷性效果和地基承載力提高系數(shù)也越高，因此采用DDC工法進(jìn)行地基處理時需要確定最優(yōu)樁間距。

圖10 DDC工法成孔樁間距分布范圍Fig. 10 Spacing distribution range of pore-forming piles by DDC method

圖11 樁間距與成孔直徑、成樁直徑比值Fig. 11 Ratio of pile spacing to hole diameter and pile diameter

（5）樁長L。繪制處理深度與濕陷性土層厚度變化曲線如圖12所示。由圖12可知，地層濕陷性深度與 DDC處理深度基本保持一致，實際處理深度（樁長）可能與設(shè)計承載力需求及建筑物重要性等級有關(guān)。樁長是根據(jù)濕陷性土層厚度以及建筑物級別設(shè)計，若要全部消除濕陷量，樁長要大于等于濕陷土層厚度，若允許存在一定的剩余濕陷量，則樁長小于濕陷土層厚度。在填料相同條件下，樁長越長，復(fù)合地基承載力也就越高，其消除的濕陷性土層厚度也就越大。

圖12 DDC法處理地基深度與濕陷性地層厚度關(guān)系Fig. 12 Relationship between foundation depth and collapsible loess thickness treated by DDC method

（6）樁的布置方式。目前DDC工法在工程上采用的布置方式都是正三角形。

2 SDDC法地基處理

孔內(nèi)深層超強夯法（SDDC）是在孔內(nèi)深層強夯法（DDC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，SDDC法相對于DDC法錘體自重更重，一般約為10～15 t，夯擊能更大，成孔直徑也會增大，從而樁間土以及樁體的密實度更大，產(chǎn)生的復(fù)合地基承載力高。SDDC地基處理統(tǒng)計情況見表2。

表2 SDDC法地基濕陷性黃土處理的統(tǒng)計情況Table 2 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with SDDC method

2.1 SDDC法應(yīng)用現(xiàn)狀

由表2可知，目前SDDC法應(yīng)用情況相對DDC而言數(shù)量較少，主要集中在關(guān)中地區(qū)的西安，其處理的濕陷土層厚度最大值為13.0 m，最小值為7.5 m，平均值為 9.8 m，濕陷類型為自重濕陷或非自重濕陷，濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級；位于隴東地區(qū)的慶陽濕陷土層厚度為 7.0～26.0 m，濕陷類型為I～Ⅳ自重濕陷。可以看出與1.1節(jié)分析結(jié)果是一致的。

2.2 填料對地基處理效果影響

根據(jù)表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，SDDC工法處理濕陷性黃土地基所采用的填料主要為：灰土、渣土、素土。采用不同填料地基處理后的承載力相比原地基承載力均顯著提高，采用素土樁的復(fù)合地基承載力特征值最大值為290 kPa，最小值為260 kPa，平均值為275 kPa；采用3∶7灰土樁處理后的復(fù)合地基承載力特征值最大值為375 kPa，最小值320 kPa，平均值為 352 kPa；采用渣土復(fù)合地基樁承載力特征值為273 kPa?？傮w而言，提高倍數(shù)平均約為天然地基的2.33倍，與DDC處理效果基本相當(dāng)。

2.3 SDDC參數(shù)對地基處理效果的影響

根據(jù)表2的統(tǒng)計資料顯示，SDDC法施工參數(shù)中錘重一般為2～15 t不等，常用夯錘質(zhì)量為10～15 t；其落距一般為5～13 m不等；夯擊次數(shù)一般為4～6次；夯擊能平均為1 000～3 000 kJ/層；成孔直徑一般為1.2～2.0 m，平均由DDC的0.4 m增大到1.2 m；成樁直徑由DDC的0.6 m擴(kuò)大到1.8 m；樁間距也保持著2.0～3.0倍成孔直徑，為2.6～4.5 m；布樁方式仍為正三角形布置。樁長的設(shè)計也是根據(jù)原地基濕陷厚度來確定。擠密后，地基的濕陷性系數(shù)一般能降至0.015以下，完全消除地基濕陷性。

3 結(jié) 論

（1）濕陷土層厚度和濕陷等級隨著隴西地區(qū)→隴東陜北地區(qū)→關(guān)中地區(qū)→山西地區(qū)→河南地區(qū)逐級遞減，DDC工法使用頻次較SDDC工法高。

（2）DDC工法采用的填料多為灰土，總占比為 60%，其復(fù)合地基承載力特征值由大到小依次為：碎石→2∶8灰土→3∶7灰土→1∶5水泥土→素土→渣土，處理后的地基承載力提高范圍為1.4～4.7倍，平均為2.5倍。

（3）DDC法在濕陷性厚度為5～15 m的Ⅲ級自重濕陷性場地集中應(yīng)用廣泛，其錘重一般為1.5～3.0 t，落距平均為5～8 m，夯次平均為6～8次/循環(huán)，夯擊能平均為800～2 000 kJ/層，平均成孔和成樁直徑分別為0.4 m和0.6 m。

（4）SDDC法常用的錘重為10～15 t，落距一般為5～13 m，夯次為4～6次/循環(huán)，夯擊能平均為1 000～3 000 kJ/層，平均成孔和成樁直徑分別增大到1.2 m和1.8 m。

（5）DDC法和SDDC法的樁間距基本為2.0～3.0倍成孔直徑，布樁方式基本為正三角形布置，但SDDC法處理深度較DDC法更深，其對濕陷性地基的擠密加固效果更為明顯。