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灰土挤密桩法处理湿陷性黄土的机理
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内容提示：介绍了影响灰土挤密桩挤密效果的施工参数,阐述了灰土挤密桩的施工方案设计,总结了灰土挤密桩法处治黄土湿陷性的基本结论,最后分析了灰土挤密桩现场施工中常见的质量问题与处理,以期为相关领域的理论研究提供指导。
1 影响灰土挤密桩挤密效果的施工参数
灰土挤密桩加固作用的原理主要是与复合地基原理相关,这是由灰土挤密桩的性质等因素决定的。根据上述原理及理论,我们可以分析得出:灰土桩的置换率、灰土桩的强度和灰土桩的长度是决定灰土挤密桩挤密效果的三个重要因素。（参考《建筑中文网》）
总结前人的研究成果,并结合相关的理论研究实际,我们可以得到处理后的桩间土的承载力特征值按下式估算:
其中,fspk为复合地基的承载力特征值;fpk为桩体的承载力特征值;fsk为桩间土的承载力特征值;m为桩土面积置换率,m=d2/d2e。灰土桩的布置方法一般按正三角形布置。按正三角形布置时,de=1. 05s。
桩体的直径一般情况下是一个固定的值,这个值与设备的相关情况发生联系,因此,处理后的复合地基的承载力特征值fspk就只与桩体的承载力特征值fpk和桩间距s有关,桩体的承载力特征值fpk和桩间距s是控制施工质量的关键性指标。
1)桩体的承载力特征值fpk。桩体的相关材料的组成、比例以及压实度对桩体的承载力特征值fpk产生直接的影响。一般情况下,针对桩体的相关材料中要包含黄土和消石灰,按照相关规定和要求所确定的灰土比一般为2∶8。
消石灰的参数要求为按JC/T 481-92标准应为钙质消石灰粉的合格品,即有效氧化钙和氧化镁(CaO +MgO)含量不小于60%,含水率不大于0. 2%~4%, 0. 9 mm筛筛余不大于0. 5%,0. 125 mm筛筛余不大于15%。黄土应纯净,土料应过筛,筛孔孔径不大于20 mm,含水量按击实试验确定的最优含水量±2%。确定桩体材料中的灰土比、消石灰质量、黄土质量等相关指标和因素以后,对于桩体承载力特征值fpk产生影响最大的因素就变成了桩体的压实系数。
影响桩体的承载力特征值fpk的主要因素为桩体的压实系数。按GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范的相关要求,桩体的压实系数不得小于0. 97。但由于现场施工设备的施工能力不同,达到桩体的压实系数需要的回填灰土厚度不同。设备动力强,可一次回填的厚度大;动力差,则一次回填的灰土厚度小。因此,最终决定桩体的承载力特征值fpk的具体施工参数为回填灰土厚度。
2)桩间距s。灰土桩的桩间距s大小决定了桩土面积置换率,间距越大,面积置换率越低,复合地基中由桩体承担的承载力越少,因此复合地基的承载力特征值越小。
为了消除黄土湿陷性,可以通过调节灰土桩的桩间距,因为这个间距最终决定了灰土桩的挤密效果。在进行挤压成孔操作时,是将桩孔原有的土强制向内挤出,挤压桩附近的土层,排除土中多余空气,加大土的密实程度,从而有效的提高土的承载能力。土体挤密范围,是从桩孔边向四周减弱,孔壁边土干密度可接近或超过最大干密度,也就是说压实系数可以接近或超过1. 0,其挤密影响半径通常为1. 5d~2d(d为挤密桩直径),渐次向外,干密度逐渐减小,直至土的天然干密度,试验证明沉管对土体挤密效果可以相互叠加,桩距愈小,挤密效果愈显著。
3)桩长。桩长设计的目的就是为了有效及时的消除地基湿陷性、提高地基承载力和减少沉降,从而有效地提升整个工程的质量。灰土桩的桩长应穿透湿陷性黄土。在我国某些地区,诸如我国西北地区有大厚度黄土的情况下,这种情况就对桩提出了更高的要求,桩长不能穿透全部厚度的湿陷性黄土,灰土桩的桩长按灰土桩的单桩承载力用计算摩擦桩的方法计算。
根据上述分析结果,再结合我们多年来在实际施工中总结的部分经验,发现在阜新—朝阳等类似的高速公路选择桩间距s为1. 1 m和1. 5 m,填土厚度分别为0. 5 m, 0. 8 m, 1. 1 m, 1. 4 m,1. 7 m, 2. 0 m, 2. 3 m和2. 6 m进行试验。试验分两个场地进行,其中K301+602~K301+622场地采用沉管成孔桩机成孔,夯锤强夯挤密压实;K398+460~K398+480场地采用沉管成孔桩机成孔,回填后用沉管成孔桩机挤密压实。
2 灰土挤密桩的施工方案设计
2.1 灰土挤密桩的施工方案设计
成孔桩的直径应为0. 4 m左右,其形状要布置成正三角形;而对于灰土桩的桩间距应该控制在1. 1 m和1. 50 m各一组。桩体材料为消石灰和土,体积配合比2∶8。桩体材料压实度要不小于0. 97,桩间土压实度要不小于0. 93。桩体材料分层回填并进行击实,夯击次数和分层厚度根据现场试验确定。
回填桩孔用的夯锤,宜采用倒置抛物线型锥体或尖锥型,锤重不宜小于100 kg。夯锤最大直径应比桩孔直径小10 cm~16 cm。
2.2 灰土挤密桩的施工设备
1)成孔设备:沉管成孔桩机。
2)拌和设备:常规拌和设备。
3)夯击设备:有两种,K301+602~K301+622场地采用夯锤强夯挤密压实,回填桩孔用的夯锤,宜采用倒置抛物线型锥体或尖锥型,锤重不宜小于100 kg。夯锤最大直径应比桩孔直径小10 cm~16 cm;K398+460~K398+480场地采用沉管成孔桩机成孔挤密压实。
2.3 灰土挤密桩的施工工艺流程
1)施工前的准备工作,对相关地形进行三维定位测量,并对施工场地进行平整。2)对桩位进行放样,同时固定桩机的相对位置。3)成孔:沉管成孔。4)夯实孔底。5)回填夯实:将相关的回填材料事先准备好,按照次序依次填入孔内。同时要根据锤的相关信息合理确定挤密时间。6)成孔和回填夯实的施工顺序应按照由外向里的顺序依次进行,同时要注意同排的间隔大概为1孔~2孔为宜。
2.4 灰土挤密桩的试验检测
2.4.1 试桩前取土及试验
试桩前应对试桩区的黄土性质进行勘察和试验。1)在试桩区布设至少两个人工探井,深度大于预期加固深度2 m~3 m,每间隔0. 5 m取一原状土样,进行土的常规试验和湿陷性试验,求得土的含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限及湿陷系数、自重湿陷系数和起始湿陷压力。2)在试夯区布设至少两个位置,进行连续动力触探(标准贯入),深度大于预期加固深度2 m~3 m。3)场地土的击实试验:求得土的最佳含水量,最大干密度。4)桩体材料石灰质量检测:要求Ⅲ级以上的球磨生石灰粉。5)桩体材料的击实试验:按设计配合比制料,求得灰土的最佳含水量,最大干密度。
2.4.2 施工中检测
1)施工中检测要持续检查石灰土的拌和质量; 2)施工中检测要持续检查桩孔深度、桩孔直径; 3)施工中检测要持续检查夯锤的相关情况,主要包括夯锤的夯击次数、落距、每次夯击回填灰土层顶高程、夯沉量等相关的信息。
2.4.3 施工后检测
1)试桩施工结束4周后,在桩间土布设至少两个人工探井,深度大于加固深度2 m~3 m,每间隔0. 5 m取一原状土样,对桩间土进行含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限等土的常规试验,对桩间土还要进行湿陷系数、自重湿陷系数和起始湿陷压力等湿陷性试验。
2)在试夯区布设至少两个位置,进行连续动力触探(标准贯入),深度大于加固深度2 m~3 m。
3)试桩施工结束4周后,选择不小于3个桩体,进行取样,对桩间土进行含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限等土的试验。
4)试桩施工结束4周后,选择不小于3个桩体,进行桩体强度静载荷试验。
3 灰土挤密桩法处治黄土湿陷性的基本结论
1)采用灰土挤密桩可以有效消除黄土湿陷性,但消除的效果与采用的设备和设计的桩间距有关。
以阜新—朝阳高速公路为例:当采用的场地灰土挤密桩现场试验设备为K301+602~K301+622时,投料的合理厚度是1. 1 m左右,可以有效消除桩体内黄土湿陷性的灰土挤密桩间距是1.1m。当采用的场地灰土挤密桩现场试验设备为K398 +460 ~K398+480时,投料的合理厚度是2. 0 m左右,可以有效消除桩体内黄土湿陷性的灰土挤密桩间距是2. 0 m。
按灰土比2∶8桩间距1.3 m条件下施工,桩体材料的压实度达到95.19%~99.45%,桩间土的压实度达到93.58%~95.19%,满足了规范要求。根据施工后桩间土的干密度值为1. 75 g/cm3~1. 78 g/cm3,桩间土密实度大于0. 87且满足规范规定的密实度要求的结果,可以直接判定消除了黄土的湿陷性。
2)从对湿陷性黄土连续动力触探的对比试验结果来分析:在灰土挤密操作时,连续动力触探10 cm的击数一般为5击~8击;当灰土挤密操作后,连续动力触探10 cm的击数一般为6击~10击;若实际操作过程中,遇到砂层,则这时连续动力触探击数会突然变大,一般连续动力触探击数将达到10击~17击。
灰土挤密桩加固作用的原理主要是与复合地基原理相关,这是由灰土挤密桩的性质等因素决定的。根据上述原理及理论,我们可以分析得出:灰土桩的置换率、灰土桩的强度和灰土桩的长度是决定灰土挤密桩挤密效果的三个重要因素。（参考《建筑中文网》）
总结前人的研究成果,并结合相关的理论研究实际,我们可以得到处理后的桩间土的承载力特征值按下式估算:
其中,fspk为复合地基的承载力特征值;fpk为桩体的承载力特征值;fsk为桩间土的承载力特征值;m为桩土面积置换率,m=d2/d2e。灰土桩的布置方法一般按正三角形布置。按正三角形布置时,de=1. 05s。
桩体的直径一般情况下是一个固定的值,这个值与设备的相关情况发生联系,因此,处理后的复合地基的承载力特征值fspk就只与桩体的承载力特征值fpk和桩间距s有关,桩体的承载力特征值fpk和桩间距s是控制施工质量的关键性指标。
1)桩体的承载力特征值fpk。桩体的相关材料的组成、比例以及压实度对桩体的承载力特征值fpk产生直接的影响。一般情况下,针对桩体的相关材料中要包含黄土和消石灰,按照相关规定和要求所确定的灰土比一般为2∶8。
消石灰的参数要求为按JC/T 481-92标准应为钙质消石灰粉的合格品,即有效氧化钙和氧化镁(CaO +MgO)含量不小于60%,含水率不大于0. 2%~4%, 0. 9 mm筛筛余不大于0. 5%,0. 125 mm筛筛余不大于15%。黄土应纯净,土料应过筛,筛孔孔径不大于20 mm,含水量按击实试验确定的最优含水量±2%。确定桩体材料中的灰土比、消石灰质量、黄土质量等相关指标和因素以后,对于桩体承载力特征值fpk产生影响最大的因素就变成了桩体的压实系数。
影响桩体的承载力特征值fpk的主要因素为桩体的压实系数。按GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范的相关要求,桩体的压实系数不得小于0. 97。但由于现场施工设备的施工能力不同,达到桩体的压实系数需要的回填灰土厚度不同。设备动力强,可一次回填的厚度大;动力差,则一次回填的灰土厚度小。因此,最终决定桩体的承载力特征值fpk的具体施工参数为回填灰土厚度。
2)桩间距s。灰土桩的桩间距s大小决定了桩土面积置换率,间距越大,面积置换率越低,复合地基中由桩体承担的承载力越少,因此复合地基的承载力特征值越小。
为了消除黄土湿陷性,可以通过调节灰土桩的桩间距,因为这个间距最终决定了灰土桩的挤密效果。在进行挤压成孔操作时,是将桩孔原有的土强制向内挤出,挤压桩附近的土层,排除土中多余空气,加大土的密实程度,从而有效的提高土的承载能力。土体挤密范围,是从桩孔边向四周减弱,孔壁边土干密度可接近或超过最大干密度,也就是说压实系数可以接近或超过1. 0,其挤密影响半径通常为1. 5d~2d(d为挤密桩直径),渐次向外,干密度逐渐减小,直至土的天然干密度,试验证明沉管对土体挤密效果可以相互叠加,桩距愈小,挤密效果愈显著。
3)桩长。桩长设计的目的就是为了有效及时的消除地基湿陷性、提高地基承载力和减少沉降,从而有效地提升整个工程的质量。灰土桩的桩长应穿透湿陷性黄土。在我国某些地区,诸如我国西北地区有大厚度黄土的情况下,这种情况就对桩提出了更高的要求,桩长不能穿透全部厚度的湿陷性黄土,灰土桩的桩长按灰土桩的单桩承载力用计算摩擦桩的方法计算。
根据上述分析结果,再结合我们多年来在实际施工中总结的部分经验,发现在阜新—朝阳等类似的高速公路选择桩间距s为1. 1 m和1. 5 m,填土厚度分别为0. 5 m, 0. 8 m, 1. 1 m, 1. 4 m,1. 7 m, 2. 0 m, 2. 3 m和2. 6 m进行试验。试验分两个场地进行,其中K301+602~K301+622场地采用沉管成孔桩机成孔,夯锤强夯挤密压实;K398+460~K398+480场地采用沉管成孔桩机成孔,回填后用沉管成孔桩机挤密压实。
2 灰土挤密桩的施工方案设计
2.1 灰土挤密桩的施工方案设计
成孔桩的直径应为0. 4 m左右,其形状要布置成正三角形;而对于灰土桩的桩间距应该控制在1. 1 m和1. 50 m各一组。桩体材料为消石灰和土,体积配合比2∶8。桩体材料压实度要不小于0. 97,桩间土压实度要不小于0. 93。桩体材料分层回填并进行击实,夯击次数和分层厚度根据现场试验确定。
回填桩孔用的夯锤,宜采用倒置抛物线型锥体或尖锥型,锤重不宜小于100 kg。夯锤最大直径应比桩孔直径小10 cm~16 cm。
2.2 灰土挤密桩的施工设备
1)成孔设备:沉管成孔桩机。
2)拌和设备:常规拌和设备。
3)夯击设备:有两种,K301+602~K301+622场地采用夯锤强夯挤密压实,回填桩孔用的夯锤,宜采用倒置抛物线型锥体或尖锥型,锤重不宜小于100 kg。夯锤最大直径应比桩孔直径小10 cm~16 cm;K398+460~K398+480场地采用沉管成孔桩机成孔挤密压实。
2.3 灰土挤密桩的施工工艺流程
1)施工前的准备工作,对相关地形进行三维定位测量,并对施工场地进行平整。2)对桩位进行放样,同时固定桩机的相对位置。3)成孔:沉管成孔。4)夯实孔底。5)回填夯实:将相关的回填材料事先准备好,按照次序依次填入孔内。同时要根据锤的相关信息合理确定挤密时间。6)成孔和回填夯实的施工顺序应按照由外向里的顺序依次进行,同时要注意同排的间隔大概为1孔~2孔为宜。
2.4 灰土挤密桩的试验检测
2.4.1 试桩前取土及试验
试桩前应对试桩区的黄土性质进行勘察和试验。1)在试桩区布设至少两个人工探井,深度大于预期加固深度2 m~3 m,每间隔0. 5 m取一原状土样,进行土的常规试验和湿陷性试验,求得土的含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限及湿陷系数、自重湿陷系数和起始湿陷压力。2)在试夯区布设至少两个位置,进行连续动力触探(标准贯入),深度大于预期加固深度2 m~3 m。3)场地土的击实试验:求得土的最佳含水量,最大干密度。4)桩体材料石灰质量检测:要求Ⅲ级以上的球磨生石灰粉。5)桩体材料的击实试验:按设计配合比制料,求得灰土的最佳含水量,最大干密度。
2.4.2 施工中检测
1)施工中检测要持续检查石灰土的拌和质量; 2)施工中检测要持续检查桩孔深度、桩孔直径; 3)施工中检测要持续检查夯锤的相关情况,主要包括夯锤的夯击次数、落距、每次夯击回填灰土层顶高程、夯沉量等相关的信息。
2.4.3 施工后检测
1)试桩施工结束4周后,在桩间土布设至少两个人工探井,深度大于加固深度2 m~3 m,每间隔0. 5 m取一原状土样,对桩间土进行含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限等土的常规试验,对桩间土还要进行湿陷系数、自重湿陷系数和起始湿陷压力等湿陷性试验。
2)在试夯区布设至少两个位置,进行连续动力触探(标准贯入),深度大于加固深度2 m~3 m。
3)试桩施工结束4周后,选择不小于3个桩体,进行取样,对桩间土进行含水量、干湿密度、孔隙比、塑液限等土的试验。
4)试桩施工结束4周后,选择不小于3个桩体,进行桩体强度静载荷试验。
3 灰土挤密桩法处治黄土湿陷性的基本结论
1)采用灰土挤密桩可以有效消除黄土湿陷性,但消除的效果与采用的设备和设计的桩间距有关。
以阜新—朝阳高速公路为例:当采用的场地灰土挤密桩现场试验设备为K301+602~K301+622时,投料的合理厚度是1. 1 m左右,可以有效消除桩体内黄土湿陷性的灰土挤密桩间距是1.1m。当采用的场地灰土挤密桩现场试验设备为K398 +460 ~K398+480时,投料的合理厚度是2. 0 m左右,可以有效消除桩体内黄土湿陷性的灰土挤密桩间距是2. 0 m。
按灰土比2∶8桩间距1.3 m条件下施工,桩体材料的压实度达到95.19%~99.45%,桩间土的压实度达到93.58%~95.19%,满足了规范要求。根据施工后桩间土的干密度值为1. 75 g/cm3~1. 78 g/cm3,桩间土密实度大于0. 87且满足规范规定的密实度要求的结果,可以直接判定消除了黄土的湿陷性。
2)从对湿陷性黄土连续动力触探的对比试验结果来分析:在灰土挤密操作时,连续动力触探10 cm的击数一般为5击~8击;当灰土挤密操作后,连续动力触探10 cm的击数一般为6击~10击;若实际操作过程中,遇到砂层,则这时连续动力触探击数会突然变大,一般连续动力触探击数将达到10击~17击。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201110/15061.htm
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