近年来, 随着城市发展和各种配套设施需求的增长, 越来越多的建筑工程不得不选址于大厚度湿陷性黄土地基之上, 上部结构载荷与湿陷性黄土厚度的增大使得对地基处理的要求越来越严格^[1]。然而传统的土桩、灰土桩等挤密法对于湿陷性黄土地基的处理厚度一般不超过15m, 即使采用冲击法或钻孔夯扩桩挤密法施工, 处理厚度也有局限性^[2,3]。本文结合山西某工程, 探讨了内外套管组合沉管夯扩法 (沉管成孔、重锤二次夯扩挤密桩) 在处理大厚度湿陷性黄土地基中的应用, 为处理大厚度湿陷性黄土地基提供了一种有效方法。

　　 内外套管组合沉管夯扩技术是在不改变原塔架的基础上, 采用多节内外管组合的方法, 运用机械锤击成孔, 不断加长钢管至设计深度, 可使沉管成孔的深度增加数倍, 突破了传统沉管挤密设备成孔深度无法大于18m的现状, 最深可达60m。然后向已成桩孔内分层投料、分层夯实及夯扩挤密, 使桩体材料侧向挤压地基土, 甚至挤入至地基土层中, 可在一定程度上改善桩间土的物理力学性质^[3]。同时, 对于具体的场地情况, 可以因地制宜, 选用不同的填料, 形成素土桩、灰土桩、水泥土桩、碎石桩等, 还可将不同填料形成的桩进行组合设计, 以适应各种工况, 节省资金。

　　 山西省保德县某氧化铝项目场区, 场地地势相对平坦开阔, 为一东西走向的狭长地带, 东西长约2.5km, 南北宽约0.7km, 为典型的黄土地貌, 周边冲沟发育。主要建筑物包括氧化铝仓、焙烧炉、热水站、高压泵房等各类厂房及设备。结构类型有钢筋混凝土框架、排架、钢框架、门式刚架等, 对差异沉降较为敏感。

　　 根据施工场地野外钻探及室内土工试验, 土层主要是第四系全新统人工堆积物, 第四系上、中更新统风成堆积物。在勘探深度65.0m范围内地基土从上至下可分为7层, 典型土层参数见表1。

　　 由土工试验结果可知, 本场区①层素填土虽经过夯实处理, 但局部夯实效果欠佳, 仍有湿陷, ②层黄土状粉土、③层湿陷性粉土具有湿陷性, ④层黄土状粉土局部在高压力下具有湿陷性。湿陷性土层厚度23.2～31.3m, 平均厚度约26.8m, 且场地内各处取土的自重湿陷量介于96.4～524.1mm, 均大于70mm, 是典型的大厚度自重湿陷性黄土场地。

　　 在勘探深度范围内未见地下水, 地下水位埋深预计大于70m。由于地下水位埋深较大, 且远离建筑基础, 因此不考虑地下水对基础的影响。

　　 为了更加经济有效地消除场地不同厚度黄土的湿陷性并满足上部结构对地基承载力的要求, 经研究, 对不同上部结构和地基情况采用不同的桩型^[4]。场地西侧厂房荷载较小, 采用3∶7灰土挤密桩;场地中部及东侧厂房荷载较大, 采用水泥土挤密桩。试桩参数见表2, 试桩桩位布置图见图1。

　　 试桩参数 表2

　　 图1 试桩试验布置图

　　 内外套管组合沉管夯扩法施工的主要流程为:1) 整理场地。清除施工场地范围内的地上及地下障碍物, 平整场地, 方便桩机移入。2) 桩管就位。确定桩孔在场地中的平面位置。移动成孔机械到指定位置, 检查机械有无异常, 并使管身垂直;3) 沉管成孔。机械锤击内外组合钢管并成孔, 沉管初始阶段宜控制桩锤处于低锤轻击状态, 待桩管入土深度超过1m, 桩管垂直向下、方向稳定后再加大落距, 控制贯入速度。将内外管打入土层后, 保持外管在土中不动, 将内管抽出, 与外管上端固定接长, 继续打入至设计深度。最多可加2层内管、1层外管, 共3层套管, 深度可达60m。成孔过程中应经常检查桩孔的垂直度, 发现偏差及时调整。4) 孔内填料并夯实。桩管沉入设计深度后应及时拔出, 拔出后, 检查成孔情况并记录。成孔合格后, 及时进行夯填, 随填随夯, 直至完成成桩^[5]。工艺流程见图2。 

　　 内外套管组合沉管夯扩法施工中注意的问题有:1) 施工前应结合有关勘察资料, 了解场地各区域及土质变化, 分析地基土的天然含水量, 清除场地内地上及地下障碍物。2) 施工时应保持桩位正确, 桩长达到设计深度, 桩径和桩身垂直度满足要求;控制贯入速度, 并严格按照设计的正三角形施工, 注意施工顺序, 按照先外圈后内圈的间隔进行, 及时填孔。3) 施工过程中注意塌孔及桩孔缩颈问题, 如若出现上述问题, 可在孔内填入干散砂土, 停止一段时间再进行成孔。4) 桩孔填料前, 应先夯击孔底3～4锤, 根据密实度的要求, 随填随夯, 保证桩身的密实性。5) 成桩完成后, 对于成桩质量检查采取随机抽样的方法, 检查数量不应少于总桩数的2%。

　　 为了检验场地湿陷性消除情况、确定桩身承载力状况, 对处理后的地基进行单桩复合地基静载荷试验和人工探井取样。

　　 单桩复合地基静载荷试验承压板采用直径1.05m圆形钢板, 面积为0.866m²。钢板铺设50mm厚中粗砂找平层, 试坑底标高与基底标高相同。采用千斤顶作为加载装置, 反力系统为压重平台反力装置, 采用工字形钢搭设堆载平台。在承压板四边分别架设位移传感器, 传感器的支架采用脚手架钢管, 钢管固定在独立的基准桩上。荷载采用慢速维持荷载法逐级加载, 每级荷载下沉降量达到相对稳定后再施加下一级荷载^[6]。加载等级分为10级, 灰土挤密桩复合地基每级荷载为70kN, 水泥土挤密桩复合地基每级荷载为81kN。

　　 测得的灰土挤密桩复合地基P-S曲线见图3, 其中P为荷载值, S为沉降量。由图3可以看出, 桩长26m的灰土挤密桩最大沉降量为9.48mm, 残余沉降量为6.66mm;桩长32m的最大沉降量为6.28mm, 残余沉降量为5.87mm;桩长35m的最大沉降量为8.90mm, 残余沉降量为6.99mm, 三种桩长单桩复合地基的沉降量均较小。P-S曲线都比较平缓, 无明显陡降段, 桩长32m的灰土挤密桩在加载490kPa后沉降量基本不变, 其回弹曲线基本呈直线。各桩型的地基承载力特征值均大于352kPa, 极限承载力均大于704kPa, 承载力较高, 满足设计要求。

　　 图3 灰土挤密桩复合地基P-S曲线

　　 水泥土挤密桩复合地基的P-S曲线见图4。由图4可以看出, 桩长20m的水泥土挤密最大沉降量为3.84mm, 残余沉降量为1.31mm;桩长32m的最大沉降量为5.28mm, 残余沉降量为3.83mm;桩长36m的最大沉降量为8.32mm, 残余沉降量为5.88mm, 三种桩长单桩复合地基的沉降量均较小。P-S曲线都比较平缓, 无明显陡降段, 其中各桩型的地基承载力特征值均大于404kPa, 极限承载力均大于808kPa, 满足设计要求。

　　 图4 水泥土挤密桩复合地基P-S曲线

　　 用探井取样法来检测水泥土挤密桩复合地基和灰土挤密桩复合地基的桩身夯填质量及桩间土挤密效果、湿陷性消除情况。探井挖掘深度在桩底以下0.5m, 其中, 水泥土挤密桩复合地基的挖掘深度分别为20.5, 32.5, 36.5m, 灰土挤密桩复合地基的挖掘深度分别为26.5, 32.5, 35.5m。自有效桩顶标高开始, 每间隔1m取一组试样, 取土规格为100×150, 每组取2个试样, 其中取桩体试样1件 (桩孔内距桩孔边缘50mm处) 、取桩间土样1件 (桩孔之间中心距的1/2处) 进行土工试验及湿陷性试验。

　　 由桩间土样测得的桩间挤密系数见图5。从图5中可以看出, 灰土挤密桩桩间土挤密系数随土层变化有一定的波动, 但所有挤密系数均在0.90以上, 挤密系数平均值为0.93;水泥土挤密桩桩间土挤密系数均大于0.90, 且曲线较为稳定, 受土层影响小, 挤密效果良好, 挤密系数平均值为0.95, 均符合《建筑地基处理技术规范》 (JGJ 79—2012) ^[7]和《湿陷性黄土地区建筑规范》 (GB 50025—2004) 的要求。

　　 由桩体试样测得的桩体压实系数见图6。由图6可以看出, 灰土挤密桩与水泥土挤密桩桩体压实系数都在0.93以上, 其中, 灰土挤密桩桩体压实系数平均值为0.97, 水泥土挤密桩桩体压实系数平均值为0.98, 均符合《建筑地基处理技术规范》 (JGJ 79—2012) ^[7]和《湿陷性黄土地区建筑规范》 (GB 50025—2004) 的要求, 且随着龄期增长, 桩体强度仍会进一步提高。

　　 试桩区域湿陷性系数见图7。由图7可见, 灰土挤密桩与水泥土挤密桩复合地基的加固效果无明显区别, 土层湿陷系数均小于0.015, 桩间土湿陷性已消除。

　　 人工探井试验结果表明, 用沉管成孔、重锤二次夯扩挤密桩的方法处理大厚度湿陷性黄土地基时, 能有效消除湿陷性效果。

　　 湿陷性黄土地基处理方法有很多种, 在处理大厚度湿陷性黄土的问题上, 本文通过具体工程的现场试验证实, 内外套管组合沉管夯扩法能较好地消除大厚度湿陷性黄土地基的湿陷性, 并在处理深度上有了很大的进步。同时, 通过对水泥土挤密桩复合地基和灰土挤密桩复合地基处理效果的对比发现, 两者在消除湿陷性方面都可以达到预期效果。可根据工程实际情况采用不同的桩型和填料优化地基设计, 以获得更好的经济效益。