周小松，喬建偉，夏玉云，朱才輝，宋少波

（1.機械工業(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

濕陷性黃土是一種具有較強結(jié)構(gòu)性的非飽和土，在天然含水率下壓縮性較低、強度較高，但浸水飽和會使結(jié)構(gòu)迅速破壞，強度迅速降低并產(chǎn)生較大的濕陷沉降變形［1-3］。 顯著的濕陷沉降變形會使地基基礎(chǔ)下沉或產(chǎn)生不均勻沉降，進而引發(fā)上部建筑開裂、傾斜和下沉等工程災(zāi)害。 因此，在濕陷性黃土地區(qū)開展工程建設(shè)時需消除濕陷性，目前GB 50025—2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》采用的消除濕陷性的地基處理方法主要有墊層法、強夯法、擠密法和預(yù)浸水法。

孔內(nèi)深層強夯法（DDC 工法）是擠密法的一種，其作用機理是采用重錘（重1.5 ～2.5t）將回填材料（素土、灰土）在孔內(nèi)分層夯實，使填料向孔周側(cè)向擠出，在形成樁體的過程中達到擠密樁周土的目的［4-5］。 該方法在消除黃土濕陷性的同時可大幅提高地基承載力，已廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土地區(qū)的地基處理［6-7］。 為更好地指導(dǎo)和服務(wù)工程建設(shè)，學(xué)者們運用大量室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬和理論分析等方法對DDC 擠密樁處理濕陷性黃土地基的效果開展了研究，獲取了不同設(shè)計參數(shù)如回填材料、樁長、樁間距、夯擊能、夯擊次數(shù)和施工工藝等對處理效果的影響規(guī)律［8-15］。

DDC 工法在實際應(yīng)用中多采用長螺旋鉆機成孔的方式，由于成樁直徑（500 ～600mm）不夠，同時夯錘質(zhì)量較小，僅有1.8～3t，導(dǎo)致DDC 工法形成的樁體直徑和需要的樁間距均較?。?6］，不能有效處理大厚度濕陷性黃土，在大厚度濕陷性黃土地區(qū)工程中的應(yīng)用前景較差。 鑒于此，SDDC 工法錘體自重大，一般為10～15t，成樁直徑更大，可達1.8m，從而使樁間土及樁體的密實度更大，可處理的濕陷性黃土層厚度也更大，形成復(fù)合地基的承載力也更高［17］，近年來在大厚度濕陷性黃土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。 部分研究人員結(jié)合具體工程對其作用機理和處理效果開展初步研究并取得了一些研究成果［18］，但其試驗研究仍嚴(yán)重滯后于工程建設(shè)，關(guān)于SDDC樁在濕陷性黃土地區(qū)擠密效應(yīng)的研究成果還鮮有報道，如SDDC 單樁的側(cè)向擠壓影響范圍及其變化規(guī)律，不同樁間距SDDC 樁的擠密效果和消除濕陷性效果，本文針對以上問題進行試驗研究。

1 試驗概況

1.1 場地條件

試驗場地位于西安市灞橋區(qū)白鹿原生活垃圾無害化處理熱電項目，地貌單元為黃土臺塬。 鉆探揭示試驗場地地下水位埋深＞60m，黃土層厚度＞80m，其中濕陷性黃土層厚度＞27m，為大厚度自重濕陷性場地。 試驗場地上部地層基本物理參數(shù)如表1 所示，試驗場地穩(wěn)定。 根據(jù)GB／T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》采用輕型擊實儀獲取試驗場地上部地層的最大干密度和對應(yīng)最優(yōu)含水率分別為：①層馬蘭黃土的最大干密度為1.65g／cm3，最優(yōu)含水率為18.1%；②層古土壤最大干密度為1.63g／cm3，最優(yōu)含水率為18.4%；③層離石黃土最大干密度為1.64g／cm3，最優(yōu)含水率為18.0%。

表1 試驗場地物理參數(shù)Table 1 Physical parameters in test site

1.2 SDDC 樁設(shè)計與施工

SDDC 樁設(shè)計成孔直徑1.2m，成樁直徑1.6m。先采用長螺旋旋挖鉆機成孔，然后采用夯實機夯擊成樁，回填材料為素土，選擇分層夯填，每層回填素土2.3～2.5m3。 鑒于試驗場地土層含水率略大于最優(yōu)含水率，回填前應(yīng)進行晾曬，成孔完成后首次回填素土前先預(yù)夯1 遍。 夯錘重10t，每次抬高8m，每層夯擊8 次。 鑒于本文主要研究SDDC 樁的側(cè)向擠壓特征和消除黃土濕陷性效果，為節(jié)約資源，設(shè)計試驗樁長為10m，樁周土為試驗場地①層馬蘭黃土、②層古土壤和③層離石黃土。

1.3 試驗方案設(shè)計

1）單樁設(shè)計

設(shè)計1 根10m 長SDDC 樁，施工完成后沿樁的4 個方向布置4 個橫剖面，在每根樁周不同水平距離處鉆孔取樣。 其中每個剖面第1 個鉆孔與樁軸的距離分別為10，20，30 和40cm，每個鉆孔的水平間距均為40cm，結(jié)合4 個剖面可獲得樁軸心以外0 ～4m 內(nèi)黃土的干密度和自重濕陷系數(shù)的變化規(guī)律。此外，每個鉆孔沿深度間隔1m 取樣，共取10 個土樣（見圖1），分別測試物理指標(biāo)、濕陷系數(shù)和擠密系數(shù)。

圖1 SDDC 單樁取樣布置（單位：cm）Fig.1 Samping layout of single SDDC pile（unit：cm）

2）不同樁間距群樁

設(shè)置4 個8m×8m 的試驗場地，每個場地布設(shè)5根10m 長夯擴樁，呈正三角形布置，分別按樁心距2.4，2.8，3.2，3.6m 布設(shè)（見圖2）。 群樁施工完成后，參考建筑標(biāo)準(zhǔn)分別從距樁心2／3 半徑、三樁形心處和兩樁連線中點布置鉆孔A，B，C，每個鉆孔沿深度間隔1m 取樣分別測試物理指標(biāo)、濕陷系數(shù)和擠密系數(shù)。

分別在天然黃土地基、不同樁間距樁體和樁間土開展平板載荷試驗，測試天然地基、樁體和樁間土的承載力特征值和變形模量，并計算不同樁間距下復(fù)合地基的地基承載力特征值。 試驗承壓板均采用圓形鋼板，考慮設(shè)計單樁的成樁直徑為1.6m，樁體承壓板直徑為1.6m，對應(yīng)面積為2.0m2；根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，天然黃土和樁間土承壓板直徑分別設(shè)計為0.56，1.13m，對應(yīng)承壓板面積分別為0.25，1.0m2。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單樁擠密效應(yīng)

1）豎向擠密效應(yīng)

統(tǒng)計樁心以外4m 范圍內(nèi)相同深度土層干密度平均值，并對比不同地層原狀土干密度，樁周土干密度平均值增加量隨深度的變化曲線如圖3 所示。樁心以外4m 范圍內(nèi)土層干密度增加量表現(xiàn)為隨深度先增加后減小，其中樁頂以下4m 和樁底以上2m范圍內(nèi)干密度增加量較小，小于0.10g／cm3。 考慮到古土壤層天然干密度較大，可以推測SDDC 夯擴樁對樁頂以下2m 和樁底以上2m 范圍土層（樁端）的擠密效果較差。 分析其原因主要是樁端土體缺少豎向限制，如夯擊樁底時，夯擊能側(cè)向水平傳播的同時還產(chǎn)生豎向傳播；夯擊樁頂時，夯擊能側(cè)向水平傳播的同時也可產(chǎn)生豎向傳播；夯擊能的豎向傳播削弱了水平的側(cè)向擠壓作用。 因此，樁體中部擠密效果優(yōu)于樁端。

圖3 土層干密度增加量隨深度的變化特征Fig.3 Changing characteristics of dry density of soil layer with depth

2）水平擠密效應(yīng)

考慮試驗單樁在深度5 ～8m 的擠密效果較好，計算距樁心不同水平距離土層的擠密系數(shù)時，僅統(tǒng)計深度5～8m 處的地層干密度。 擠密系數(shù)隨距樁心水平距離的變化曲線如圖4 所示。 由圖4 可知，樁周土擠密系數(shù)隨水平距離變化曲線可分為3 段：第1 段（0.1～0.8m），隨水平距離的增加，樁周土層擠密系數(shù)基本保持不變，該段擠密系數(shù)平均值為0.98，結(jié)合《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》提出的樁體擠密系數(shù)≥0.97，認(rèn)為試驗單樁的樁體直徑為1.6m，與設(shè)計值相同；第2 段（0.8 ～2.7m），隨水平距離增加，擠密系數(shù)逐漸減小，與水平距離呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)擠密系數(shù)為0.93 時，對應(yīng)水平距離為1.4m，表明單樁對樁心外1.4m 內(nèi)樁周土的擠密效果較好；第3 段（2.7 ～4.0m），隨水平距離增加，擠密系數(shù)基本保持不變，該段擠密系數(shù)平均值為0.81，略大于原狀離石黃土的擠密系數(shù)0.79，表明SDDC 夯擴樁對該段范圍土層的擠密效果較差。 采用logistic模型對擠密系數(shù)與距樁心水平距離的數(shù)學(xué)關(guān)系進行最優(yōu)函數(shù)擬合，擬合效果較好，ηc為擠密系數(shù)，x為距樁心水平距離，擬合優(yōu)度R2＝0.956 5。

圖4 樁周土擠密系數(shù)隨距樁心水平距離的變化Fig.4 The variation of soil compaction coefficient around piles with horizontal distance from the pile center

3）消除濕陷性

選取距樁心不同水平距離、不同深度下的黃土濕陷系數(shù)≥0.015 的數(shù)據(jù)，繪制不同深度下黃土濕陷系數(shù)隨距樁心水平距離分布曲線（見圖5）。SDDC 單樁樁體頂部（深度1，2m 處）外側(cè)黃土在距樁心1.0m 處濕陷系數(shù)≥0.015，樁體底部（深度9 ～10m 處）外側(cè)黃土在距樁心1.1m 處濕陷系數(shù)＞0.015，而樁體中部（深度3～8m）外側(cè)黃土在距樁心2.0m 處濕陷系數(shù)≥0.015。 考慮到SDDC 單樁半徑為0.8m，樁體頂部和底部消除樁周土濕陷性的最大水平范圍為樁體外0.3m，不足樁體半徑的0.5 倍；而樁體中部消除樁周土濕陷性的最大水平范圍可達1.2m，為樁體半徑的1.5 倍，表明SDDC 單樁樁端消除樁周土濕陷性效果較差，樁體中部消除樁周土濕陷性效果則較好，進一步證明樁端2m 范圍內(nèi)擠密效果較差。

圖5 樁周土濕陷系數(shù)隨距樁心水平距離的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of loess collapse coefficient around pile with horizontal distance from the pile center

綜上，試驗場地黃土天然含水率大于最優(yōu)含水率，雖然一定程度上降低了樁間土的擠密效果，但顯著提升了樁間土的干密度，因此在工程實踐中，考慮工程造價和工期，當(dāng)天然黃土含水率與最優(yōu)含水率較接近時，可采用SDDC 工法進行地基處理，但需通過試夯確定擠密效果。 此外，SDDC 夯擴樁形成的復(fù)合地基對1～2m 黃土擠密效果和消除濕陷性結(jié)果均較差，工程實踐中選擇SDDC 處理大厚度濕陷性黃土濕陷性時，需進一步采用強夯或其他地基處理技術(shù)消除上部2m 范圍內(nèi)的黃土濕陷性。

2.2 不同樁間距SDDC 樁擠密效果

統(tǒng)計不同樁間距中每個鉆孔在深度5～8m 處的地層干密度，計算平均值和擠密系數(shù)，繪制不同位置鉆孔擠密系數(shù)隨樁間距變化曲線（見圖6）。 樁間距相同情況下，距樁心2／3 半徑處（A 孔）擠密系數(shù)最大，形心處（B 孔）擠密系數(shù)次之，而兩樁連線中點處（C 孔）擠密系數(shù)最小，表明SDDC 三角形布樁在形心處的擠密效果優(yōu)于兩樁中心處擠密效果，與DDC 樁在形心處擠密效果不一致。 結(jié)合規(guī)范要求，本文建議對SDDC 復(fù)合地基分別測試兩樁中心和相鄰樁形心處樁間土的濕陷系數(shù)，當(dāng)上述樁間土不具有濕陷性時，判定SDDC 復(fù)合地基無濕陷性。

圖6 不同鉆孔擠密系數(shù)隨樁間距變化曲線Fig.6 Changing curves of compaction coefficient of different drilling with pile space

相同位置處黃土擠密系數(shù)與樁間距成反比；當(dāng)樁間距為3.6m 時，兩樁中心連線中點處擠密系數(shù)為0.86（＜0.88），表明當(dāng)樁間距為3.6m 時，擠密效果達不到規(guī)范中地基處理要求的最小擠密系數(shù)；但當(dāng)樁間距為2.4m 時，兩樁中心連線中點處擠密系數(shù)為0.92，遠(yuǎn)大于0.88，擠密效果好；當(dāng)樁間距為2.8，3.2m 時，兩樁中心連線中點處擠密系數(shù)分別為0.90，0.89，略大于0.88，擠密效果好。

根據(jù)規(guī)范中樁間距公式計算試驗條件下的樁間距s為2.85m，而試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁間距為2.8，3.2m 時，樁間土擠密效果均好，可見計算偏保守。

2.3 不同樁間距群樁承載特性

1）天然地基承載力

天然地基載荷試驗P-s曲線如圖7 所示。 天然黃土地基載荷試驗P-s曲線均可分為2 段，加速變形階段和破壞階段，表明其無明顯的比例界限，3 組試驗對應(yīng)的極限荷載分別為500，500，450kPa。 按GB 50007—2011 獲取天然地基承載力特征值為241.7kPa，據(jù)《工程地質(zhì)手冊》 計算變形模量為9.88MPa。

圖7 天然地基載荷試驗P-s 曲線Fig.7 P-s curves of load test of natural foundation

2）不同樁間距下樁體承載力

不同樁間距下樁體載荷試驗P-s曲線如圖8 所示。 不同樁間距樁體載荷試驗P-s曲線可劃分為2個階段：加速變形階段和破壞階段，表明其無明顯的比例界限。 按規(guī)范獲取不同樁間距下樁體承載力特征值，計算變形模量如表2 所示，樁體承載力特征值和變形模量均隨樁間距增加而減小。

圖8 不同樁間距樁下體載荷試驗P-s 曲線Fig.8 P-s curves of load test of single pile with different pile spacing

表2 不同樁間距下樁體承載力特征值與變形模量Table 2 Characteristic values of bearing capacity and deformation modulus of single piles with different pile spaces

3）不同樁間距下樁間土承載力

繪制不同樁間距樁體載荷試驗P-s曲線（見圖9）。 不同樁間距樁體載荷試驗P-s曲線可劃分為2個階段，加速變形階段和破壞階段，表明其無明顯的比例界限。 按獲取不同樁間距樁間土承載力特征值，并計算變形模量如表3 所示。 樁體承載力特征值和變形模量均隨樁間距增加而相應(yīng)減小。 對比表2，3 可知，相同樁間距下樁體的承載力特征值和變形模量均大于樁間土。

圖9 不同樁間距下樁間土載荷試驗P-s 曲線Fig.9 P-s curves of load test of soil betweenpiles with different pile spaces

表3 不同樁間距下樁間土承載力特征值與變形模量Table 3 Characteristic values of bearing capacity and deformation modulus of soil between piles with different pile spaces

綜上，盡管SDDC 夯擴樁復(fù)合地基上部1 ～2m范圍內(nèi)擠密效果和濕陷性消除效果較差，但樁體和樁間土承載力均顯著提高，其原因主要是復(fù)合地基中部干密度顯著提高，從而增加部地基土體的抗剪強度，進而導(dǎo)致樁體和樁間土承載力顯著提高。 因此，工程實踐中可選擇SDDC 工法處理大厚度濕陷性黃土，在消除濕陷性的同時可顯著提高地基承載力。

4）不同樁間距下復(fù)合地基承載力

分別計算ξ1和ξ2（見表4）。 隨樁間距增加，復(fù)合地基承載力特征值和變形模量均逐漸減小；復(fù)合地基承載力和變形模量提高系數(shù)均＞1，但變形模量提高系數(shù)遠(yuǎn)大于承載力提高系數(shù)，表明SDDC 夯擴樁處理后復(fù)合地基的變形特性顯著提高，因此，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》計算的復(fù)合地基變形模量提高系數(shù)則偏保守。 當(dāng)樁間距為3.6m 時，復(fù)合地基承載力特征值與天然地基承載力特征值基本相同，但變形模量是天然地基的1.6 倍。

表4 不同樁間距下復(fù)合地基承載力特征值和變形模量Table 4 Characteristic values of bearing capacity and deformation modulus of SDDC composite foundation with different pile spaces

3 結(jié)語

1）SDDC 夯擴樁豎向?qū)俄斠韵?m 和樁底以上2m 范圍內(nèi)的擠密效果較差，其消除樁周土濕陷性的最大水平距離不足樁體半徑的0.5 倍；樁體中部范圍擠密效果好，其消除樁周土濕陷性的最大水平距離是樁體半徑的1.5 倍。

2）SDDC 夯擴樁橫向上擠密系數(shù)隨距樁心水平距離變化曲線可分為3 段，表現(xiàn)為不變-減小-不變的特征，其數(shù)學(xué)關(guān)系可用logistic 模型并進行最優(yōu)函數(shù)擬合。

3）SDDC 夯擴樁三角形布樁時，單樁中心、兩樁中心和三樁形心處擠密系數(shù)均隨樁間距增加而減小，且兩樁中心擠密系數(shù)小于三樁形心，群樁樁間距設(shè)計按現(xiàn)有規(guī)范給定公式的計算結(jié)果偏保守。

4）SDDC 樁體、樁間土及其組成的復(fù)合地基承載力和變形模量均隨樁間距增加而減小，樁間距相同時復(fù)合地基承載力提高系數(shù)遠(yuǎn)小于變形模量提高系數(shù)。

本文的天然黃土載荷試驗、樁體和樁間土載荷試驗圓形板面積不同，一定程度上影響了承載力的對比分析結(jié)果。 此外，由于缺少較大直徑圓形載荷板，復(fù)合地基承載力和變形模量采用樁體、樁間土和理論公式計算，缺少實測復(fù)合地基承載力特征值和變形模量，后期可開展上述問題的相關(guān)研究。