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摘要:通过理论诠释了灰土挤密桩加固地基的原理,通过实践及实测数据证实了加固地基的效果。分析推广灰土挤密桩对处理湿陷性黄土地基的经济性和适用性。
关键词:湿陷性;挤密；柴油锤；离子交换
Abstract: Through theoretical interpretation of the principle of lime soil compaction pile to reinforce the foundation, foundation reinforcement effect is proved through practice and measured data. The economic and Applicable Analysis on promotion of soil ground treatment of collapsible loess compaction pile.
Key words: collapsible; compaction; diesel hammer; ion exchange
中图分类号：P285.2+39 文献标识码： 文章编号：
灰土挤密桩作为处理自重湿陷性黄土地基的一种常用手段,已被广泛应用。灰土挤密桩对于消除地基土的湿陷性、提高复合地基承载力效果极其显著。在工程实践中,其技术已日臻完善。结合河北省衡水市某变电站地基加固处理事例说明之。
1工程概况及地质条件
该变电站位于衡水某县工业园内，地势较平坦，临近道路。该站址处于负荷中心，各级电压进出线方便，交通便利。
本期工程地基方案推荐灰土挤密桩复合地基，加固处理面积为4138.52m2,处理深度6m。该场地自重湿陷量为25.8cm,属于自重湿陷黄土场地,计算总湿陷量为40.25cm,湿陷等级为Ⅱ级(中等)。
2灰土挤密桩设计参数
根据业主提供的基础布置图，场地大部分区域基础底标高为-1.50m。要求地基处理后复合地基承载力特征值≥120kPa。
2.1桩长、桩径及桩距选取
选取标高为-7.5m的②层粉土作为桩端持力层。桩径400mm，建构筑物区域内有效桩长为5.00m，保护桩长0.50m，道路等其余区域桩长6.50m。在站址范围内采用等边三角形布桩，桩距900mm。总桩数5879根.
2.2置换率(m)
根据桩中心距Sd及桩径确定面积置换率m。依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中式7.2.8-2进行计算：
m=d2/de2=0.42/（1.05×0.9）2=0.179
2.3复合地基承载力特征值(fspk)
根据相关规程规范，对散体材料增强体复合地基，其复合地基承载力特征值可按下列公式估算：
经计算：
fspk=[1+0.179(3-1)]70×1.3
=123.57kPa＞120kPa
式中：fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；
——处理后桩间土承载力特征值(kPa)，应按地区经验确定，取天然土的1.3倍；
n——复合地基桩土应力比，应按地区经验确定，取3；
m——复合地基置换率，m=0.179
3施工设备
柴油锤沉管打桩机,φ400mm桩管下置活瓣桩尖,150kg夯锤4台。
4施工工艺及步骤
(1)平整场地:施工现场要求平整,以便大吨位桩机移机方便,同时保证桩的垂直度,场地最大坡度不得超过8%
(2)机械安装:设备到达场地后,组织经验丰富的技术工人进行安装,其间注意保证桩管的绝对垂直,并对易损件进行维修更换,保证施工的连续性。
(3)测量定位:根据施工图纸进行轴线定位,现场监理验线后方可进行桩位放样,轴线测量精度控制在2cm以内,桩孔定位要求偏差不超过5cm。可用小木桩或粗钢筋打入土中20cm，拔出后在孔内浇少许石灰水即可。
(4)桩孔成型
桩孔成型是影响挤密桩地基工程质量的技术关键，也是问题多、操作困难的一道工序。
首先，为了保证效率和成孔质量，采用隔排跳打的方式，减小后成孔对之前未夯填的孔的影响。
成孔:对好桩位后，启动柴油锤,成孔至设计深度之后,拔管。
成孔在工程实际中主要有以下两种问题：塌孔，缩径。
塌孔若不处理，容易造成桩体底部不密实，影响桩体承载力，出现这种情况的原因很复杂，塌孔的表现为：成孔困难，桩管成孔至设计深度后，拔出桩管后测量孔深，无法满足设计要求，少数情况下，回填后在原位置再次成孔后可改善，在工程实际中，确保桩管垂直度，降低桩管提升速度都可以改善塌孔现象，若以上方法都不奏效，可以考虑使用柱锤冲扩桩机，可彻底避免塌孔现象。
缩径的主要危害是在夯实中容易产生夹锤现象，无法正常成桩，具体表现为在成孔之后几分钟至几小时时间内，孔在某些深度范围内出现直径减小现象，截面通常缩成三角形，甚至完全闭合，在实际施工中，我们发现缩径现象往往集中出现在某些水分含量大的区域或者地层。解决方案有：对于某些缩径较慢的区域，可以合理安排夯机工作时间，做到随打随夯；还可以用洛阳铲人工扩孔，但是这个方法费时费力，而且会有沉渣掉落孔底，影响成桩质量所以不推荐。在成孔过程中适当降低提管速度，也可以减轻缩径现象；在桩管前端加一组活瓣，可以有效减轻提管瞬间孔内气压降低造成的缩径现象，同样的，使用柱锤冲扩桩机也可以有效地避免缩径现象。
(5)拌制灰料:根据设计要求,施工所用灰料为3∶7灰土(体积比),所用熟石灰必须过筛,石灰颗粒不得大于5mm,熟石灰中不得夹有未熟化的生石灰块和过火石灰、欠火石灰,也不得含有过多水分,灰土的土料宜采用基坑开挖中挖出的土,但不得含有机杂质,使用前应过筛,其粒径不得大于15mm。灰土搅拌均匀,应控制适当的含水量(工地检验方法用手将灰土紧握成团,轻捏即碎为宜)。要现配现用,含水量过高,夯击密实度不能保证,且很难吸收地基中的水分,而且硬化后,出现的气孔导致后期强度不高,含水量过小。夯击不粘结,呈松散粉体,桩身没有强度,所以一定要选择最佳含水量(根据现场击实试验含水量在19%左右最佳)。
(6)夯机夯实:桩管拔出后,桩机移向下一个桩位,随即支好三角架,先对孔内落土夯实,然后向孔内灌料,分层夯实。分层厚度不得大于20cm,夯锤数不小于40次,落锤高度不小于4m,以保证所需击实功。夯填高度应高出设计桩顶标高10cm。
5灰土挤密桩的加固机理
5.1成孔挤密作用
由于灰土桩施工采用的是柴油锤成孔,利用成孔时的侧向挤压作用，对桩间土产生挤密作用,从而可部分消除土的湿陷性。灰土桩的桩身硬化形成有一定强度的桩体,其过程是经过一系列物理化学反应完成的。
5.2离子交换作用
粘土的微小颗粒带有一定的胶体性质,其表面带有负电,吸附着一定数量的Na+、K+等低价阳离子,土体因吸附作用形成一个扩散双电层,扩散双电层的存在使土具有可塑性,扩散双电层越厚土的抗剪强度越小,石灰中的二价Ca2+与扩散双电层中一价Na+、K+发生离子交换,原来的钠(钾)土变成钙土,土颗粒表面所吸附的离子由一价变成二价,减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度,使土粒相互之间更为接近,分子引力随着增加,许多单个土粒聚成小团粒,形成一个稳定团粒结构从而使土的塑性减小,抗剪强度增高。
(2)通过剖桩取样检测,桩身土的压实系数(dy)为0.91～1.03,均值为0.97,满足规范(GBJ25-90)提出的≥0.95的要求,无侧限抗压强度平均值(fpcu)为919.0kPa。
桩身周围多余的Ca(OH)2吸收桩间的水分,绝大部分饱和的Ca(OH)2自行结晶,形成熟石灰结晶网格(共晶体),提高了复合地基的抗剪强度,从而提高了其稳定性。
5.4火山灰作用
粘土中的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等与熟石灰中游离的Ca2+发生化学反应,生成含结晶水的硅酸钙[Ca2OSiO2·(n+1)H2O]和铝酸钙[CaOAl2O3·(n+1)H2O]等,水化硅酸钙和水化铝酸钙结晶都是胶凝物质,具有水硬性,并能在固体和水两相环境下产生硬化,从而在土颗粒的外围形成一层稳定保护膜,填充颗粒空隙,使颗粒产生结合料,减少了颗粒间的空隙与透水性,这样不仅提高了土的强度,同时提高了土的密实度。
6地基处理后的效果
施工结束后，对本工程进行了总孔数5%的抽样检验，按《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002中附录A:“复合地基荷载包试验要点”进行检测，检测结果复合地基承载力特征值大于120Kpa，检测结果表明施工满足了规范和设计要求。
7质量评价
从施工检测效果来看,该工程采用灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基既消除了地基湿陷性,完全满足地基承载力要求,而且由于材料造价低廉,施工工艺简便,不需要用水和排污，对周围环境影响小，工期短等优势获得了一定的社会效益，受到了业主好评，在地基施工领域应当具有相当的市场和竞争优势。
参考文献：
［1］建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）［S］.2002.
［2］地基处理手册（第2版）［M］。中国建筑工业出版社，2000.
［3］喬国峰.浅谈湿陷性黄土地基加固施工技术[J];山西建筑;2007年12期
［4］吴丽萍,张玲;灰土挤密桩处理软弱地基技术[J];铁道建筑技术;2002年03期
关键词:湿陷性;挤密；柴油锤；离子交换
Abstract: Through theoretical interpretation of the principle of lime soil compaction pile to reinforce the foundation, foundation reinforcement effect is proved through practice and measured data. The economic and Applicable Analysis on promotion of soil ground treatment of collapsible loess compaction pile.
Key words: collapsible; compaction; diesel hammer; ion exchange
中图分类号：P285.2+39 文献标识码： 文章编号：
灰土挤密桩作为处理自重湿陷性黄土地基的一种常用手段,已被广泛应用。灰土挤密桩对于消除地基土的湿陷性、提高复合地基承载力效果极其显著。在工程实践中,其技术已日臻完善。结合河北省衡水市某变电站地基加固处理事例说明之。
1工程概况及地质条件
该变电站位于衡水某县工业园内，地势较平坦，临近道路。该站址处于负荷中心，各级电压进出线方便，交通便利。
本期工程地基方案推荐灰土挤密桩复合地基，加固处理面积为4138.52m2,处理深度6m。该场地自重湿陷量为25.8cm,属于自重湿陷黄土场地,计算总湿陷量为40.25cm,湿陷等级为Ⅱ级(中等)。
2灰土挤密桩设计参数
根据业主提供的基础布置图，场地大部分区域基础底标高为-1.50m。要求地基处理后复合地基承载力特征值≥120kPa。
2.1桩长、桩径及桩距选取
选取标高为-7.5m的②层粉土作为桩端持力层。桩径400mm，建构筑物区域内有效桩长为5.00m，保护桩长0.50m，道路等其余区域桩长6.50m。在站址范围内采用等边三角形布桩，桩距900mm。总桩数5879根.
2.2置换率(m)
根据桩中心距Sd及桩径确定面积置换率m。依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中式7.2.8-2进行计算：
m=d2/de2=0.42/（1.05×0.9）2=0.179
2.3复合地基承载力特征值(fspk)
根据相关规程规范，对散体材料增强体复合地基，其复合地基承载力特征值可按下列公式估算：
经计算：
fspk=[1+0.179(3-1)]70×1.3
=123.57kPa＞120kPa
式中：fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；
——处理后桩间土承载力特征值(kPa)，应按地区经验确定，取天然土的1.3倍；
n——复合地基桩土应力比，应按地区经验确定，取3；
m——复合地基置换率，m=0.179
3施工设备
柴油锤沉管打桩机,φ400mm桩管下置活瓣桩尖,150kg夯锤4台。
4施工工艺及步骤
(1)平整场地:施工现场要求平整,以便大吨位桩机移机方便,同时保证桩的垂直度,场地最大坡度不得超过8%
(2)机械安装:设备到达场地后,组织经验丰富的技术工人进行安装,其间注意保证桩管的绝对垂直,并对易损件进行维修更换,保证施工的连续性。
(3)测量定位:根据施工图纸进行轴线定位,现场监理验线后方可进行桩位放样,轴线测量精度控制在2cm以内,桩孔定位要求偏差不超过5cm。可用小木桩或粗钢筋打入土中20cm，拔出后在孔内浇少许石灰水即可。
(4)桩孔成型
桩孔成型是影响挤密桩地基工程质量的技术关键，也是问题多、操作困难的一道工序。
首先，为了保证效率和成孔质量，采用隔排跳打的方式，减小后成孔对之前未夯填的孔的影响。
成孔:对好桩位后，启动柴油锤,成孔至设计深度之后,拔管。
成孔在工程实际中主要有以下两种问题：塌孔，缩径。
塌孔若不处理，容易造成桩体底部不密实，影响桩体承载力，出现这种情况的原因很复杂，塌孔的表现为：成孔困难，桩管成孔至设计深度后，拔出桩管后测量孔深，无法满足设计要求，少数情况下，回填后在原位置再次成孔后可改善，在工程实际中，确保桩管垂直度，降低桩管提升速度都可以改善塌孔现象，若以上方法都不奏效，可以考虑使用柱锤冲扩桩机，可彻底避免塌孔现象。
缩径的主要危害是在夯实中容易产生夹锤现象，无法正常成桩，具体表现为在成孔之后几分钟至几小时时间内，孔在某些深度范围内出现直径减小现象，截面通常缩成三角形，甚至完全闭合，在实际施工中，我们发现缩径现象往往集中出现在某些水分含量大的区域或者地层。解决方案有：对于某些缩径较慢的区域，可以合理安排夯机工作时间，做到随打随夯；还可以用洛阳铲人工扩孔，但是这个方法费时费力，而且会有沉渣掉落孔底，影响成桩质量所以不推荐。在成孔过程中适当降低提管速度，也可以减轻缩径现象；在桩管前端加一组活瓣，可以有效减轻提管瞬间孔内气压降低造成的缩径现象，同样的，使用柱锤冲扩桩机也可以有效地避免缩径现象。
(5)拌制灰料:根据设计要求,施工所用灰料为3∶7灰土(体积比),所用熟石灰必须过筛,石灰颗粒不得大于5mm,熟石灰中不得夹有未熟化的生石灰块和过火石灰、欠火石灰,也不得含有过多水分,灰土的土料宜采用基坑开挖中挖出的土,但不得含有机杂质,使用前应过筛,其粒径不得大于15mm。灰土搅拌均匀,应控制适当的含水量(工地检验方法用手将灰土紧握成团,轻捏即碎为宜)。要现配现用,含水量过高,夯击密实度不能保证,且很难吸收地基中的水分,而且硬化后,出现的气孔导致后期强度不高,含水量过小。夯击不粘结,呈松散粉体,桩身没有强度,所以一定要选择最佳含水量(根据现场击实试验含水量在19%左右最佳)。
(6)夯机夯实:桩管拔出后,桩机移向下一个桩位,随即支好三角架,先对孔内落土夯实,然后向孔内灌料,分层夯实。分层厚度不得大于20cm,夯锤数不小于40次,落锤高度不小于4m,以保证所需击实功。夯填高度应高出设计桩顶标高10cm。
5灰土挤密桩的加固机理
5.1成孔挤密作用
由于灰土桩施工采用的是柴油锤成孔,利用成孔时的侧向挤压作用，对桩间土产生挤密作用,从而可部分消除土的湿陷性。灰土桩的桩身硬化形成有一定强度的桩体,其过程是经过一系列物理化学反应完成的。
5.2离子交换作用
粘土的微小颗粒带有一定的胶体性质,其表面带有负电,吸附着一定数量的Na+、K+等低价阳离子,土体因吸附作用形成一个扩散双电层,扩散双电层的存在使土具有可塑性,扩散双电层越厚土的抗剪强度越小,石灰中的二价Ca2+与扩散双电层中一价Na+、K+发生离子交换,原来的钠(钾)土变成钙土,土颗粒表面所吸附的离子由一价变成二价,减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度,使土粒相互之间更为接近,分子引力随着增加,许多单个土粒聚成小团粒,形成一个稳定团粒结构从而使土的塑性减小,抗剪强度增高。
(2)通过剖桩取样检测,桩身土的压实系数(dy)为0.91～1.03,均值为0.97,满足规范(GBJ25-90)提出的≥0.95的要求,无侧限抗压强度平均值(fpcu)为919.0kPa。
桩身周围多余的Ca(OH)2吸收桩间的水分,绝大部分饱和的Ca(OH)2自行结晶,形成熟石灰结晶网格(共晶体),提高了复合地基的抗剪强度,从而提高了其稳定性。
5.4火山灰作用
粘土中的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等与熟石灰中游离的Ca2+发生化学反应,生成含结晶水的硅酸钙[Ca2OSiO2·(n+1)H2O]和铝酸钙[CaOAl2O3·(n+1)H2O]等,水化硅酸钙和水化铝酸钙结晶都是胶凝物质,具有水硬性,并能在固体和水两相环境下产生硬化,从而在土颗粒的外围形成一层稳定保护膜,填充颗粒空隙,使颗粒产生结合料,减少了颗粒间的空隙与透水性,这样不仅提高了土的强度,同时提高了土的密实度。
6地基处理后的效果
施工结束后，对本工程进行了总孔数5%的抽样检验，按《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002中附录A:“复合地基荷载包试验要点”进行检测，检测结果复合地基承载力特征值大于120Kpa，检测结果表明施工满足了规范和设计要求。
7质量评价
从施工检测效果来看,该工程采用灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基既消除了地基湿陷性,完全满足地基承载力要求,而且由于材料造价低廉,施工工艺简便,不需要用水和排污，对周围环境影响小，工期短等优势获得了一定的社会效益，受到了业主好评，在地基施工领域应当具有相当的市场和竞争优势。
参考文献：
［1］建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）［S］.2002.
［2］地基处理手册（第2版）［M］。中国建筑工业出版社，2000.
［3］喬国峰.浅谈湿陷性黄土地基加固施工技术[J];山西建筑;2007年12期
［4］吴丽萍,张玲;灰土挤密桩处理软弱地基技术[J];铁道建筑技术;2002年03期